CN112539135A - 风力发电系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种风力发电系统，其包括机舱组合件、螺旋式叶片组及扇叶组。螺旋式叶片组连接至机舱组合件。扇叶组连接至机舱组合件，且扇叶组包括多个长形叶片，其中螺旋式叶片组与扇叶组相对于机舱组合件轴向相对设置，且螺旋式扇叶组的旋转半径小于扇叶组的旋转半径。

Description

风力发电系统

技术领域

本发明涉及一种发电系统，特别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。再生能源包含太阳能发电、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，因此风力发力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含风力涡轮机(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(包括升力及阻力)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。

为了增加接收风力的效率，业界往往增加叶片的长度，以增加受风面，得以撷取更多的风力。以目前的技术来说，叶片的旋转半径可达到一百米甚至更长。其中，叶片一般具有支撑部以及受风部，支撑部位于其内端缘，用以支撑为在外端缘并具有受风面的受风部。然而，当叶片增长时，支撑部的长度也同时增加。由于支撑部并无受风面的设置，故其无法受风而带动叶片旋转，进而无法充分利用风力资源。

因此，能够提供一种可以解决上述风力发电系统的叶片的支撑部无法受风而无法利用吹向所述支撑部位置的风力的问题，进而增加发电效率的风力发电系统，是业界所欲解决的问题。

发明内容

于是，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，其通过设置两组相异旋转半径的扇叶组，以提升其发电效率。本发明一实施例提供一种风力发电系统，其包括机舱组合件、螺旋式叶片组及扇叶组。螺旋式叶片组连接至机舱组合件。扇叶组连接至机舱组合件，且扇叶组包括多个长形叶片。螺旋式叶片组与扇叶组相对于机舱组合件轴向相对设置，且螺旋式扇叶组的旋转半径小于扇叶组的旋转半径。

附图说明

图1是根据本发明一实施例的风力发电系统的立体示意图。

图2是图1的风力发电系统的侧视示意图。

图3是图1的风力发电系统的局部侧视透视示意图。

具体实施方式

为更清楚了解本创作的特征、内容与优点及其所能达成的功效，兹将本创作配合附图，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、局限本创作的权利要求书。

请参考图1及图2，其中图1是根据本发明一实施例的风力发电系统1的立体示意图，图2是图1的风力发电系统1的侧视示意图。在本实施例中，本发明一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包括塔体2、机舱组合件3、螺旋式叶片组4以及扇叶组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。当设置于陆地上，即为一般陆域式风力发电系统1；当设置于水中而作为离岸式风力发电系统1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础，例如重力式基础(gravity base)、单桩(monopile)、塔架式(jacket)、三角台座(tripod)或吸筒式基础(suction bucket)。塔体2是作为风力发电系统1整体支撑，且塔体2内部具有其它电路设备以及线路，以将风力发电系统1产生的电能传送至特定的变电站。

图3是图1的风力发电系统1的局部侧视透视示意图。如图3所示，机舱组合件3以塔体2的轴向方向为基准，区分为分别位于连接塔体2的中间段38的两侧的第一部分31及第二部分32。即，第一部分31界定位于图3的左侧，而第二部分32界定位于图3的右侧。螺旋式叶片组4以可旋转的方式连接机舱组合件3的第一部分31的端缘，扇叶组5以可旋转的方式连接机舱组合件3的第二部分32。

请参照图3，关于本实施例的螺旋式叶片组4，其包括连接件42、第一转轴44以及一组螺旋式叶片46。详细来说，连接件42具有彼此相对的第一端420以及第二端422。第一端420连接至机舱组合件3的下缘，以使第一端420受到机舱组合件3的支撑。在其它实施例中，第一端420可连接到机舱组合件3的侧缘或其它位置。连接件42从其第一端420(即近端)向下延伸越过螺旋式叶片46的下方，然后向上延伸至第二端422(即远端)，由此第一端420(即近端)与第二端422(即远端)的连线与机舱组合件3的中心轴A重合。第一转轴44的两端可旋转地设置于机舱组合件3及连接件42的第二端422上。螺旋式叶片46是固定地穿设(套设)于第一转轴44上。螺旋式叶片46得以经构形受风旋转，以带动第一转轴44旋转。如此，连接件42及机舱组合件3分别支撑第一转轴44的相对两端，进而支撑穿设于第一转轴44的螺旋式叶片46。

另外，连接件42包括彼此相连的第一段424及第二段426，相对于连接第二段426的第一段424的端缘为第一端420，相对于连接第一段424的第二段426的端缘为第二端422。第一段424及第二段426可以各种方式彼此固定，例如锁固或焊接等。在部分实施例中，第一段424及第二段426是可以一体成型的方式制成。另外，第一段424是可为弧状而向外突出，以避免干扰螺旋式叶片46的旋转。第二段426可为大致成阿拉伯数字“7”字形，并避开螺旋式叶片46的旋转路径。另外，如图1所示，第二段426的厚度薄于第一段424的厚度，由此可尽量缩减迎风的第二段426的厚度，以减少风力吹拂至连接件42所造成的耗损，以使后方的螺旋式叶片46撷取更多的风力。

如图2及图3所示，在本实施例的螺旋式叶片组4中，其螺旋式叶片46的半径R1-R6从距离连接件42的第一端420预定距离L开始朝向连接件42的第二端422缩减，以形成多个半径R1-R6渐缩的受风区460，且受风区460可为多个曲面。即，螺旋式叶片46的多个相连受风区460沿着从机舱组合件3朝向连接件42的第二端422的中心轴A，而分别具有半径R1-R6，所述半径R1-R6从中心轴A朝向第二端422依比例依序渐缩。如此，本实施例的螺旋式叶片46的形状可呈现花瓣状，其开口背向于机舱组合件3。所述曲面的花瓣形状可有利于提升风力的收集，进而提高螺旋式叶片46的旋转速度。

关于本实施例的扇叶组5，其连接至机舱组合件3的第二部分32的端缘，并包括多个长形叶片51以及轮毂52。在本实施例中，如图1所示，长形叶片51的数目为三，但其数目非用以限定本发明。更详细来说，长形叶片51的各者包括支撑部53以及受风部54。支撑部53是介于受风部54以及轮毂52之间，支撑部53用以支撑受风部54，而非用以撷取风力以旋转。受风部54具有受风面56，其沿着旋转半径的横向扩展，用以接收外界风力的驱动而转动，并进而带动轮毂52转动。受风部54的宽度可从支撑部53向远离于支撑部53的方向渐缩。即，如图2所示，邻近于支撑部53的受风部54的宽度D1可为最大值，而朝向远端渐减。在本实施例中，支撑部53及受风部54的分界是受风部54的宽度D1最大值之处，然而，本发明的支撑部53及受风部54的交界处非用以限定本发明。在本发明的实施例中，由于支撑部53是主要用以支撑受风部54，而受风部54主要用以撷取风力而转动，故在其它实施例中，凡是符合前述定义的支撑部53及受风部54，不论其形状，即可作为本发明的支撑部53及受风部54，并可由此定义两者的交界处。

此外，如图1及图3所示，扇叶组5的叶片长形51具有角度调整机构，以可使扇叶组5的叶片长形51沿其长度方向原地旋转，以调整迎风面的方向，进而在风向改变时，提升扇叶组5的长形叶片51的风力撷取量。

如图1所示，在本实施例中，螺旋式叶片组4的螺旋式叶片46在轴向方向上是对应于长形叶片51的支撑部53。前述“对应”是指螺旋式叶片46旋转时所涵盖的面积在轴向方向可投影至长形叶片51的支撑部53，而至少涵盖支撑部53的大致部分。在本实施例中，如图3所示，螺旋式叶片46的最大半径R1是大致上等于长形叶片51的支撑部53的长度L1(如图1所示，即从长形叶片51的支撑部53的远端到轴心A1的距离)。另外，如图1及图3所示第一转轴44与扇叶组5的轴心A1分别与中心轴A重合，且中心轴A正交于长形叶片51的延伸方向。如图1所示，在本实施例中，螺旋式叶片46的最大半径R1与长形叶片51的长度L1+L2(即从长形叶片51的远端到轴心A1的距离)的比例范围介于1:3至1:6之间。也就是说，当风力发电系统1接收风力而运作时，螺旋式叶片46的旋转半径(即最大半径R1)大致涵盖长形叶片51的支撑部53的旋转半径(即长形叶片51的长度L1+L2)。如此，当风从如图2的左侧朝向右侧吹拂时，由于螺旋式叶片46旋转时涵盖了无法接收风力以旋转的长形叶片51的支撑部53区域，因此螺旋式叶片46是接收了此区域的风力。如此，风力发电系统1得以在不增加长形叶片51长度的情况下，增加了整体风力发电系统1的风力撷取量。

在本实施例中，如图3所示，机舱组合件3包括第一发电转轴33、多个第一发电机34、第二发电转轴35以及多个第二发电机36。本实施例的第一发电机34及第二发电机36的数量均为三，但所述数量非用以限定本发明。在其它实施例中，第一发电机34及第二发电机36的数量可以为一、二或四以上。在本实施例中，第一发电转轴33以及第一发电机34位于第一部分31内，而第二发电转轴35以及第二发电机36位于第二部分32内。第一转轴44以可旋转的方式耦接至机舱组合件3的第一发电转轴33，第一发电转轴33依序穿设多个第一发电机34，以使第一转轴44耦接于所述多个第一发电机34，且其中第一发电转轴33经构形以受螺旋式叶片组4的驱动而转动。另一方面，长形叶片51的支撑部53的内端缘连接至扇叶组5的轮毂52，而所述轮毂52以可旋转的方式耦接至机舱组合件3的第二发电转轴35。第二发电转轴35依序穿设多个第二发电机36，以使轮毂52耦接于所述多个第二发电机36，其中第二发电转轴35经构形以受扇叶组5的驱动而转动。需要注意的是，在本实施例中，第一发电转轴33与第二发电转轴35并不同步旋转，故而多个第一发电机34与多个第二发电机36是相互独立运作。

另一方面，第一发电机34及第二发电机36可为永磁式或齿轮式发电机。第一发电机34及第二发电机36可分别包含转子及定子。当转子沿着定子旋转时，根据电磁感应原理，通过转子的磁场和定子的绕组的相对运动，以将机械能转变为电能。另外，机舱组合件3还可具有至少一个操作及维修空间37，供操作者或维修人员进行作业并可放置设备或工具。此外，基于扇叶组5的重量与螺旋式叶片组4的重量差异，可调整第一部分31的轴向长度L3以及第二部分32的轴向长度L4，以有效达成风力发电系统1的结构平衡，例如一部分31的轴向长度L3大于第二部分32的轴向长度L4。

一般来说，如图2及图3所示，螺旋式叶片46经设计以先接收主要风力来源(以箭头标示)，故其位置经布置以早于扇叶组5撷取到风力。当螺旋式叶片46先受风力而转动时，螺旋式叶片46带动第一转轴44旋转，进而带动图3所示的第一发电机34的转子旋转，以将螺旋式叶片46受风力所产生的机械能透过多个第一发电机34的作用转变为电能。接着，当长形叶片51通过受风部54撷取风力而转动时，长形叶片51驱动轮毂52旋转，进而带动第二发电机36的转子旋转，以将长形叶片51受风力所产生的机械能透过多个第二发电机36的作用转变为电能。如此，风力发电系统1得以同时通过轴向平行设置的螺旋式叶片组4以及扇叶组5撷取风力。

总合上述，根据本发明一实施例揭露的风力发电系统，由于螺旋式叶片组的半径旋转半径小于扇叶组的半径旋转半径，以使螺旋式叶片组撷取到第二扇叶组中间所无法撷取的风力，进而提升总体的风力撷取效率，进而增加风力发电系统的总发电量。

在部分实施例中，风力发电系统的机舱组合件内可设有与螺旋式叶片组连接的多个第一发电机以及与扇叶组连接的多个第二发电机，当螺旋式叶片组的第一转轴及扇叶组的轮毂旋转时，可同时带动多个第一发电机以及多个第二发电机发电，进而有效提升风力发电系统的发电效率。

本文中的用语“一”或“一种”是用以叙述本创作的元件及成分。此术语仅为了叙述方便及给予本创作的基本观念。此叙述应被理解为包括一种或至少一种，且除非明显地另有所指，表示单数时也包括复数。在权利要求书中和“包含”一词一起使用时，所述用语“一”可意指一个或超过一个。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”等空间描述是关于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”的一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”、“大致上”、“大致的”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是说明本创作的技术思想及特点，其目的在使所属领域的技术人员能够了解本创作的内容并据以实施，当不能以之限定本创作的专利范围，依本创作所揭示的精神所作的均等变化或修饰，仍应涵盖在本创作的专利范围内。

符号说明

1 风力发电系统

2 塔体

3 机舱组合件

4 螺旋式叶片组

5 扇叶组

31 第一部分

32 第二部分

33 第一发电转轴

34 第一发电机

35 第二发电转轴

36 第二发电机

37 操作及维修空间

38 中间段

42 连接件

44 第一转轴

46 螺旋式叶片

51 长形叶片

52 轮毂

53 支撑部

54 受风部

56 受风面

420 第一端

422 第二端

424 第一段

426 第二段

460 受风区

A 中心轴

A1 轴心

L 预定距离

D1 宽度

L1、L2 长度

L3、L4 轴向长度

R1、R2、R3、R4、R5、R6 半径

Claims (10)

1.一种风力发电系统，其包括：

机舱组合件；

螺旋式叶片组，连接至所述机舱组合件；及

扇叶组，连接至所述机舱组合件，并包括多个长形叶片，

其中所述螺旋式叶片组与扇叶组相对于所述机舱组合件轴向相对设置，且所述螺旋式扇叶组的半径旋转半径小于所述扇叶组的半径旋转半径。

2.根据权利要求1所述的风力发电系统，其中所述螺旋式叶片组包括：

连接件，其具有第一端以及第二端，所述第一端连接所述机舱组合件；

第一转轴，其以可旋转地设置于所述机舱组合件及所述第二端上；及

螺旋式叶片，设置于所述第一转轴上，所述螺旋式叶片经构形受风旋转，以带动所述第一转轴旋转。

3.根据权利要求2所述的风力发电系统，其中所述螺旋式叶片的半径从距离所述第一端预定距离开始朝向所述第二端缩减，以形成多个半径渐缩的受风区。

4.根据权利要求1所述的风力发电系统，其中所述叶片的各者包括支撑部以及受风部，所述支撑部是介于所述受风部以及所述机舱组合件之间，用以支撑所述受风部，所述螺旋式叶片组的半径旋转半径大致上等于所述支撑部的长度。

5.根据权利要求4所述的风力发电系统，其中所述受风部的宽度从远离所述支撑部的方向向外缩减。

6.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由所述塔体区分为第一部分及第二部分，所述螺旋式叶片组位于所述第一部分的端缘，而所述扇叶组位于所述第二部分的端缘。

7.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更包括：

多个第一发电机，依序连接所述螺旋式叶片组的第一发电转轴；

第二发电转轴，连接所述扇叶组，并经构形以受所述扇叶组的驱动而转动；

多个第二发电机，依序连接所述第二发电转轴；

其中所述多个第一发电机与所述多个第二发电机相互独立运作。

8.根据权利要求7所述的风力发电系统，其中所述扇叶组包含轮毂，其连接所述叶片及所述第二发电转轴，且其中所述第一发电转轴与所述第二发电转轴并不同步旋转。

9.根据权利要求1所述的风力发电系统，其中中心轴是连接所述螺旋式叶片组的轴心与所述扇叶组的轴心分别与中心轴重合，且所述中心轴正交于所述扇叶组的所述多个长形叶片。

10.根据权利要求1所述的风力发电系统，其中所述螺旋式扇叶组的半径旋转半径与扇叶组的所述多个长形叶片长度的比例范围介于1:3至1:6之间。

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