TW201016960A - Wind energy system - Google Patents

Description

201016960 六、發明說明： 【發明所屬之技術領域】 本發明係有關於一種風能系統，尤其是指用於建築方 面的風能系統，但又不拘限於此。 【先前技術】 風渦輪機可設在一建築物之屋頂以驅動發電機而產生 電力，而此電力至少部分地符合該建築物之需求。申請人 φ 先前已設計一用於建築物之風能系統，該風能系統包含一 個或多個沿著一斜屋頂之屋脊而設置的風渦輪機。該風能 系統也包含一被該斜屋頂所支撐之蓋體，該蓋體之傾斜度 小於該斜屋頂之傾斜度。該蓋體與該屋頂結構一起建立一 風道，用以引導風而流過該風渦輪機。 申請人上述所提系統之更詳細内容已揭露於新加坡專 ' 利申請號200716868-5 —案中。 在風能系統領域中，本發明係更進一步地研究與發展 之結果。 ❿ 【發明内容】 根據本發明之一目的係提供一風能系統，包含：一風 道模組在相對端部具有一第一開孔、一第二開孔以及一位 在該第一開孔及該第二開孔之間的中間部，該每一開孔具 有相同的橫切面積，該風道模組從該開孔朝著該中間部的 方向減少橫切面積，其中該中間部具有一固定橫切面積； 一個或多個風渦輪機被支持在該中間部或鄰接該中間部； 以及至少一發電機，該發電機係被至少該風渦輪機之一所 4 201016960 驅動 風 L被配置成可以南達6G度的角度從其兩侧接收

哕風加以是一彈性管或可彎曲管的形式。 部，步包含一第一通道部及一第二通道 以該第-開孔’該第二通道部具有- 之第含一位在鄰接該中間部之-端 二洞輪體以及—位在鄰接該中間部之相對一端之第 ，風能系統可包含二風渦輪機。 每一風渦輪機可設有一發電機。 發電，中’設有被該兩風渴輪機所驅動之單一 作並二在—高處及強風環境中係特別有用的， 裝設於-風㈣其中之一可 該風能系統包含兩風渦“，而二中戈 機可設有不同數量的葉片在某些實施例中，該風渴輪 在-實施例中，該風渦輪機之—個或多個 =向=伸葉片與-環繞於該葉片之外徑邊緣的= =圓周表面，該中圓周“在進該=機:= 徑向中間位置貫穿該渦輪葉片。 為袖之 5 201016960 體，進一步包含一設在該風道模組上之蓋 邱含—第—部及—第二部，該第-部及該第 者騎間11卩之長度方向之魏之角度的調整。

2明進-步之目的係、提供—用於建築之風能轉換系 兮® t .根據本發明第-目的之複數個風能祕，其中 :::系統係以邊對邊而設置的以及一設在該複數個風能 之防水蓋體’該防水麵具有相對縱長邊緣，該縱 延伸以至少覆蓋每—風能系統之中間部，該蓋體可 匕3第—部與第二部’該第—部及該第二部可調地接合在 一起，以允許介於該第—部及該第二部之間沿著該中間部 之長度方向之垂線之角度的調整。 本發明進一步之目的係提供一風道模組，包含： 對端部具有-第一開孔、—第二開孔以及—位在該第一開 孔及該第二開孔之間的中間部，該開孔具有相同的橫切面 積，該風道模組從該開孔朝著該中間部的方向減少橫切面 積’其中該中間部具有一固定橫切面積。 、 本發明之更進一步的實施例係提供一風能系統包 含··一風道其具有開放的相對的端部，可使風從任一方向 流過該風道；兩風渦輪機，而每一風渦輪機係各自位在或 靠近該相對的端部；以及一被該風渦輪機所驅動之發^ 機。在此一實施例中，該風渦輪機可用以提供一高達〇83 的整體貝茲極限。 ‘ 【實施方式】 6 201016960 請參閱第一圖及第二圖，本發明風能系統10之一實施 例包含：一風道模組12在相對端部具有開孔14a與開孔 14b(以下稱為，，開孔14，，），該開孔14具有相同的橫切面積， 然而該風道模組12之橫切面積從該開孔14朝著該風道模 組12之一中間部16的方向減少’其中該中間部16具有一 固定橫切面積。 該風能系統10可包含一個或多個風洞輪機18a、風渴 輪機18b或風渴輪機18c(以下稱為满輪機18”），分別如第 ❿ 三圖、第四圖及第五圖所示。該渦輪機18裝設於該風能系 統10而位在該中間部16内或是鄰接該中間部16。至少設 有一發電機（圖未示），該發電機係被該渦輪機18的至少其 中之一所驅動。 - 如實施例所示’該風能糸統10係複數個邊對邊褒設在 一斜屋頂20的相同鄰接之風能系統10之其中之一，甘中 該屋頂20之屋脊22橫跨該中間部16。 渦輪殼體24a與渦輪殼體24b(以下稱為，，殼體24”)設 在該中間部16之各別的相對端。該殼體24具有一内徑， ❹ 該内徑係相似於該中間部16之内徑。該殼體24也作為介 於該中間部16和該風道模組12之各別的風道部26a、26b 之間的接合。 請參閱第六圖，每一開孔14被配置成允許該風道模組 12可從該開孔14每一側邊以高達6〇度的入射角α而接收 風（等同於該開孔14與該風道部26之縱長軸線γ之一角度 α)。第六圖也顯示該風道部26之侧壁25的一可能形狀與 配置，該風道部26提供該風道模組12的橫切面積，而該 7 201016960 J : : 3係’開孔14朝著該風遒模組12 之中間部16的 裴設於统10包含兩渦輪機18 ’每-渦輪機18係 ι/之二進入麵趙24内，風（第1圖中以W代表)從該開孔 ％足4羥鄰接的該風道部26、該中間部16、另一

及特別β ^及從相對的該開孔14流出。當該風道模組 Μ部16取道部26)之橫切面積從該開孔14朝著該中 二是，一風、、少時，會捧隨有風速增加的情形。可知道 因此，增加機之動力輸出係5風逮的三次方成正比’ 也可知道逮骑會提高動力輸出。 尤其是，貝是，風的動能不可能ι〇0%效率地被利用， 的最高轉換律定義動能藉由一風渦輪機轉換成機械能 滿輪機獲得的^是59%。當風流經該風渴輪機時，該風 使-風渦輪機^愈多，該風速被減慢的喊就越大。為 祕速應降至G。然而，如果此風料至G時，職有空氣 會離開該風渴輪機，4示也沒有2氣會進入到該風渦輪 機，因此就沒有能量被取得。 該風能系統10之一些實施例嘗試提供一混合系統，而 該混合系統之總能量效率可大於單一風渦輪機的貝茲極 限。在特別適合於高強風環境的風能系統之一實施例中， 風主要地從該開孔14a進入到該風道模組12中，如第三圖 所示，一個十葉片的風渦輪機18a設於該渦輪殼體24a内， 以及如第四圖所示’一個六葉片的風渦輪機18b設於該渦 輪殻體24b内。在這樣的配置下，風能一開始被十葉片之 8 201016960 該風渦輪機18a利用，並且隨後被六葉片之該風渦輪機18b 利用。該渦輪機18之每一個係連接至一發電機或者係經由 一齒輪箱而將風能轉換為電能。 當風(W)首先由該開孔14a進入到該風道模組12且該 原始的風力係100%而可供利用。在第一風渦輪機可利用風 力之百分比是： 在第一風渦輪機可利用風力之百分比=7/ turb，其中turb 是渦輪機之效率。 ❿ 由於風管之摩擦，請忽略動力損失，流經該第一渦輪 機而到達該第二渦輪機之風力為： 到達該弟二渴輪機之風力百分比=1 _ 7/ turb 該第二渦輪機也具有77 turb之效率，該雙渦輪模組之複合效 - 率是：

Tj dual turb — TJ turb "l· T] turb (1- T] turb ) =7/ turb [1+(1- T] turb )] ~ Tj turb[2~ 57 turb] 一 2 7] dual turb Tj turb- T] turb ® 該雙渦輪系統之理想效率會是貝茲極限（亦即具有理想渦輪 效率59%)。 理想 Ϊ] dual turb —2 Tj Betz- 7] Betz 如上所述，對於計晝在強風下，在單一模組中，雙渦 輪之使用可使整體貝茲極限從0.59增加至0.83。 在適中的風環境中，風(W)主要從該開孔14a進入到該 風道模組12中，如第三圖所示，一個十葉片的該風渦輪機 18a設於該渦輪殼體24a内，而如第五圖所示，一個三葉片 9 201016960 的該風渦輪機18c設於該渦輪殼體24b内。在此一實施例 中，一發電機或其它可替換的機器可只有連接在該渦輪殼 體24a之風渦輪機18a，而該風渦輪機18c並沒有連接至一 發電機。三葉片的該風渦輪機18c作為該風渦輪機18a的一 風壓補償渦輪機，用以穩定在該風道模組12之背壓而使空 氣穩定流通。另外，該風渦輪機18c可作為抽氣泵用以抽取 更多的空氣而流經該開孔14a。該風渦輪機18c之作用藉由 考慮強風與弱風之情況可更被了解，在強風中，該風渦輪 ❿ 機18c從流經上遊的該風渦輪機18a之空氣中將高速旋轉， 當風的強度減少而速度減慢時，因為動量守恒定律，該風 渦輪機將從該殼體端之風渦輪機18a抽更多的空氣進入該 風道中。 - 然而，在更進一步的風能系統10不同變化中，對於一 弱風環境，該風能系統10可設有單一渦輪機，該渦輪機可 以是安裝於該渦輪殼體24a的第三圖之十葉的該渦輪機18a 或第四圖之六葉的該渦輪機18b，風(W)主要是從該開孔14a 而進入到該風道模組12，在該渦輪殼體24b並無設置渦輪 ® 機藉以消除該風道模組12之氣流阻抗。 為使易於在一屋頂20之一個或多個風能系統10之安 裝，該中間部16可以是彈性材料或可彎曲結構。這使得該 風能系統10更緊密地適應於高斜的屋頂20,而該風能系統 10在該屋脊22上之彈性中間部16之中間位置處呈現彎 曲，該風道部26係以堅固的材料製成的，例如：塑膠或金 屬。 一蓋體30設於該風道模組12上，該蓋體30更可以作 201016960 為額外的屋頂遮蓋以提供一防水屏障。該蓋體30具有相對 的縱長邊緣32，如實施例所示，該邊緣32係在該風道部 26之每一開孔14之上部末端邊緣延伸。然而，在另一實施 例中，可以想像得到的是，該蓋體30用以使該邊緣32有 一最小延伸，而該最小延伸至少覆蓋該中間部16。 該蓋體30包含互相鄰接的兩部或壁板34，例如：藉由 一鉸鏈36可調整介於該部34之間的角度。 該兩部或壁板34藉由該鉸鏈36而連接以形成該蓋體 ® 30與一彈性中間部16之採用將共同地提供在一極端暴風下 有一安全條件。在如此極端氣候情況下，介於該中間部16 和該風道模組12各別之風道部26a、26b之間的接合會移 除，藉由舉起各自的部或壁板而讓風垂直地離開。 - 當該多組風能系統10設在該屋頂20上且如第一圖所 示之邊對邊設置時，該蓋體30可同樣地延伸以覆蓋該多組 風能系統10。 請參閱第三圖、第四圖及第五圖，該渦輪機18包含一 中心輪轂40、複數個徑向延伸葉片42、一外周壁或環44 ® 及一中周壁或環46。該外周壁或環44連接且環繞或覆蓋每 一徑向延伸葉片42之徑向外邊緣。該中周壁或環46位在 該輪轂40(也就是該渦輪機之旋轉軸心）與該外周壁或環44 之間，該中周壁或環46連接每一徑向延伸葉片42。 顯然地，該風滿輪機18a、18b、18c具有不同的徑向延 伸葉片42數量。而葉片數量的不同提供每一個該渦輪機18 有不同的氣流特性，因此，不同風會有不同機械能轉換效 率。然而，不同氣流特性及效率也可藉由改變每一徑向延 11 201016960 伸葉片42之旋轉或迎風角而達到。 本發明之實施例已詳述如上，熟悉該項技術人士可清 楚的瞭解，在不脫離本發明基礎下可進行各種變化與改 變。例如：所述之實施例包含一個或二個渦輪機18，也可 想得到的是，在不同的情況中亦可設有超過二個渦輪機 18，例如：在該中間部16的中途位置處設有一第三個渦輪 機。再者，儘管該風能系統10如圖所示地裝設在一斜屋頂 上，它們也可裝設在一平屋頂上。甚至，該系統可裝設在 ® 一垂直的壁上以利用上升氣流(在此例子中，該風道模組12 是垂直對齊）；或建築物間之”風洞效應”可引導風流過該 建築物之垂直壁，在此例子中，該風道模組12是水平對齊。 熟悉該項技術人士可清楚的瞭解，在不脫離下述申請 專利範圍與精神下可進行各種修改與變化，且本發明亦不 受限於說明書中所舉實施例的實施方式。 【圖式簡單說明】 本發明之實施例將藉由接下來的圖式資料作為範例而 •加以描述： 第一圖係風能系統實施於建築物屋頂之實施例之立體 圖。 第二圖係顯示第一圖之AA線剖視圖。 第三圖係顯示結合於風能系統之風渦輪機之實施例之 前視圖。 第四圖係顯示結合於風能系統之另一風渦輪機之示意 圖。 第五圖係顯示結合於風能系統之又一風渦輪機之示意 12 201016960 圖。 第六圖係顯示結合於風能系統之風道寬端之風覆蓋範 圍之平面圖。 【主要元件符號說明】 ίο—-風能系統 12…風道模組 14、14a、14b…開孔 16 —中間部 18—滿輪機 18a、18b、18c—風滿輪機 20—屋頂 22…屋脊 24…殼體 24a、24b…渦輪殼體 25…側壁 26、26a、26b…風道部 ⑩ 30…蓋體 32…邊緣 34---部或壁板 36—欽鍵 40—輪穀 42---徑向延伸葉片 44-一外周壁或環 46---中周壁或環 13

Claims (1)

1. 201016960 七、申請專利範圍： 1.一種風能系統，包含·· 一風道模組在相對端部具有一第一開孔、— 以及一位在該第一開孔及該第二開孔之間的中間^開， 一開孔具有相同的橫切面積，該風道模組從每° ’， 著該中間部的方向減少橫切面積，其中該:朝 固定橫切面積； ]°丨具有一 一個或多個風渦輪機在該中間部或鄰接該中間部· 及 以 至少 驅動 發電機，該發電機係被至少該風渦輪機 之一所 2·如申請專利範圍第〗項所述之風能系統，其中 以是一彈性管或可彎曲管的形式。 0邛可 3·如巾μ專利|〖圍第丨或2項所述之風能錢，進—牛勺人 -第-通道部及一第二通道部，而每一通道部各二： =間部的端部’該第—通道部具有—口部以界❹部具H以界定該第二開孔 專利範圍第i至3項所述之風能系統，其中 進一步包含一位在鄰接該中間部之-端之第-渦 =體又體以及-位在鄰接該中間部之相對—端之第二渴ς=請專利範圍第1至4項所述之風能系統，包含二風渦 6.Γ:=第5項所述之風能系統，該風職具有 201016960 7.如申請專利範圍第5項所述之風能系統，該風渦輪機具有 不同的風流特性。 8·如申請專利範圍第7項所述之風能系統，該風渦輪機具有 不同數量的徑向延伸葉片。 9. 如申請專利範圍第1至8項所述之風能系統，該風渦輪機 之一個或多個設有複數個徑向延伸葉片與一環繞於該葉 片之外徑邊緣的外圓周表面。 10. 如申請專利範圍第9項所述之風能系統，該風渦輪機之 ❿ 一個或多個包含一中圓周表面與該外圓周表面，該中圓 周表面在該風渦輪機之旋輪軸之一徑向中間位置貫穿該 渦輪葉片。 11. 如申請專利範圍第1至10項所述之風能系統，進一步包 含一設在該風道模組上之蓋體。 12. 如申請專利範圍第11項所述之風能系統，該蓋體包含一 第一部及一第二部，該第一部及該第二部可調地接合在 一起，而允許介於該第一部及該第二部之間沿著該中間 部之長度方向之垂線之角度的調整 ® 13.—種用於一建築之風能轉換系統，包含： 如申請專利範圍第1至10項所述之複數個風能系 統，其中該風能系統係以邊對邊而設置的；以及 一設在該複數個風能系統上之防水蓋體，該蓋體具 有相對縱長邊緣，該縱長邊緣延伸以至少覆蓋每一風能 系統之中間部。 14.如申請專利範圍第13項所述之風能轉換系統，其中該蓋 體包含一第一部與一第二部，該第一部及該第二部鄰近 15 201016960 且可調地接合在一起，而允許介於該第一部及該第二部 之間沿著該中間部之長度方向之垂線之角度的調整。 15. —種風道模組，包含： 在相對端部具有一第一開孔、一第二開孔以及一位 在該第一開孔及該第二開孔之間的中間部，該開孔具有 相同的橫切面積，該風道模組從該開孔朝著該中間部的 方向減少橫切面積，其中該中間部具有一固定橫切面積 16. 如申請專利範圍第15項所述之風道模組，其中該中間部 ® 可以是一彈性管或可彎曲管的形式。 17. 如申請專利範圍第15或16項所述之風道模組，包含一 第一通道部及一第二通道部，而每一通道部係在該中間 部的每一端，該第一通道部具有一 口部以界定該第一開 孔，該第二通道部具有一口部以界定該第二開孔。 18. 如申請專利範圍第15至17項所述之風道模組，包含一 位在鄰接該中間部之一端之第一渦輪殼體以及一位在鄰 接該中間部之相對一端之第二渦輪殼體。 19. 如申請專利範圍第1至12項所述之風能系統，其中該開 ® 孔被配置成可從兩側以高達60度的角度接收風。 20. 如申請專利範圍第13或14項所述之風能轉換系統，其 中該開孔被配置成可從兩側以高達60度的角度接收風。 21. 如申請專利範圍第15至18項所述之風道模組，其中該 該開孔被配置成可從兩侧以高達60度的角度接收風。 22. —種風能系統，包含： 一風道其具有開放的相對的端部，可使風從任一方 向流過該風道； 16 201016960

   兩風渦輪機，而每一風渦輪機係各自位在或接近該 相對的端部；以及 一被該風渦輪機所驅動之發電機。 23.如申請專利範圍第22項所述之風能系統，其中該風渦輪 機用以提供一高達0.83的整體貝茲極限。 17