TW200827549A - Small wind power storage system using super capacitor - Google Patents

Description

200827549 九、發明說明： 【發明所屬之技術領域】 本發明關於-種小型風力超電容儲齡統，尤指—種利用風 力發電並進而儲能知系統。 【先前技術】 按，目前所有再生能源中最具經濟價值的是風力發電，其次 ,才是太。但由於風力必獻於某—風速以上才有效益，而風 力使用的地域比起太陽能更加侷限。風力發電大都集巾於海濱或 山谷之間，以求大風力。而太陽能只需在太陽日照充足的地方即 可，普遍性較佳。 然而風力發電之瓶頸之處在於，當小風力小時，經風車發電 機發生之電能是小而難利用的。例如中華民國專利M287874之微 型風力發電機，係為全世界最微小之風力發電機，其發電約為 〇· 15W(2.4V，70mA)。以一般的電池儲能器根本無法使用，其最大 ^ 因素乃是充放電的内阻過大，其發生之電能在充放電過程中都以 熱散失。 上述風車在風速3 m/sec以上即能發電，以中國廣州年平均 風速大於3 m/sec，或台灣雪山隧道中抽風速度大於4 。此 風速下雖有電能發生，但苦無適當儲能器儲存，無法利用十分可 惜。現使用小型風力超電容儲能應用系統便能將小電能儲存、累 加與運用。 小風力之定義係指風速在3〜12 m/sec左右，大致上是微風 200827549 或比微風大一點的小型風力發電機提供之電力。一般冷氣機出風 口為7.8m/sec，電風扇（1速)風速約3.8m/sec都是本發明良好 的參考風速。欲在小風速儲能，電池或能量釋放型的超電容效率 是有限的。 超電容分成能量釋放型與瞬間功率型兩種，前者特性趨向電 池，以儲存能量為主，其商品名為超級電容器、電雙層電容器、 金電容或高容量電容器。由於是物理儲能，其使用壽命與可靠度 , 遠比化學反應的電池來的高，其電容量常為法拉至數千法拉。而 後者則以瞬間可提供強大功率為主，其商品名如「快閃超電容」 專。特性類似電谷器，具瞬間爆發的功率特性，其電容量常為毫 法拉(mF)或法拉(F)。這些超電容的内阻都比電池小，而電容量都 大於一般的陶瓷電容與鋁電解電容。以日本三家能量釋放型超電 容與台灣海特科技相仿尺寸的瞬間功率型超電容而言，四者超電 容的電容量都高達47與60mF，電壓也有5〜6V。其中台灣海特科 技的超電容的内阻僅有13〇ιηΩ，非常低。在能量儲存與輸出時， , 能量損耗極其輕微。

200827549 如前述’-般超電容充放電必須克服内阻才能進行電能儲广 與輸出，以上述全世界最微小之風力發電機而言。其 0.15W，（2.4V，跑），在四者超電容造成歐姆下降電別為L = ΤΟ,Α X ESR = , 1V, ,5V, ,4V, 〇.〇〇91ν, ί^ 壓降早以超過所產生之電壓，根本無法儲能，更遠論輸出。 而台灣海特科技的_功率型超電容，賴僅下降不到 〇. IV ’輕易儲能。本發明就是使用瞬間功率型超電容作為儲能電 容器，可將小電能儲存、累加與運用。 f 【發明内容】 本發明是關於-種小型風力超電容儲能祕，特暇小風力 狀況下，利用超級電容器的低内阻儲能特性，將小風力形成的小 電能蓄積累加成大能量，進而驅動LED燈或小電力機械設備。是 提供-種解決現今在小風力下，無法糊電能的有效方案。其關 鍵是利用超級f容H的低_儲能特性，將小風力形成的小電能 ί 蓄積累加成大能量，進而驅動LED燈或小電力機械設備。小型風 力超電容儲能應用系統是一種嶄新的能源利用思維，利用大自然 的小風力累加蓄積電能。破除風能利用地域性的成見，其效益將 遠勝於小太陽能的應用，成本與便利性更優於太陽能源。 本發明提出三種儲能型態： 第一種： 為瞬間功率超電容的儲能。應用低内阻的功率型超電容，儲 存在小風力低風速下所產生的電能。再由超電容視情況驅動 200827549 負載’其驅動時間與超電容的電容量有關。 第二種： 以瞬間功率超電容作為小儲能器，累積成大電能再存入二次 電池，以求長久保存使用。其驅動負載可由二次電池或瞬間 功率超電容。 第三種·· 係以瞬間功率超電容作電能累加，邇後充入能量型超電容。 〆 類似電池特性，能量型超電容在商品上如超級電容、電雙層 t容H、金電容、高容量電容II或電化學電容器等名稱。 至於電能利用之型態，本發明主要有： 第一種： 將蓄積能量驅黃^、紅光或、絲LED燈作絲示用途。將蓄 概量驅動低電壓之led或機械，如點亮閃爍黃光、紅光或 綠光LED燈作為警示用途。 第二種： 、 糾触升驗於_辨超電容蓄加成高電壓大電流 之電能輸出負載，可驅動更大功率的LED或較高電壓的動力 機械，如白光高功率LED或訊號發射器。 本發明更提出三種電能的運作： 第一種： 單獨使用本發明小型風力快閃超電容儲能應用祕作為電力 來源。 第二種： 8 200827549 併入一般風力發電系統是加入風力發電系統中，當大風力時 使用一般風力發電系統發電，當小風力時即切換至「風力快 閃超電容儲能應用系統」儲能。 第三種： 與其他能源合併使用，如太陽能發電系統與飛輪發電系統。 同時使用風力與太陽能及飛輪發電系統能源。 本發明可廣泛應用於風力LED交通警示燈、風力LED夜燈照 明、氣象監控設備、偵測儀電力、訊號傳遞、個人海水淡化機、 求救發報器、定位發報器'小電力機械與非連續電力機械設備。 本發明可應用於風力LED交通警示燈、風力LED夜燈照明、 氣象監控設備、偵測儀電力、訊號傳遞、個人海水淡化機、求救 發報器、定位發報器、小電力機械與非連續電力機械設備。 【實施方式】 為進一步闡述本發明小型風力超電容儲能系統之内容、特點 I 與實施例，茲配合圖示，說明如下： 請參閱第一圖所示，顯示本發明第一種儲能系統，是將小型 風力發電機（1)所產生的電能儲入低内阻功率型超電容（2 )， 最後以此儲能驅動負載（3 )。如非低内阻功率型超電容（2 )， 使用高内阻之電池或能量釋放型之超電容將無法儲能，達成電能 低損耗的要求。 請參閱第二圖所示’根據本發明之第二種儲能系統，是將小 型風力發電機（1 )所產生的電能儲入低内阻功率型超電容（2 )， 9 200827549 累積成大電能，再存人二次電池（4)中。待負載⑶需驅動 時，可由二次電池（4)供應能量。二次電池包括鎳氳電池、鋰 電池與錯酸電池等充電電池。此外，二次充電電池接近滿充時， 必須則、能量減’以緩和電崎料反朗而造成能量損耗。本 發明亦可以由功率型超電容⑵直接供應負載（3 ),因此充電 電池谷置设計可獲得降低。而因二次充電電池的驅動負載，電池 電壓會逐漸降低而最後低於負载驅動電壓而失效。 f 此柃可使用一次充電電池（4)與功率型超電容（2)並聯 >驅動負載。此電路功率型超電容（2)不僅作為能量累積器，也 作為放電的第二儲能器。 請參閱第三圖所*，本發明之第三種儲能系統，是將風力發 龟機（1)所產生的電能儲入低内阻功率型超電容（2 )。累積成 大電能，再存入能量釋放型超電容（5 )。待負載（3 )需驅動時， 可由能量釋放型超電容（5)供應能量。能量釋放型超電容（5 )作為本系統的主供應電源或第一電源，可大容量儲能並可較長 κ 時間驅動負載。由於能量釋放型超電容（5 )内阻低於充電電池， 所以能量效率遠高於充電電池系統。 請參閱第四圖所示，由於電路中電能是以電壓與電流方式呈 現，驅動電壓必須高於負載壓，才能做功。根據本發明之第一種 此型態電能的利用方式，在小風力下，風力發電機（1 )所產生 的電此其電壓小於12V ’往往僅有2〜3V。功率型超電容（2 )儲 月&電壓略小於風力發電機電壓，而其蓄積能量僅能驅動低電壓之 負載（3 )’如LED或機械，可點亮閃爍黃光、紅光或綠光led燈 200827549 • 作為警示用途。也可經第二與三種儲能方法的二次充電電池（4) 或能量釋放型超電容（5 )。 請參閱第五圖所不’在小風力下，風力發電機（1)產生低 電壓’經功率型超電容（2 )、二次充電電池（4 )或能量釋放型 超電容（5 )要去驅動較高電壓的動力機械，如白光高功率LED 或訊號發射器’是無法運作的。所以必須升壓獲得高電壓才能運 作’但往往升壓後又常使電流變得更微弱，難以運用。根據本發 明之第二種此型態電能的利用方式，可解決此問題：風力發電機 (1)產生低電壓，經功率型超電容（2 )、二次充電電池（4 ) 或能量釋放型超電容（5)蓄積儲能後，經升壓轉換器（6)提 高電壓’再接另一超電容（7)將電流增大，爾後驅動負載（3 )。 請參閱第六圖所示，根據本發明第一種運作方法，是以小型 風力超電容儲能系統（8 )，單獨在小風力下驅動負載（3 )。此 時其他儲能系統皆因内阻太大，無法儲存電能。 根據本發明第二種運作方法，是複合式的風力電能轉換系 V. 統。當風速較大時採大型風力發電系統（1 〇 )儲能；風速轉小 時則切換至小型風力超電容儲能系統（9 )，當需驅動負載（3 ) 時可由大型風力發電系統（1 〇 )或小型風力超電容儲能系統（9 ) 早獨驅動或合併驅動。 根據本發明第三種運作方法，是多元式能源系統，小型風力 超電容儲能系統（8)並聯太陽能發電系統（11)與飛輪發電 系統（1 2 )儲能，可單獨驅動或合併驅動負載（3 )。 本發明可應用於風力LED交通警示燈、風力LED夜燈照明、 11 200827549 氣象監控設備、偵測儀電力、訊號傳遞、個人海水淡化機、求救 發報器、定位發報器、小電力機械與非連續電力機械設備。 丄土前揭為本發明之詳細說明，惟以上所述者，僅為本發明之一 =====不能限林發明實施之範圍。即凡依本發明 範圍内。 料變化與修飾等，皆應仍屬本發明之專利涵蓋 200827549 【圖式簡單說明】 第一圖係本發明系統實施例（一）圖 第二圖係本發明系統實施例（二）圖 第三圖係本發明系統實施例（三）圖 第四圖係本發明第一種使用狀態示意圖 第五圖係本發明第二種使用狀態示意圖 第六圖係為小型風力超電容儲能應用系統三種運作方法 / 【主要元件符號說明】 (1) :小型風力發電機 (2) :瞬間功率型超電容 (3) =負載 (4) :二次電池 (5) :能量釋放型超電容 (6) :升壓轉換器 (7) :超電容 (8) :小型風力超電容儲能系統 (9) :小型風力超電容儲能系統 (10 ):大型風力發電系統 (11 ):太陽能發電系統 (12 ):飛輪發電系統 13

Claims (1)

1. 200827549 十、申請專利範圍： 1、 一種小型風力超電容儲能系統，包括一小型風力發電機連 接-功率型超電容，其中該小型風力發電機，可將小風力 之風轉k成小電能’藉由功率型超電容為低内阻的功率蜇 儲能器，可將小電能儲存且蓄積成大能量，進而提供負載 使用。 2、 如申明專利fe圍第1項所述之小型風力超電容儲能系統， 其中該㈣為風力LED交通警示燈、風力LED夜燈照明、 氣象監控設備、備測儀電力、訊號傳遞、個人海水淡化機、 求救發報器、定位發報器、其他小電力機械與非連續電力 機械設備。 3如申明專利範圍第1項所述之小型風力超電容儲能系統， 其中該儲能所運狀轉型超電容係選自包括各種高能量 4度/、r^j功率⑥、度之超電容、金電容、電雙層電容器、大 電容量之鋁電解電容器之群組。 4、 如帽翻翻第丨項所述之小型風力超電容儲能系統， 其中該功率型超電容連接—個二次電池，且該功率型超電 容連接負载，該二次電池亦連接負載，藉由小電能儲存且 累積成大電能，再充入二次電池；再由二次電池儲能容量， 驅動各種負載。 5、 如中請專利範圍第4項所述之小型風力超電容儲能系統， 其中，二次電池係選自包括触電池、鎳氫電池、鐘電池、 200827549 、鎳越電池及其他可充式二次電池之群組。 6 專利細第1項所述之小魏力超電容儲能系統， °亥功率超電容連接—能量釋放型之超電容與負載，作 力小電麵f能H ’累積成大電能再存人能量釋放型之 超電容，如削、型風力發錢為風力轉魏設備，可將 、八力之風轉交成小電能；再由功率型超電容儲存且累積 成大电旎，再充入能量釋放型之超電容以驅動負載。 7、=請專利翻第6項所述之小型風力超電容儲能系統， /、中此塁釋放型之超電容係選自包括金電容、電雙層電 各器、奴超電容及大電容量之鋁電解電容器之群組。 8如申明專利範圍第6項所述之小型風力超電容儲能系統， 中5亥此塁釋放型之超電容連接一個二次電池，且該二 與功率型超電容形成連接。 9如申請專利範圍第8項所述之小型風力超電容儲能系統， "亥功率型超電容與負载之間，連接一升壓轉換器，該升壓 轉換器連接一超電容，且該超電容連接該負載。 I 〇、如申請專利範圍第9項所述之小型風力超電容儲能系 統，其中該升壓轉換器係包括升降壓轉換器及其他升壓電 路系統。 L1、如申請專利範圍第i項所述之小型風力超電容儲能系 統其中該系統外接一大型風力發電系統、一太陽能發電系 統、或一飛輪發電系統，或由三者之任一相互搭配或複合 使用。 15 200827549 12、如申請專利範圍第1項所述之小型風力超電容儲能系 統其中該功率型超電容為瞬間功率型超電容。 16