CN112012887A - 风力发电系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种风力发电系统，其包含塔体、机舱组合件、扇叶组以及多个避雷机构。机舱组合件设置于塔体上。扇叶组连接到机舱组合件，并包含多个叶片。多个避雷机构分别对应于叶片，避雷机构的每一个包含引电件、导电环组以及导引线组。引电件设置于对应的叶片的外端缘。导电环组包括外导电环及内导电环，内导电环设置于外导电环内并相隔预定间隙，外导电环与内导电环彼此绝缘，外导电环及内导电环的一个连接引电件。导引线组的一端连接外导电环及内导电环的另一个，导引线组的另一端为接地端。

Description

风力发电系统

技术领域

本发明涉及一种发电系统，特别是涉及一种风力发电系统。

背景技术

随着经济的发展，各地均发生能源短缺的问题。由于核能发电存在安全方面的疑虑以及处理核能废料的问题，而传统火力发电有产生空气危害的缺点，因此发展干净且安全的再生能源发电系统是刻不容缓的事。再生能源包括太阳能发电、风力发电以及洋流发电等。针对风力发电部分，由于风力来源以海面风力来源最为充分，因此风力发电适于海岸线较长的地区，因其可降低取得风力来源的成本。

简单来说，风力发电系统一般包括风力涡轮机(简称风机，wind turbine)，其主要是通过空气流动(即风)转动叶片来发电。叶轮(rotor)为风力机转换利用风能最重要的系统之一，其叶片锁定于轮毂(hub)上，以共同构成叶轮。叶片受风吹的空气动力作用(包含升力及阻力)绕轴旋转，撷取风的动能转动轮毂中的转子，并经由转子与轮毂中的定子的电磁转换作用，进而转换成有用的电能并加以存储。

依照风力发电设置厂址来分类，可分为陆上和离岸(海上)风力发电系统。顾名思义，陆上风力发电系统即设置于地面上，而离案风力发电系统即设置于海上，以将海风转变为可用的电能。

然而，不论是设置在陆上或是海上，风力发电系统由于须要接收风源，往往是风力发电系统周遭最高的建筑物，故容易受到雷击。因此，如果没有适当的避雷设备，雷电将会造成风力发电系统的破坏的问题。

发明内容

缘是，为解决上述问题，本发明的目的之一在于提供一种风力发电系统，其具有避雷机构可以导引雷电，以避免雷电所造成不预期的破坏。本发明实施例提供一种风力发电系统，其包含塔体、机舱组合件、扇叶组以及多个避雷机构。机舱组合件设置于塔体上。扇叶组连接到机舱组合件，并包含多个叶片。多个避雷机构分别对应于叶片，避雷机构的每一个包含引电件、导电环组以及导引线组。引电件设置于对应的叶片的外端缘。导电环组包括外导电环及内导电环，内导电环设置于外导电环内并相隔预定间隙，外导电环与内导电环彼此绝缘，外导电环及内导电环的一个连接引电件。导引线组的一端连接外导电环及内导电环的另一个，导引线组的另一端为接地端。

本发明另一实施例提供一种风力发电系统，其包含塔体、机舱组合件、扇叶组以及避雷机构。机舱组合件设置于塔体上。扇叶组包含轮谷以及多个叶片，叶片的各者的内端缘分别连接轮谷。避雷机构包含引电针塔及导引线组。引电针塔设置于机舱组合件上，且引电针塔的长度大于叶片的长度。导引线组的一端连接引电针塔，导引线组的至少一部分设置于机舱组合件及塔体内，导引线组的另一端为接地端。

附图说明

图1为根据本发明实施例的风力发电系统的立体示意图。

图2为图1的风力发电系统的发电机组的示意图。

图3为图1的风力发电系统的局部立体透视示意图。

图4为根据本发明另一实施例的风力发电系统的局部立体透视示意图。

图5为图4的风力发电系统的局部侧视剖切示意图。

图6为图5的风力发电系统沿着6-6线的剖切示意图。

图7为根据本发明又一实施例的风力发电系统的示意图。

图8为根据本发明又一实施例的风力发电系统的立体示意图。

具体实施方式

为更清楚了解本发明的特征、内容与优点及其所能达成的功效，兹将本发明配合附图，并以实施例的表达形式详细说明如下，而其中所使用的图式，其主旨仅为示意及辅助说明书之用，故不应就所附的图式的比例与布置关系解读、局限本发明的权利要求书。

请参考图1，其为根据本发明实施例的风力发电系统1的立体示意图。在本实施例中，本发明实施例提供一种风力发电系统1，其可设置在陆地上或是设置在海上。风力发电系统1包含塔体2、机舱组合件3、扇叶组4以及多个避雷机构5。机舱组合件3设置于塔体2的顶端上。

塔体2可设置于陆地上或水中。当设置于水中时，塔体2可设置于浮动式平台上，或塔体2的底端可连接于海底上的基座，例如重力式基座(gravity base)、单桩(monopile)、塔架式(jacket)、三角台座(tripod)或吸筒式基座(suction bucket)。塔体2作为风力发电系统1整体支撑，其内具有线路，以将产生的电能传送到特定的变电站。塔体2的底部可具有接地端21。当塔体2设置于陆地上时，接地端21是耦合于地面；当塔体2设置于海上时，接地端21可耦合到海底基座或基桩。

请同时参照图1及2，其中图2为图1的风力发电系统的发电机组的示意图。图1的机舱组合件3可包含发电机31，其设置于机舱组合件3中。发电机31可为永磁式或是齿轮式发电机。发电机31包含定转子组32，其包括转子33及定子34。当转子33沿着定子34旋转时，根据电磁感应原理，通过转子33的磁场和定子34的绕组的相对运动，以将机械能转变为电能。另外，机舱组合件3也可具有一或多个容置空间(未绘示)，供操作者或维修人员进行作业并可放置设备或工具。

请参照图1及3，其中图3为图1的风力发电系统的局部立体透视示意图。扇叶组4连接到机舱组合件3的一端，且扇叶组4包含多个叶片41及轮谷42。一般来说，叶片41的数量为三，但其数量非用以限定本发明。以图3下方的叶片41为例，叶片41的内端缘410可穿设到轮谷42内，以使三个内端缘410分别连接到轮谷42，而轮谷42以可旋转的方式耦合到机舱组合件3并连接发电机31的转子33。当叶片41受风力而转动时，叶片41带动轮谷42旋转，进而带动图2所示的发电机31的转子33旋转，以将叶片41受风力所产生的机械能透过发电机31的定转子组32的作用转变为电能。

详细来说，叶片41的各者包含外壳412及可转动机构414。可转动机构414设置于外壳412内，且可转动机构414具有轴心A。可转动机构414可对应于风的方向而转动，且外壳412的形状(如图1所示)经设计而使风在特定角度的范围内，有利叶片41的转动。另外，当风势过强时，为了风力发电系统1的安全性，须停止叶片41的转动。此时，可转动机构414也可转动外壳412，进而调整叶片41方向，使叶片41的受风面较不易受风而转动，以利于叶片41的静止。

如图1及3所示，多个避雷机构5(在本实施例为三组)分别对应于叶片41。详细来说，避雷机构5的各者包含引电件51、导电环组52(请参考图3)以及导引线组53。引电件51设置于对应的叶片41的外端缘411，其可具有尖端，以利于吸引雷击。在本实施例中，导电环组52设置于轮谷42内，且位于叶片41的内侧端410。详细来说，导电环组52包括外导电环520及内导电环522，内导电环522设置于外导电环520内缘并且两者相隔预定的空气间隙G1，以使外导电环520与内导电环522彼此电性绝缘。在本实施例中，外导电环520及内导电环522之间的预定的空气间隙G1的范围在1毫米(mm)到24毫米(mm)之间，外导电环520及内导电环522的材质皆为铜。在本发明中，外导电环520及内导电环522中的一个连接引电件51。此外，在本实施例中，避雷机构5更包含多个导线54，导线54的一端分别连接到对应的引电件51，导线54的另一端分别连接对应的外导电环520。故在本实施例中，外导电环520是通过导线54而电性连接引电件51。此外，导引线组53具有相对的第一端530及第二端532，第一端530连接外导电环520及内导电环522的另一者，而第二端532为接地端。在本实施例中，导引线组的第一端530为连接内导电环522。更详细来说，第一端530是可位于轮谷42内而连接内导电环522，导引线组53再从轮谷42而穿过机舱组合件3及塔体2，使第二端532可连接位于塔体2底端的接地端21。在本实施例中，三组避雷机构5的三个第二端532可彼此连接而共同导引电流到接地。

在其它未绘示的实施例中，引电件51可通过导线54连接于内导电环522，引线组53的第一端530连接外导电环520。

通过上述图1到3实施例的结构布置，当风力发电系统1运转并遭遇雷击时，雷电往往会打到风力发电系统1的最高点或端点，即叶片41的一个的外端缘411上的引电件51。接着，雷电所产生的电流会经由引电件51及导线54引导到导电环组52的外导电环520。通过电晕放电(Corona Current Discharge)原理，电流会越过外导电环520及内导电环522之间的空气间隙G1，以从外导电环520跳电到内导电环522。接着，内导电环522的电流会传递到导引线组53，再经由导引线组53传递到塔体2底端的接地端21。因此，风力发电系统1遭受雷击所产生的电流会通过电晕放电原理并经由上述路径传递到接地端21，进而释放电力。如此即可避免风力发电系统1因雷击而遭受损坏。

请参照图4到6，其中图4为根据本发明另一实施例的风力发电系统1a的局部立体透视示意图，图5为图4的风力发电系统1a的局部侧视剖切示意图，而图6为图5的风力发电系统1a沿着6-6线的剖切示意图。图4到6所示的实施例与图1到3所示的实施例类似，其主要差异之处在于本实施例的导电环组52并未设置于轮谷42中，而是设置于叶片41内的容置空间中。详细来说，外导电环520位于叶片41的外壳412内侧，且可贴附于外壳412的内表面，内导电环522可环绕于位于可转动机构414的外侧，且外导电环520及内导电环522可与外壳412以及可转动机构414绝缘。再者，在本实施例中，如图5所示，外导电环520通过导线54连接引电件51，内导电环522连接导引线组53。如图6所示，外导电环520及内导电环522之间具有预定间隙G2，其范围在1毫米到24毫米之间。

在其它未绘示的实施例中，引电件51可通过导线54连接于外导电环520，引线组53的第一端530连接内导电环522。

通过上述图4到6实施例的结构布置，当风力发电系统1a运转并遭遇雷击时，雷电所产生的电流会经由引电件51及导线54引导到导电环组52的内导电环522。通过电晕放电原理，电流会越过内导电环522及外导电环520之间的空气间隙G2，以从内导电环522跳电到外导电环520。接着，外导电环520的电流会传递到导引线组53，再经由导引线组53传递到如图1所示的塔体2底端的接地端21。因此，上述的布置也可避免风力发电系统1a因雷击而遭受损坏。

以下涉及一种本案改变扇叶组4转速的结构及方式。请参照图2。在本实施例中，发电机31为可变极数的发电机31。其中，定子34包含多个定子单元36、36a、36b、36c等，而转子33可包含多个转子单元38。在本实施例中，定子单元36、36a、36b、36c等的数目为24个，而转子单元38的数目为36个，但上述的数目非用以限定本发明。在本发明中，风力发电系统1可调整定子单元36所形成极数的数目，以改变扇叶组4的转速。即，可自动或人工调整定子单元36为N极或S极，以形成单一磁极。如果定子单元36的磁极与相邻定子单元36的磁极相同时，即可视为单一磁极。举例来说，当定子单元36、36a、36b、36c的磁极分别为N、S、N、S时，那么前述四个定子单元的极数为四；当定子单元36、36a、36b、36c的磁极分别为N、N、S、S时，那么前述四个定子单元36、36a、36b、36c的极数为二；当定子单元36、36a、36b、36c的磁极皆为N或皆为S时，那么前述四个定子单元36、36a、36b、36c的极数为一。

根据本发明实施例的可变极数的发电机31，在维持发电频率的情况下，当风速在第一区间时，调整可变极数发电机31的极数的数目为第一值，进而调整扇叶组4的转速到第一速度；在维持发电频率下，当风速在第二区间时，调整可变极数的发电机31的极数的数目为第二值，进而调整所述扇叶组4的转速到第二速度。其中，第一区间可小于第二区间时，第一值可大于第二值，第一速度可小于第二速度。

详细来说，根据电力频率x60/极对数(极对数＝极数/2)＝每分钟转速的公式，且设定电力频率为60赫兹(Hz)时，可导出下列转速的对照图。

表1：风速与转速的对照图

风速(米/秒，m/s)	极数	转速(每分钟转速，rpm)
			2-8	60	120
8-16	40	180
			16-25	40	180
大于25	0	0

当风速不强时，例如风速为2到8m/s，可调高极数，以维持低转速，例如120rpm。当风速增加到区间时，例如8到16m/s，可降低极数，以提高转速，例如180rpm。风速增加到另一区间时，例如16到25m/s，为了维持相同的转速，维持供电稳定，除了维持极数外，也可调整叶片41的倾斜角，以降低风力促使叶片41的转动。当风力过大时，例如风速大于25m/s，可通过关闭发电机31以及其它煞车停止系统，强迫叶片41停止转动，以避免风力发电系统1的损坏。因此，根据上述调整可变极数发电机31极数的方式，可主动地调整转速，进而维持发电的稳定，并进一步避免风力发电系统1的故障。

图7为根据本发明又一实施例的风力发电系统1b的发电机组的示意图。如图7所示，机舱组合件内可设置多个发电机31、31a、31b，例如三个，并由轮谷(未绘示)所连接的转轴44是穿设于发电机31、31a、31b中，以形成发电机组。故当叶片41因风受力而驱动转轴44旋转时，即可同时带动发电机31、31a、31b的转子旋转，进而同时带动多个发电机31、31a、31b发电。

图8为根据本发明又一实施例的风力发电系统1c的立体示意图。如图8所示，本发明另一实施例提供一种风力发电系统1c，其包含塔体2、机舱组合件3、扇叶组4以及避雷机构6。机舱组合件3设置于塔体2上。扇叶组4包含轮谷42以及多个叶片41，叶片41的各者的内端缘410分别连接轮谷42。避雷机构6包含引电针塔60及导引线组62。引电针塔60设置于机舱组合件3上，且引电针塔60的长度L1大于叶片41的各者的长度L2。导引线组53的一端连接引电针塔60，导引线组53的至少一部分设置于机舱组合件3及塔体2内，导引线组53的另一端为接地端。

更详细来说，引电针塔60以连接机舱组合件3的一端为圆心，以引电针塔60的长度L1为虚拟旋转半径，引电针塔60的虚拟旋转半径涵盖离岸风力发电系统1c的机舱组合件3以上的部分。因此，由于引电针塔60的虚拟旋转半径涵盖了风力发电系统1c，雷电会直接打到风力发电系统1c的引电针塔，电流会经由导引线组62引导到接地端，以避免雷击造成风力发电系统1c的损坏。

总合上述，根据本发明实施例揭露的风力发电系统，雷击所产生的电流会通过导电环组中电晕放电原理而传递到接地端，进而释放电力。于另一实施例中，可设置引电针塔于机舱组合件上，以涵盖风力发电系统的顶部，如此，通过上述的结构，可就通过避雷机构的设置而避免风力发电系统因雷击遭受损坏。

于实施例中，可调整可变极数发电机的极数，以主动调整扇叶组的转速，进而维持风力发电系统的发电稳定性。于实施例中，当机舱组合件内设有多个发电机时，当轮谷旋转时，可同时带动多个发电机发电，进而有效提升发电的效率。

本文中的用语“一”或“一种”是用以叙述本发明的元件及成分。此术语仅为了叙述方便及给予本发明的基本观念。此叙述应被理解为包含一种或至少一种，且除非明显地另有所指，表示单数时也包含复数。于权利要求书中和“包括”一词一起使用时，所述用语“一”可意谓一个或超过一个。此外，本文中的用语“或”其意同“及/或”。

除非另外规定，否则例如“上方”、“下方”、“向上”、“左边”、“右边”、“向下”、“本体”、“底座”、“垂直”、“水平”、“侧”、“较高”、“下部”、“上部”、“上方”、“下面”等空间描述涉及图中所展示的方向加以指示。应理解，本文中所使用的空间描述仅出于说明的目的，且本文中所描述的结构的实际实施方案可以任何相对方向在空间上布置，此限制条件不会改变本发明实施例的优点。举例来说，在一些实施例的描述中，提供“在”另一元件“上”的元件可涵盖前一元件直接在后一元件上(例如，与后一元件物理接触)的状况以及一或多个介入元件位于前一元件与后一元件之间的状况。

如本文中所使用，术语“大致”、“大体上”、“实质的”及“约”用以描述及考虑微小的变化。当与事件或情形结合使用时，所述术语可意指事件或情形明确发生的情况以及事件或情形极近似于发生的情况。

以上所述的实施例仅为说明本发明的技术思想及特点，其目的在使所属领域的技术人员能够了解本发明的内容并据以实施，当不能以之限定本发明的专利范围，依本发明所公开的精神所作的均等变化或修饰，仍应涵盖在本发明的专利范围内。

符号说明

1、1a、1b、1c 风力发电系统

2 塔体

21 接地端

3 机舱组合件

31、31a、31b 发电机

32 定转子组

33 转子

34 定子

36、36a、36b、36c 定子单元

38 转子单元

4 扇叶组

41 叶片

410 内端缘

411 外端缘

412 外壳

414 可转动机构

42 轮谷

44 转轴

5 避雷机构

51 引电件

52 导电环组

520 外导电环

522 内导电环

53 导引线组

530 第一端

532 第二端

54 导线

6 避雷机构

60 引电针塔

62 导引线组

A 轴心

G1、G2 空气间隙

L1、L2 长度

Claims (13)

1.一种风力发电系统，其包含：

塔体；

机舱组合件，设置于所述塔体上；

扇叶组，连接到所述机舱组合件，并包含多个叶片；以及

多个避雷机构，分别对应于所述叶片，所述避雷机构的每一个包含：

引电件，其设置于对应的所述叶片的外端缘；

导电环组，其包括外导电环及内导电环，所述内导电环设置于所述外导电环内并相隔预定间隙，所述外导电环与所述内导电环彼此绝缘，所述外导电环及所述内导电环的一个连接所述引电件；以及

导引线组，其一端连接所述外导电环及所述内导电环的另一个，所述导引线组的另一端为接地端。

2.根据权利要求1所述的风力发电系统，其中所述外导电环连接所述引电件，所述内导电环连接所述导引线组。

3.根据权利要求1所述的风力发电系统，其中所述外导电环连接所述导引线组，所述内导电环连接所述引电件。

4.根据权利要求1所述的风力发电系统，其中所述扇叶组进一步包含轮谷，每一所述叶片的内端缘分别连接所述轮谷，且所述轮谷以可旋转的方式耦合到所述机舱组合件。

5.根据权利要求4所述的风力发电系统，其中所述导电环组设置于所述轮谷内。

6.根据权利要求1所述的风力发电系统，其中所述导电环组分别设置于所述叶片的内侧端，且所述外导电环及所述内导电环的材质为铜。

7.根据权利要求2所述的风力发电系统，其中所述避雷机构进一步包含：

多个导线，其一端分别连接到所述引电件，所述导线的另一端分别连接所述外导电环。

8.根据权利要求1所述的风力发电系统，其中所述外导电环及所述内导电环之间的所述预定间隙的范围在1毫米(mm)到24毫米(mm)之间。

9.根据权利要求1所述的风力发电系统，其中所述叶片中的各者包含：

外壳；及

可转动机构，设置于所述外壳内，其具有轴心，所述可转动机构可对应于风的方向而转动；

其中所述外导电环位于所述外壳内侧，所述内导电环位于所述可转动机构外侧，且所述外导电环及所述内导电环与所述外壳以及所述可转动机构绝缘。

10.根据权利要求1所述的风力发电系统，其中所述机舱组合件包含可变极数发电机，其在维持发电频率下，当风速在第一区间时，调整所述可变极数发电机的极数的数目为第一值，进而调整所述扇叶组的转速到第一速度；

在维持所述发电频率下，当风速在第二区间时，调整所述可变极数发电机的极数的数目为第二值，进而调整所述扇叶组的转速到第二速度。

11.根据权利要求10所述的风力发电系统，其中所述第一区间小于所述第二区间时，所述第一值大于所述第二值，所述第一速度小于所述第二速度。

12.一种风力发电系统，其包含：

塔体；

机舱组合件，设置于所述塔体上；

扇叶组，其包含轮谷以及多个叶片，所述叶片的各者的内端缘分别连接所述轮谷；及

避雷机构，其包含：

引电针塔，其设置于所述机舱组合件上，且所述引电针塔的长度大于所述叶片的长度；及

导引线组，其一端连接所述引电针塔，所述导引线组的至少一部分设置于所述机舱组合件及所述塔体内，所述导引线组的另一端为接地端。

13.根据权利要求12所述的风力发电系统，其中所述引电针塔以连接所述机舱组合件的一端为圆心，以所述引电针塔的长度为虚拟旋转半径，所述引电针塔的所述虚拟旋转半径涵盖所述离岸风力发电系统的所述机舱组合件以上的部分。

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