TW201111628A - Solar and wind energy converter - Google Patents

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201111628 六、發明說明： L發明戶斤屬之技術領域3 本發明係有關於一種太陽能和風力的能源轉換器。 發明背景 這個應用是與太陽能和風的能源轉換器有關。 風能量能夠轉變成有用的形式例如電力。它已呈現為 最快速成長的能源來源，提供乾淨，可更新的和友善於生 態，是替代傳統石油煤碳為主的能源來源。然而，由於風 力強弱的季節性和風速每日的變化，一個風能轉換器的輸 出是經常變動。 太陽能是能夠轉換成電力的另一類型乾淨能源。然 而，太陽能轉換器的輸出也仍然非常地依靠天氣條件。例 如，許多太陽能面板是設計成僅僅在陽光充足白天期間才 能轉變成太陽能。在陰暗天或者夜間他們是無法生產夠數 量的太陽能能量。 【發明内容】 發明概要 此發明的部份一般概念是有關對於提供整合型和互補 性而能夠轉變太陽能和風力的能源轉換為電力產生的一個 系統和方法。在白天，這樣的混合併行發電系統同時從風 和太陽能能源得到能量。在夜間，能夠不管天氣條件如何 此混合併行發電系統能夠連續不斷轉換風能量為電力。由 於風流動和陽光照射的最強高度常於每日和一年中的不同 201111628 寺』發生(例如’風在有較少的陽光的冬天方面較強烈以及 mi) ’這兩個能源㈣彼此㈣。利用雙能源來 '原的、u併行發電系統都能夠減少綜合電力輸出的高 低起伏和在白天城市和市郊的地區，當電力需求通常更高 時提供更多的電力。 、-種系統，例如，包括風力發電的子系統，其具有用 以接收風力以產生機械能量的扇葉，和第一支傳動軸連接 ;羽葉和發電機之’以供將經產生的機械能量傳送到發 電機。該系統也包括為接收太陽能產生熱能量的—太陽能 動力子系統’其具有用以接收太陽能量之一太陽能收集器 二產生熱能’與太陽能的收集器連接的一個熱能機械弓丨 其將經產生的熱能量轉變成機械能量， 以及與熱能機 械引擎機械地連接的—笛 弟一傳動軸。一個相互連結子系統 達成將第二傳動軸結合 則第一傳動軸而傳送經由風力和太 以能共同產生的機械能量傳送到發電機上。 這些方面的實體可以4 s ^ 匕括在下面的特性當中的一項或 更多。 燒發動機以是一個外杳

—es)組。每-個史特靈發==槪動機_ 個封閉環路流通系統提供 匕括熱區和冷區C 靈發動機的熱d。在-些例子=熱轉送流體循環在丈 熱能傳送流體儲存槽來;儲這二==通系❹ ™—能心::::輸 201111628 區了加熱再經由第二輸送管傳向熱能機械引擎的熱 二叫—例子中另有第二個流通系統循環冷媒以保持 ·、、、此機械引擎的冷區達到低溫度。 組：個太陽能的收集器可以包括-個或更多個的收集器 比物”泉♦光反射器，抛物線聚光槽複合拋物 ::_CS)’真空太陽能集熱管和菲卿—透鏡 陽:…經由上述各式太陽能收集器的排列陣式聚集太 1 4在""個^b°及收器上加熱給熱能傳送流體循環至熱 =械引料熱區巾。這加熱過的減傳送流體循環到熱 為械引擎的舰將熱能量轉變成機械能量機械能量。這 種機械能量透過第-傳動軸和第二傳動軸之間的結合而傳 送到發電機。 在-些具體實現中，風力發電的子系統更包括風罩架 構可旋轉地安裝在第-傳動軸上。風罩架構可包括一對孤 圓柱片狀的結構在風車扇葉的外框以外對稱放置。它也可 以包括-對風向導向結構安裝在相應的弧圓柱片狀的結構 的外邊引導風向流動至設想的風車扇葉部位^每―個風向 定向板也可在相對外邊安裝一個方向相反的彎折片。 相互聯接子系統的-個具體實現包括一套滑輪組和一 條或更多條的V型傳動帶可有選擇地結合滑輪組的:置設 置-個電力馬達以控制信號帶動運作指定的滑輪組從而: 由V形傳動帶端緊特定的滑輪組使第二傳動軸與第—傳動 軸結合在一起。相互聯接子系統可包括一個控制組件產生 控制信號給電力馬達來回應環境條件，例如，風條件，太 201111628 陽條件，和熱能機械引擎中和熱能吸收器中的溫度。在一 些例子中，控制組件包括用以探查熱能機械引擎裡面和在 熱能吸收器中之一熱能傳送流體溫度的溫度傳感器。 在一些具體實現中，太陽能動能子系統包括追蹤導向 組件經由獲得太陽光線的測量值和以取得的測量值作為基 礎來導引這個太陽能的收集器到太陽方向。 風力發電的子系統可包括一個垂直軸心風力渦輪機或 者一個水平軸心風力渦輪機。 太陽能動能子系統可進一步包括一套或更多組合的太 陽能面板裝置在太陽能的收集器上作為產生額外的輔助電 力提供給風力發電的子系統或者太陽能動能子系統上一種 或數種電力消耗裝置。 關於此發明的部份一般概念是對於一個混合併行能量 系統運用的方法將風力發電的子系統以及太陽能動能子系 統與一個發電機結合。風力發電的子系統經由第一傳動軸 把由風力發電的子系統產生的機械能量傳送到發電機，並 且太陽能動能子系統為傳送由太陽能動能子系統產生的機 械能量。方法包括獲得特定環境條件的測量值(例如，風的 條件或者太陽的條件），並且決定啟動運行條件是根據這些 取得的測量值是否達成。在啟動運行條件的滿意上，第一 傳動軸與第二傳動軸的連結使由太陽能動能子系統產生的 機械能量與由風力發電的子系統產生的機械能量得以相結 合，並且把兩者結合的機械能量傳送到發電機。方法也包 括決定脫離及停止運作的條件根據這些取得的測量是否達 6 201111628 成

O 旦滿足脫離及停止運 第一傳_停止由太二傳動軸會脫離 發電機的傳送。 w子系統產生的機械能量對 在-些具體實現中，方法進一步包括根據這此取得的 測量值決定啟動條件是否達成m果是這樣y 個負責聯結/脫離機制電力馬達將機械性地結合第二傳動 軸並且驅動第二傳動輛開始旋轉運動。 b A在太陽祕奸錢的—些具體實現巾包括—個使用 熱能傳送流體之熱能機械引擎。在這些這些情況案例中， 取得特定環境條件_4值包括㈣減機㈣擎中和執 能吸收器中的溫度值。在-些例子中，啟動運行條件是與 -個第-個溫度門限有關，並且麟及停止運作的條件是 與第二個溫度門限有關。 關於此發明的另外一般概念是有關一個風力發電系統 擁有-個風力滿輪發電機以及—根中心、傳動轴和—套二片 或-片以上的風車麵與上述的巾讀動軸可圍繞旋轉地 結合’也包括一組風罩架構與上述的中心傳動軸可圍繞旋 轉地結合以引導風㈣動至風力職發電機上設想的風車 扇葉部位。風罩架構可包括—對孤圓柱片狀的結構對稱地 安置且與中心傳動軸的經度轴心相同的輻射狀距離來局部 封閉一組二片或二片以上的風車扇葉，並包括兩個風向定 向板也可在相對外邊安裝一個方向相反的彎折片。每個風 向定向板以特定角度裝置在相對應的弧圓柱片狀的結構的 末端且對中心傳動軸的經度轴心而論的相對方向定位’這 201111628 使得上述弧圓柱片狀的結構組在風力下穩定到位進而改盖 風能量的轉換效率。 13 此發明各種方面的具體實現中可包括下述的―項 項特性和優點。 3夕 在一些應用方面，混合併行的電力產生系統所產生的 功能相比起-個單—風力渦輪發電機或者一個單—太陽能 發電機疋優於各別的表現。例如，由於混合併行的電力產 生系統中各種综合之間的先天共生作用，比起任何這些單 一部分更有效的產生電力輸出。同樣地，在白天_^ 行的電力產生系統_提供更高的電力輸出和遍及日;夜 夜:會中斷的電力輸出’從而減少電力生產的費用和對; 月色疋昂責和不可靠的蓄電池的需求。 在一些應用方面，整個系統能夠安裝在垂直的，水平 的’或者其他不同的操作位置並且轉換氣流為電力加上從 太陽成史特靈發動機得到的機械能量共同產生電力。同樣 地’廷個架構平衡的設計大量採用高強度，非额性抗 衝擊性，振動減緩性和輕質性高級複合材料(例如，玻璃纖 維，碳纖維和Kevlar超強化防彈纖維），來減少重量和嗓 曰和保持高操作的效率和低的保養費用。例如，系統玎使 用壓縮成型拋物線集光碟，拋物線集光槽，單絲纏繞蜇傳 動轴’支樓管’薄片積層力σ壓成型的風車扇葉，狐圓枉片 狀風罩架構’風向定向板，拉擠成型的樑柱，管桿，面板 等等》 這一混合風力和太陽能併行發電系統尤其是在城事和 8 201111628 市郊的地區能夠結合太陽能和風力能量產生電能可供當地 和中小企業使用。在—些執行應用中，此系統包括太陽能 收集器，：套聯褒式複合太陽能史特靈(―種熱能機械弓丨 擎）’使用高強度和輕質高級複合材料各式風車扇葉的風力 渦輪發電機，_個啟動裝置，連結_脫離的機制和旋轉式幫 浦組。，整個系統能夠安裝在垂直的，水平的，或者其他 不同的操作位置。太陽能收集器透過拋物線集光功能或者 Fresnel的透鏡集光。首先使用—套太陽能收集器將日光聚 集在=個熱能吸收器上以加熱内裝的熱能傳送流體並且使 其循套聯I式複合太陽能史特靈發動機之熱區裡， I且太陽4特靈發動機將減量轉變成機械能量以對風 力渦輪發電機提供輔助動力。 太陽此史特靈發動機能夠低噪音地且高效率地利用這 些太陽能收集器的熱能。這些聯裝式複合太陽能史特靈發 動機此夠77享W熱⑽如，高達攝氏4⑼度)依次輪流和徹底 利用k個熱⑯以增加動能的輸出因而提供輔助驅動力到風 力渦輪發電機上。 由聯#式複合太陽能史特靈發動機產生的輔助驅動力 可^相田可觀的，取決於太陽強度作為—個混合風力和 陽此併行七電系統達到互相補充發電操作功能的發電 P吏是處於低風下效率狀態減少時但是仍有日光照 射同樣地，當夜間或者多雨和陰沈的期間，沒有曰光的 幸田射可用時，它能夠作為純粹一個風力渦輪發電機來使 用在k個拉式下，風力渴輪發電機只靠風力來旋轉。 201111628 在—些具體實現中，風力渦輪發電機至少包括兩個風 車扇葉(例如，薄長葉片，機翼型葉片，罩杯葉片，半筒式 扇葉或者大面積扇葉，）和在風力渦輪發電機的周邊定位的 弧圓柱片狀風罩架構和風向定向板。多數量風車扇葉片的 使用是可提供低的翼端速度，低的噪音釋放和更高的效 率’但是也可能啟動困難或者力量薄弱無法產生足夠電力 以滿足應付小型商業或住家的電負載。在這種情況下，使 用者可希望從太陽能能源提供一個輔助動力以更高的速度 來加速這個風車扇葉帶動正值轉矩力量並且產生更多電 力。 在一些執行中，風力渦輪發電機具有一個基座和主軸 並且有至少包括兩個風車扇葉可圍繞旋轉地結合中心傳動 主軸在風的流動中轉動。具有自行定向功能的弧圓柱片狀 風罩架構和風向定向板能夠以傳統的或者強力磁懸浮軸承 裝置機械式地被安裝在風力渦輪發電機上，或者能夠在風 力渦輪發電機周遭安置的圓環執道上進行轉動，將這風的 流動充分地僅魅向特定的風車輕並且同時阻指風的流 動吹向這些風車扇葉的背面導致阻礙了風車扇葉的旋轉。 在-些例子巾’在面對風流動巾具有彎折丨的風向定向板 被裝置在相對弧圓柱片狀風罩架構的外部以—個更有效的 角度把風流導向這些風車扇葉上。 至少二種類型的弧圓柱片狀風罩架構和風向定向板被 對稱地裝置在風力渦輪發電機的兩邊。當風流動改變方向 時弧圓柱片狀風罩架構和風向定向板將照樣地被風轉動 201111628 然後呈現面臨與風的流動方向相同的角度。裝有指向相對 方向曾折片的風向定向板具有自行調整和自行平衡的特 =加t風流動施力於任—風岐向板時整個弧圓柱片狀風 木才和風向定向板傾向被轉動而不再呈現面臨與風的流 =向相同的角度，這時裝置在風力渦輪發電機兩邊的風 °足向板允4各自提供—種抗衡風阻力量讓彼此相對保持 2衡回復與風的流動方向相同的該，這雙風罩架構能夠 比如》兒轴承紐與另—與風力满輪發電機中心傳動轴同 轴心線的傳動輪社人 σσ，並且擁有弧圓柱片狀姐結構部分在 ==機之風車扇葉周圍自由地轉動。當空氣流向 ==時’使風罩架構和風向定向板被移動成與風 ==衡和角度相同的位置。這雙風罩架構和風向 疋向板放置和成型導引風流動充分地指 相同方向轉動的風車戶* L mu勁 動相反方向的風車它們也㈣風流吹向與風流 ml集器的例子包括拋物線曰光的收集器，它們 :=太陽影像的聚集器，’眾多例子在試圖產生小的但 像”焦點或者聚集線。因應他們“影像 A ^.t 聚…者的孔徑需要直接面對太陽，避 免：：的損失和保持‘‘太陽影像，，在太陽能的吸收器 二ί:::子中，拋物線太陽能的收集器和F—的透 鏡^^焦β此夠用太陽勒忧 持續定向太陽。 、冑裝置（太陽定位㈤來使他們 太陽能的收集器的一此 二丹他的例子包括Fresnel透鏡聚 201111628 焦器。Fresnel透鏡能夠由有著平順表面，具彎曲性，透明 的聚合物材料所製成，其中一面是平滑表面而其反面是由 眾多具縮影線性的Fresnel微細棱柱併排組成的，由平滑表 面有效地形成每一個棱柱的光學面之一。此外，每一個棱 板都包括可以折射這個光的光學面。每—個棱柱也都有無 作用的光學面或者光學階梯不阻礙或者干擾日光的折射射 線。這樣，溥膠片中眾多微細棱柱被特定排列使得由這些 微細棱柱所形成的光學階梯不致妨礙入射日光射線的折 射。更進一步地，在一些具體實現中，讓這Fresnel透鏡薄 豚片有固定聚光面向，因此較易磨損破碎岣Fresnel微細棱 杈那一面不會直接暴露在冰雹，雨，或者其他具破壞性的 大自然環境因素。 太陽能收集器的更進一步的例子包括使用複合拋物線 聚焦器（CPC)所採用的一種經濟型拋物線聚光槽類型允許 更寬廣的太陽光線接收角度和更有效的能量收集，不需要 用昂貴的太陽追蹤器去鎖定那每日在天空半球留下它明顯 運行軌道的太陽。可以設定CPC的一個軸心粗略地平行於 地球的南北極旋轉軸心線。用於北半球時，極性軸線能夠 才曰向北方角度，並且這個軸心和這個垂直的之間的角度等 於幅度。在一些例子中，用即時控制器和線性傳動裝置臂 來移動拋物線聚光槽陣列相對於太陽方位角的運動。這種 設定也可每月或者雙月沿著第二個軸心來調整：太陽高低 角度調整。第個調整是當太陽夏天高掛在天空並且進一步 偏向北方時使這些複合拋物線聚光槽陣列面向太陽，當太 12 201111628 陽冬天低掛在天空並且進一步偏向南方時使這些複合拋物 線聚光槽陣列面向太陽，因此取得對於每—個季節最理想 位置。它可經由手動調整(每月或者雙月）或者自動化操作， 取決於極性軸線的方向安排。這_型的太陽能收集器就 可以不-定使祕料貴以及由於雲干擾Μ向對不準且 有時不可靠的太陽定位器（太陽跟蹤系統）。 在-些執行中，這些聯裝式史特靈發動機可能需要某 種㈣驅較其驗靜態I㈣渡収復活塞運 動。這個初始鶴需要足以使這些聯裝式史特靈發動機置 =塞開始有些運動讓史特靈發動機内的工作氣體啟動進 二並且重複的加熱或者冷卻和作為更進—步的擴張或者 立^冷減量再生供應聽含•纖細的金屬絲，通常 位於史特靈發動機的冷熱區之間。 WAt ^ 二 文特靈發動機的初始驅動 可此會被史特靈發動機裡面分隔冷動 的摩棒力所阻it 4, S · ‘、、、區的吊規岔封物之間 旱不力所阻止。如果初始轉不足 工作氣體沒能被足夠的轉移和置換來；:那 反復活塞運動得以_τ去。 4力變化使 脚极莉又符靈發動機初始驅 :::者外部來源•來產生這：::法:::量 5午史特靈發動機產生初始驅動即動^夠允 排列有著更大的軸轉力 U比起垂直 廉價=二f單的啟動機制，既 合史特靈發動機電力生產來發生。p它能夠依日光強度配 13 201111628 這樣的一個啟動機制的一個例子包括一個輔助啟動電 氣馬達，熱電偶，兩個旋轉幫浦，滑輪組和v型傳動帶機制 和封閉巡迴式的熱能傳送流體(HTF)流通系統。這些飛輪和 幫浦的葉片的外部結構聯結在聯裝式史特靈發動機的共同 傳動輛上以及輔助啟動電氣馬達經由滑輪和V型傳動帶和 史特靈發動機的傳動軸也有聯繫。這個聚集的太陽能光線 使太陽熱能吸收器中的熱能傳送流體熱度提升至一設定溫 度(例如，攝氏100度）然後熱電偶啟動這個輔助啟動電氣馬 達和旋轉幫浦循環輸送熱能傳送流體通過聯裝式史特靈發 動機熱區。熱能傳送流體將給聯裝式史特靈發動機熱區持 續地加熱並且由輔助啟動電氣馬達驅使的轉動飛輪驅動史 特靈發動機曲軸，動力活塞和置換活塞開始進行反復活塞 運動。一旦流經聯裝式史特靈發動機熱區的熱能傳送流體 的溫度達到一個更高的設定溫度(例如，攝氏150度），風力 渦輪發電機傳動軸將先連結上已經在轉動中的聯裝式史特 靈發動機的共同傳動軸然後輔助啟動電氣馬達和聯裝式史 特靈發動機的共同傳動軸分離並且接著停機。這時風車和 聯裝式史特靈發動機結合兩重動力能量共同驅動發電機以 產生電力。 ,第—組聯結/脫離機制使用上述滑輪組和V型傳動帶機 =械性地聯結和脫離輔助啟動電氣馬達的傳動軸和聯裝 1使2發動機的傳動軸之_連結。連結傳動軸之滑輪 錢用橡膠V型傳動帶機制 達到财W * 力讀助啟動電氣馬 史特靈發動機的傳動軸上。上述聯結/脫離機制 201111628 有第三個滑輪與輔助啟動電氣馬達的傳動軸上之滑輪和聯 裝式史特靈發動機的傳動軸之滑輪形成三角形設置加上一 個負責聯結/脫離機制小型電力馬達被與輔助啟動電氣馬 達相同的熱電偶啟發運行。這個聯結/脫離機制小型電力馬 達在熱能傳送流體達到第一個設定溫度（例如，攝氏100度） 縮退/繃緊這個V型傳動帶使原本脫離之滑輪組產生聯結令 聯裝式史特靈發動機開始反復活塞運動。當熱能傳送流體 達到第二個設定溫度（例如，攝氏150度），聯裝式史特靈發 動機正有力運轉且輔助啟動電氣馬達停機時，這個聯結/脫 離機制小型電力馬達伸出/鬆開v型傳動帶使原本聯結之滑 輪組發生脫離，所有三個滑輪都有大法蘭盤以保持槽中的v 型傳動帶在鬆弛和非聯結狀態下時不致從中脫落。 第二組聯結/脫離機制使用上述滑輪組和V型傳動帶機 制機械性地聯結和脫離聯裝式史特靈發動機的傳動轴和風 力渦輪發電機傳動軸之間的連結。連結傳動軸之滑輪組使 用橡膠V型傳動帶機制傳送驅動力從聯裝式史特靈發動機 的傳動軸到風力渦輪發電機傳動軸上。上述第二組聯結/脫 離機制也有第三個滑輪與聯裝式史特靈發動機的傳動軸之 滑輪和風力渦輪發電機傳動軸上之滑輪形成三角形設置加 上一個負責聯結/脫離機制小型電力馬達被控制組件中的 第二個熱電偶啟發運行。這個聯結/脫離機制小型電力馬達 在熱能傳送流體達到第一個設定溫度（例如，攝氏150度）縮 退/繃緊這個V型傳動帶使原本脫離之滑輪組產生聯結令聯 裝式史特靈發動機傳動軸旋轉動力傳送到風力渦輪發電機 15 201111628 傳動軸上。當熱能傳 氏職），這個聯結/脫離=到第二個設定溫度(例如，攝 傳動帶使原本聯結< 1小型電力馬達伸出/鬆開_ 和風力 因此中斷，所有三 渦輪發電機^式史特靈發動機傳動轴上之滑輪 斷，M _ 由上之滑輪發生脫離導致動力傳送 型傳動帶在鬆弛和都有大法蘭盤以保持槽中的乂 狀態下時不致從中脫落。 個熱月b傳送济辦β a l a疋—個密封回路系統中循環以保持 這個咼熱並且整個系 纖維)減少熱損失。^的隔離層保溫(例如，用破端 在一些例子中 _ 一 ’聯袭式史特靈發動機能夠用冷媒流通 _^@住㈣靈發動機的冷區。旋轉幫浦從冷水輸出 槽4盾環冷卻水至聯梦4 + 、式史特靈發動機冷媒流通環襯裝置 (、品）再。、卻水槽組巾的熱水时槽。冷卻纟統的水槽組 包括冷水輸出槽和與其頂部相連接的隔離駭溫熱水回收 槽把被隔離層保溫的熱水回收槽連接到建築物熱水使用 系統而冷水輸出_與自來水供躲進行補充 。當流回隔 離層保溫㈣水㈣槽中的熱水被㈣物熱水使用 系統使 用時,’.、法回饋輪出槽裡，冷水輸㈣内的浮標裝置將觸發 自來水ί、應線自行補充這個冷水。這個冷水的補充替換將 大大地減低冷卻系統冷水輸出槽的溫度得以進__步強化其 冷部過程和增加聯裝式史特紐動機的動力輸 出效率。當 對於聯裝式史特靈發動機的動力輸出效率需求增加時，降 低冷區溫度是报重要的；例如，理想化的史特靈循環效率 條件下’在冷區内降溫攝氏10度的變化能夠等於在熱區内 16 201111628 升溫攝氏30度變化的相同影響。因此，散熱器類型之冷卻 器（有許多金屬散熱片的裝置）包裝在往上輸送到冷媒流通 環襯裝置的冷媒輸送管外圍並且與風車扇葉軸心相平行併 排安裝。風的流入或流出風車扇葉可使冷的空氣穿過這些 散熱片之間因而能夠大大改進熱量從這些散熱片轉移到周 圍空氣中，冷卻系統的熱能傳送流體，在此是以水為例， 在一個半封閉的環路系統中循環以保存水資源並且可提供 熱水和暖氣設備之熱能到居住空間。 在一些例子，在寒冷氣候和暖氣需求高的地區中，聯 裝式史特靈發動機能夠與主要由室内產生之附加熱量來源 的第二種熱收集器相結合，例如，從室内暖氣設備比如燃 燒天然氣或者燃燒木頭的火爐與壁爐在陰冷天氣或夜間。 聯裝式史特靈發動機加熱系統的旋轉幫浦使用相同熱能傳 送流體從室内熱收集器循環熱能（例如，天然氣燃燒器）到聯 裝式史特靈發動機的熱區再回流以完成另一個封密加熱循 環系統。回應環境條件，例如，風條件，太陽條件和溫度 的條件，這兩個封密加熱循系統環能夠相結合以加強聯裝 式史特靈發動機在白天的輸出能量或者這個附加熱來源可 在夜間驅動聯裝式史特靈發動機。在冷天，能夠把從聯裝 式史特靈發動機冷區返回的熱水為室内暖氣設備加熱能。 這樣，這個太陽能和風力結合的熱電共生系統(CHP)在電力 生產的利益外再加上利用這個剩餘熱量作為室内暖氣並提 供熱水。 在一些運用執行中，聯裝式史特靈發動機的反復動力 17 201111628 活塞使用㈣，，轉細々型傳動帶把频 =發電機。在陽光充足和弱風期間，聯裝風力 機會全力運行以做 飞史特靈發動 光能轉換歧多的機·量。在^ 夕或者陰沈天期間，太陽收集器也許益6 夠的熱能來轉動聯裝錢特靈發動機巧樣，=產生足 電機可以與聯Μ史特靈發動機分離自行運轉 間，聯裝式史特$發動機和風力渦輪發電機的結 为離狀態’好除去聯裝式料靈發動機對風力@ = 的重量負載和機械上的摩擦力。這樣，在:電機 太陽能和風力的混合併行發電機操作，在夜間=統作為 陰沈和多雪天風力渦輪發電機獨立出來自行運轉發：的’ 外一種情況是在陰冷天氣或夜_裝式史特靈 利用室内火爐與壁爐產生之之熱量來源轉換成機械t 送到風力渦輪發電機。 此套系統综合性和靈活性的設計不需要複 和製造方面高精度的需求。輯主要設計上不需要高熱容 忍度的材料，太陽能收集器和聚焦器能夠大量使用高強 度，抗舰性，高吸震性，振動減緩性的高級複合材=例 如，玻璃纖維和碳纖維)。風力渦輪發電機的這個風收集部 位採用高強度和輕質的高級複合材料(例如，s坡璃纖維， 高模組碳纖維和Kevlar超強化防彈纖維)機翼式葉片，修長 葉片，罩«片或者大面積扇葉以更有效率地產生電^長 這樣的-個完整架構也足以抗拒強風，溫度，潮氣和其他 的大自然因素的損壞。在—些例子，聯裝式史特靈發動機， 201111628 太陽能收集器的反射鏡層，Fresnel透鏡薄膠片能夠採用工 業等級鋁材，鋁塗裝反射聚酯薄膜，丙烯酸塑膠片，從而 減少製造費用。 在一些執行運作中，這太陽能收集器可安裝在風力渦 輪發電機頂部或者在它下方才不致於阻礙了風吹向風車扇 葉。因為系統使用輕質架構，模組化設計，平衡結構，簡 單又緊密的構造，所以是容易擴充的只要增添更多史特靈 發動機或者風車部或者加大太陽能收集器和風車扇葉尺 寸。由於風動力是隨著風車扇葉表面積大小採立方值增加 以及風車部高度值而增加，風力能夠徹底被利用如當系統 擴大風車扇葉表面積或者使用更高獨立支柱以產生更多的 動力。此外，在實際應用方面，這樣的系統能夠安裝在例 如屋頂或者在後院中以獨立支柱裝置，適合於住宅和商業 的使用。 圖式簡單說明 發明的其他特性和優點可從下面的描述和專利要求得 以明白展示的。 第1圖的描述是一個混合併行系統為從風力和太陽能 產生能量的方塊圖表。 第2A圖是第1圖風力和太陽能混合併行系統設置在一 個垂直操作位置的外觀圖。 第2B圖是第1圖風力和太陽能混合併行系統設置在一 個水平操作位置的外觀圖。 第3圖是第1圖風力和太陽能混合併行系統與附加熱源 19 201111628 結合更進而成為一熱電共生（CHP)的外觀圖。 第4圖是風力和太陽能混合併行系統設置在塔上，竿子 上和其他的獨立支柱位置和搭配不同種類的太陽能收集器 的各種安裝架構外觀圖。 第5圖是風力和太陽能混合併行系統設置在山形屋頂 上採用各種安裝方式和搭配不同種類的太陽能收集器的各 種安裝架構外觀圖。 第6圖是風力和太陽能混合併行系統設置在便平面屋 頂上採用各種安裝方式和搭配不同種類的太陽能收集器的 各種安裝架構外觀圖。 第7圖第1圖風力和太陽能混合併行系統操作的流程圖 表。 第8A圖圖樣說明能夠與一個風力渦輪發電機結合的各 種類型風罩架構和風向定向板。 第8B圖圖樣說明安裝風罩架構和風向定向板在風力渦 輪發電機上的兩種方法。 第8C圖圖樣說明風罩架構和風向定向板在各種風吹方 向下的運行位置。 第9圖在圖樣說明一個Savonius風車的風車扇葉在風 中三個旋轉位置A-B-C然後回到A，風罩架構和風向定向板 與風流動的相互作用。 第10圖在圖樣說明四個Savonius風車的各式風罩架構 和風向定向板例子與風流動的相互作用。 第11A圖圖樣說明史特靈發動機一個代表性的裝置。 20 201111628 第11B圖展示第11A圖之史特靈發動機在史特靈運行 週期中四個代表位置的俯視圖。 第12圖圖樣說明在一個輔助啟動電氣馬達，史特靈發 動機和風力渦輪發電機傳動軸之間的聯結基構。 第13 A -13 D圖展示風力和太陽能混合併行系統兩組聯 結/脫離機制的四個操作的位置。 第14A圖是包含太陽能收集器，風力渦輪發電機，史特 靈發動機和兩個循環流通系統的風力和太陽能混合併行系 統的俯視圖。 第14 B圖是第14 A圖内的熱能傳送流體封閉式循環流 通系統的俯視和側視圖。 第14C圖是第14A圖内的冷媒半封閉式循環流通系統 的俯視和側視圖。 第15圖是第14C圖内的冷媒半封閉式循環流通系統的 組合側視圖。 第16圖展示風力和太陽能混合併行系統包含即時控制 器和線性傳動裝置臂的複合拋物線太陽能收集器（CPC)以 及手動或者自動化調整這個複合拋物線水槽陣式對於太陽 方位角移動至季節中最理想位置的俯視和透視圖。 第17A-D圖展示從曰出到曰落太陽方位角的順序運動。 第17E-G圖展示第16圖裝置複合拋物線太陽能收集器 (CPC)的風力和太陽能混合併行系統之順序運動，基於季節 性變化手動或者自動化調整最理想位置。 第18圖展示各種類型的史特靈發動機結構型式，包括 21 201111628 一個阿爾法型發動機，一個貝爾塔型發動機和一個加瑪型 發動機。 第19圖展示各種類型的風力渦輪機具體結構，包括一 個Darrieus類型風力渦輪機，兩個Savonius類型風力渴輪機 和Giromills風力環滿式輪機。 第20圖展示把太陽能面板用於產生額外電力供給風力 和太陽能混合併行系統的電力需要或者透過電力結合方法 併入其他電流。 【實方&方式]1 較佳實施例之詳細說明 1概論 提到第1圖，一混合併行系統100係組配來從風力和太 陽能能源產生電力。系統100包括有風力發電的子系統 110,其包括一風車扇葉112(例如，一個風力渦輪機)轉換風 力以產生機械能量和一個機械傳輸機制114(例如，一套齒 輪和/或者傳動軸）為把產生的機械能量傳輸給風力渦輪發 電機子系統110的主要傳動軸116以驅動一個電力發電機 140。取決於特定應用，電力發電機140可以是一個同步發 電機或者一個非同步發電機，並且發電機的電力輸出能夠 使用在負載150(例如，家庭電器），存儲在存儲單位160中（例 如，一套電池），或者輸出至電力網路170。 風力和太陽能混合併行系統100也包括太陽能發電子 系統120裝配有太陽能收集器122(例如，拋物線集光盤）可使 太陽能轉變成熱能，和一個熱能機械發動機124(例如，一 22 201111628 個外部燃燒發動機）可接著使熱能轉變成機械能量以驅動 太陽能發電子系統120的一根主要傳動軸126。 為了利用由太陽能發電子系統120產生的機械能量，相 互聯接子系統130可分離式結合風力渦輪發電機子系統的 主要傳動軸116和太陽能發電子系統的一根主要傳動軸 126。結果，從風力和太陽能的來源分別得到的機械能量被 結合來驅動電力發電機140。 通常，不管天氣條件如何，風力渦輪發電機子系統110 多多少少在運轉著，但是，從風力產生的電能的數量則是 取決於當地風吹速度。另一方面，太陽能發電子系統120， 則是有選擇地運轉發電，例如，基於太陽光強度。太陽能 發電子系統120的操作期間，當太陽能發電子系統傳動軸 126與風力渦輪發電機子系統傳動軸116結合時，由於從兩 個子系統110和120得到了機械能量的疊加而增加對電力發 電機140的總機械能量輸入。這樣，當兩個子系統110和120 以一個相互補充模式運作時風力和太陽能混合併行系統 100能夠生產更大量的電力。當如同在夜間或者多雨和陰沈 的天氣期間時沒有日光的輻射可用，風力和太陽能混合併 行系統100也能夠作為一個獨立風力發電機系統來運作，在 此情況下風車扇葉112僅僅由風力單獨吹動旋轉。 下面的描述包括第1圖的混合併行系統100之各種具體 實現的論述，和透過其機制此系統如何運作。 2混合能量轉換系統代表性的具體實現 第2A圖展示第1圖之風力和太陽能混合併行系統100採 23 201111628 行垂直設置運作的一個具體實現。 機 這個系統包括太陽能收集器卜-組聯裝式史特靈發動 2(-種熱能機械發動機個風力满輪機3,1電二發 電機4，第—個循環熱能傳送流體的旋轉幫浦$，第 , 裱冷媒的旋轉幫浦6，一個輔助啟動電氣馬達7， 機8和9和裝置在冷媒上行輸送管二= 換W-9。軸3]為風力渦輪機3的主要傳動 為聯裝式史特靈發動機2的主要共同傳動 & ” _ :::::合和分_與電動機-聯：:::軸 任化個文件的稍後部分將詳盡描述。 太陽能收集器i接收到太陽能並產生熱能（例如， 量在Γ力度Γ動聯裝式史特靈發動機2運用這―種補^力 而同的傳動軸M上帶動電力發電_動，從 力的轉換W使機械能量轉變成電能，機械對電 電二 一個電力發電機4被使用。這個電力發 電力松屮傳動軸3-1機械地結合到風力渴輪機3以產生有用 =:果有需要，電力發電機4可在—個電能 3。如同在第-圖中展示那樣，整個風力和太：， 行系統現合系統自身齊備且佔地小。彳场4合併 風力和太陽能混合併行系統可 位置:環境條件(例如，如果安裝在建築物：:這個 2Β圖說明這個風力和太陽能混合倂行系統⑽安裝 24 201111628 在一個水平的操作位置的另一個具體實現。此系統裝置在 山形房頂上其斜坡能夠增加捕捉風的範圍並且風車扇葉 3-2導引這個風流動，這也能夠增加這個風的流動量和力 量，從而產生更多動力輸出。 在一些應用方面，在第2A圖中展示垂直裝置被採用， 因此風的流動不管它的方向如何，總是能夠驅動風車扇葉 3-2的旋轉並不需要調整風力渦輪機3的傳動軸3-1的軸心 線。 第3圖進一步展示風力和太陽能混合併行系統100的具 體實現。在寒冷氣候和暖氣需求高的地區中，聯裝式史特 靈發動機能夠與主要由室内產生之附加熱量來源的第二種 熱收集器相結合，例如，從室内暖氣設備比如燃燒天然氣 或者燃燒木頭的火爐與壁爐在陰冷天氣或夜間。聯裝式史 特靈發動機加熱系統的旋轉幫浦使用相同熱能傳送流體從 室内熱收集器循環熱能(例如，天然氣燃燒器16)到聯裝式史 特靈發動機的熱區再回流以完成另一個封密加熱循環系 統。回應環境條件，例如，風條件，太陽條件和溫度的條 件，這兩個封密加熱循系統環能夠相結合以加強聯裝式史 特靈發動機在白天的輸出能量或者這個附加熱來源可在夜 間驅動聯裝式史特靈發動機。在冷天，能夠把從聯裝式史 特靈發動機冷區返回的熱水為室内暖氣設備17加熱能。這 樣，這個太陽能和風力結合的熱電共生系統(C Η P)在電力生 產的利益外再加上利用這個剩餘熱量作為室内暖氣並提供 熱水。 25 201111628 第4圖是展示風力和太陽能混合併行系統刚設置在塔 上，-枝或多枝支料子上和其他的獨立从結構並搭^ 不同種類的太陽能收集器。 第5圖和第6圖是展示風力和太陽能混合併行系統刚 分別安裝在傾斜屋頂和平屋頂上的進—步具體實現，。 在上述的具體實現中，太陽能收集器〖聚集日光焦點或 者焦點線在-個熱能吸收器W。在這個焦點或者焦點 線，日光包含的能量聚集在小範圍。為了將太陽能收集器丄 恰當地追縱太陽於每日行空的軌道，❹太陽跟蹤系統單 位(例如，日光定位器）12來調整太陽能收集器丨的方向變化 以瞄準太陽。 如同在第5圖和第6圖展示那樣的一些房頂安裝的類 型，太陽能收集器1能夠被安裝在屋頂上或者在風力渦輪機 3旁邊。為如同在第4圖展示那樣的一些獨自站立類型，這 太陽能收集器1能夠被安裝在風力渦輪機3頂部或者在風力 渦輪機3下方，因此不致阻礙風流直接吹向風車扇葉3_2。 第7圖展示一個具體實現從風和太陽能源得到它的能 量輸出的風力和太陽能混合併行系統丨〇 〇之操作程序流程 圖表。 3 —個風力渦輪機的風罩架構使用 現在提到第8A圖，一個弧圓柱片狀風罩架構3_4和風向 定向板3-5把風流導向這些風車扇葉3-2上，在這個例子中， 它們被對稱地裝置在風力渦輪發電機3的兩邊。風向定向板 可裝有指向相對方向的彎折片3-6。風罩架構3-4和風向定向 26 201111628 板3-5加彎折片3_6將這風的流動充分地僅僅指向特定的風 車扇葉3-2並且同時阻擋風的流動吹向這些風車扇葉的背 面導致阻礙了風車扇f的旋轉。 每個風罩架構3_4具有一對弧圓柱片狀，具有彎折片的 風向定向板3-5被裝置在相對弧圓柱片狀風罩架構3-4的外 部當面對風流動中以一個更有效的角度把風流導向這些風 車扇葉3-2上。二組弧圓柱片狀風罩架構3-4和風向定向板 3—5被對稱地裝置在風力渦輪發電機3的兩邊。當風流動改 變方向時，弧圓柱片狀風罩架構和風向定向板將照樣地被 風轉動然後呈現面臨與風的流動方向相同的角度如第8A圖 所示。 關於第8B圖，風力渦輪發電機具有一個自行定向功能 的弧圓桎片狀風罩架構和風向定向板能夠以傳統的或者強 力磁懸浮軸承裝置：上部軸承組3-7和下部軸承組3-8機械式 地與風力渦輪機同軸心線被安裝在風力渦輪發電機上使其 能夠自由地在風力渦輪機外圍旋轉，例如’風力渦輪發電 機周遭安置的圓環執道3-9上進行轉動或以懸浮支架3-10支 樓與風力渦輪機同軸心線地旋轉。 關於第8C圖，當空氣以各種不同方向吹向風力渦輪機 時’弧圓柱片狀風罩架構和風向定向板將照樣地被風轉動 然而最後會自我調整定位並呈現平衡和面臨與風的流動方 向相同的角度，如圖所示。這雙風罩架構和風向定向板被 置和I成特定形狀以導引風流動充分地指向僅僅在與風 流動相同方向轉動的風車扇葉上。它們也阻擋風流吹向與 27 201111628 風流動相反方向的風車扇葉上。 值得一提的是每個風罩架構3-4具有對稱結構之弧圓 柱片狀風罩架構和裝有指向相對方向彎折片的風向定向板 被裝置在風力渦輪發電機3的兩邊具有自行調整和自行平 衡的特性，當風向改變時風力流動施力於任一風向定向板 3-5時，整個弧圓柱片狀風罩架構和風向定向板傾向被轉動 而不再呈現面臨與風的流動方向相同的角度，這時裝置在 風力渦輪發電機兩邊的風向定向板允許各自提供一種抗衡 風阻力量讓彼此相對保持平衡回復與風的流動方向相同的 角度，換句話說當風流動改變方向時，對稱結構之風罩架 構3-4和裝有指向相對方向彎折片的風向定向板3-5最終將 承受相同的壓力彌補了因風力改方向產生的暫時旋轉和失 衡而達到平衡。 第9圖展示一個風力渦輪機其四片風車扇葉3-2，風罩 架構3-4和裝有指向相對方向彎折片3-6的風向定向板3-5在 風中風車扇葉三個旋轉位置A-B-C然後回到A與風流動的 對照關係。當風進入風力渦輪機中後順著風罩架構3-4内側 彎面持續驅動風車扇葉3-2直到從下個缺口逸出，這有助於 保持風流動能進而增加風力渦輪機動量輸出的效率。 第10圖展示風力渦輪機使用不同數量的（2，3，4和5) 風車扇葉片3-2和不同類型風罩架構3-4及裝有指向相對方 向彎折片3-6的風向定向板3-5在風流動中各自運動位置與 旋轉的對照關係。 4史特靈發動機 28 201111628 一個史特靈發動機是一種外部燃燒發動機能夠使熱能 轉變成機械能量的（例如，以驅動動力形式）透過連續不斷加 熱和使一個内裝的工作氣體冷卻。 關於第11A圖和第11B圖，史特靈發動機2的一個例 子，是冷縮熱脹的原理當加熱一個工作氣體會使其體積膨 脹冷卻它時體積會收縮。史特靈發動機包括熱區2-1，冷區 2-2，冷媒流通環襯裝置（冷區）2-3，一個置換活塞2-4，一個 動力活塞2-5，一個曲軸2-6，一個飛輪2-7，一根聯合傳動 軸2- 8和熱能再供應器2- 9者。當熱能傳送流體給這個史特 靈發動機的熱區2-1加熱時，膨脹的工作氣體將驅使這個置 換活塞2 - 4和動力活塞2 - 5產生反復循環運動。熱能再供應器 2-9包含團狀纖細的金屬絲，通常位於史特靈發動機的冷熱 區之間。曲軸2-6和飛輪2-7機械性連接聯裝式史特靈發動機 2的一根聯的傳動軸2- 8上。這個史特靈發動機熱區2-1包括 散熱器類型之冷卻器5-4(例如，一個吸熱排出裝置）有許多 金屬散熱片或其他增加表面積的方法覆蓋在史特靈發動機 熱區2-1上。 第11A圖也展示一個相應的布局包括輔助啟動電氣馬 達7，聯結/脫離機制，輸送管5-1，5-2和旋轉幫浦5循環熱 能傳送流體。第11B圖展示史特靈發動機活塞2-4，2-5，曲 軸2-6和飛輪2-7四個代表位置的暫停呈現。 5聯結/脫離機制 關於第12圖，這個風力和太陽能混合併行系統包括一 個輔助啟動電氣馬達7，聯結/脫離機制的小型馬達8，9， 29 201111628 兩個旋轉幫浦5，6，V型傳動帶4-4，4-8，滑輪組4-1，4-2， 4- 3，4-5，4-6，4-7，飛輪2-7，曲軸2-6和熱能傳送流體（HTF) 儲存槽。一個熱能傳送流體流通系統包括旋轉幫浦5，熱媒 上行輸送管5-1，熱媒下行輸送管5-2，熱能傳送流體儲存槽 5- 3和史特靈發動機2熱區2-1的散熱器類型冷卻器5-4。一個 冷媒流通系統包括旋轉幫浦6，冷媒上行輸送管6-1，冷媒 下行輸送管6-2,安裝在冷媒上行輸送管6-1散熱器類型冷卻 器6-9(例如，有許多散熱片的金屬裝置）和史特靈發動機2 冷區2 - 2的散熱器類型冷卻器5 - 5。一個傳動軸系統包括史特 靈發動機2的傳動軸2-8和風力渦輪機3的傳動軸的3-1。 一個聯結/脫離機制提供了史特靈發動機2的傳動軸2-8 和風力渦輪機3的傳動軸的3 -1的連接（或者分離）功能需 求。這個機制包括一個小型馬達9，一套V型傳動帶4-8和 滑輪4-5，4-6，4-7用以連接史特靈發動機2的傳動軸2-8和 風力渦輪機3的傳動軸的3-1二者以形成結合的動力來源。 另一個聯結/脫離機制包括一個小型馬達8，一套V型傳 動帶4-4和滑輪4-1，4-2，4-3用以連接輔助啟動電氣馬達運 動軸7-1和史特靈發動機2的傳動軸2-8。這個機制提供一個 方法讓史特靈發動機傳動軸2-8能夠從靜止狀態被啟動然 後開始旋轉。 第13A圖-第13B圖展示兩個聯結/脫離機制一系列操作 之四個程序。 起先，當太陽光線聚焦於熱能吸收器11時，雖然只要 太陽為史特靈發動機熱區產生足夠熱能時會帶動旋轉幫浦 30 201111628 5循環熱能傳送流體但是熱能傳送流體需要先被外力從熱 能吸收器11循環至史特靈發動機熱區。所以這個太陽能收 集器1開始對熱能吸收器11聚集太陽光線時，此熱能傳送流 體循環系統開始啟動輔助啟動電氣馬達7然後開始驅動旋 轉幫浦5以及與它連接的史特靈發動機傳動軸2-8的旋轉。 第13A圖展示聯結/脫離機制在夜間所有傳動軸處於脫 離狀態風力渦輪機的轉動和這風力和太陽能混合併行系統 的電力只有從風力產生。當太陽升起時並且熱能傳送流體 溫度達到一個設定溫度(例如，攝氏100度），一個負責聯結/ 脫離機制的小型馬達9被啟動（例如，被熱電偶）開始縮回使 • 在這些滑輪4-1，4-2，4-3上之V型傳動帶4-4逐漸繃緊。如 同在第13B圖中展示那樣，原本脫離分開的輔助啟動電氣馬 達7的傳動軸7-1和熱能傳送流體旋轉幫浦5，冷媒旋轉幫浦 6和史特靈發動機2的聯合傳動軸2-8被聯結傳動在一起。 不久熱能傳送流體渴度達到另一個設定溫度（例如，攝 氏150度），熱電偶啟動這個負責聯結/脫離機制的小型馬達 8，開始伸出使在這些滑輪4-1，4-2，4-3上之V型傳動帶4-4 逐漸鬆脫。結果，原本聯結傳動在一起的輔助啟動電氣馬 達7的傳動軸7-1和史特靈發動機2的聯合傳動軸2-8的聯結 被脫離分開然後熱電偶關閉這個輔助啟動電氣馬達。 當曰光逐漸增強，已經脫離輔助啟動電氣馬達7的史特 靈發動機開始強有力地運轉，因此輪到第二個負責聯結/脫 離機制的小型馬達9，開始縮回使在這些滑輪4-5，4-6，4-7 上之V型傳動帶4-8逐漸繃緊。原本脫離分開的風力渦輪機3 31 201111628 的傳動軸的3]和史特靈發動機2的聯合傳 動在一起因此驅動力從聯裝式史特靈 ·8破聯結傳 渦輪發電機4上如同第13C圖中展示那^务動機2傳送到風力 當天空陰沉或者在夜間，風力私 發動機採分離狀態，好除去聯妒弋。—和聯装式史特靈 輪發電機的重量負載和機械上的 :::靈發，機對風力渴 混合併行發電機，在夜間，多雨的。太陽能和風力的 力麵電機獨立出來自行ς發電陰:::二^ 脫離機制的小型騎9，_申級在這 貞貝㈣ 4-7上之¥型傳動帶4·8逐漸鬆脫。原本聯結—傳;^起的6風 力滿輪機3的傳動軸的冲。史特紐動機2的== 2-8被脫離分開如同第13D圖中展示那樣。 导勁軸

一個完全的序列說明如同在第1湖，第13B圖’第13C 圖’第丨湖’再㈣第13_中所展示其周而復始地實。 在一些例子中’所有施六個滑輪都有大法蘭盤4-9以保持槽 中的V型傳動帶在祕和非聯結狀態下時不致從中脫落如 以上各圖所示。 6流體流通機制 現下提到第14A-14C圖，在—陽光充足天，加熱這熱能 傳送流體(例如，高達攝氏4GG度），在太陽能收集以中的熱 能吸收fill傳送高熱的熱能傳送流體透過熱媒下行輸送管 5-2循環錢特靈發動機2的—。在熱交換於聯裝式史 特靈發動機2的熱區2-1裡面發生了以後，旋轉幫浦5傳送這 熱月b傳送机體透過熱媒上行輪送管5_丨回到熱能吸收器j ^ 32 201111628 (例如’高^ά如同第14A圖中表明那樣。這個高熱 複合太二*氏卿度)熱能傳送流體依次流過這些聯裝式 依序遞減紐動機熱區之熱能交換器5·4,因而能夠 的輪出因而提熱並且徹底利用這個熱能以增加動能 送流體封閉^ 力到風力㈣發電機上。熱能傳 送管5體封_路流通系統包括—個熱媒旋轉幫心，熱媒輸 式史特靈傳送流體儲存槽Μ基本上安裝於聯裝 散執加上太陽能史特靈發動機熱區之 …、、、、能交換器5_4,如同第14B圖中展示 浦6 目冷媒細閉赖環錢^包括—個旋轉幫 二冷錢送管6七6_2，冷媒流通環襯裝置^環繞安裝 區2太=史特靈發動機冷區2_2上’太陽能史特靈發動機冷 5-5(有哞夕之冷媒流通環襯裝置2_3,散熱器類型熱能交換器 環襯F D金屬錢片的裝幻包裝在往上輸送到冷媒流通 揭、_3的冷媒輪送管6-1外圍’如同第14C圖中展示那 樣。 如同第15圖中展；. 機於夠用八，多管史特靈發動 。。b L 媒流通環襯裝置2-3内含散熱器類型熱能交換 Γ ^用心金屬散熱片的裝置或其他可增加散執面 積的=圍燒裝置在史特靈發動機的冷區2-2上。散熱器類 ㈣Μ換器5_5排出史特靈發動機的冷區2·2中敎能透過 冷媒流通環襯裝置2~3中的冷媒向周ϋ线放熱。旋轉幫浦 從^良槽且的冷水輪出槽6-3循環冷卻水流經冷媒上行 輸送g 6 1至多官史特靈發動機之冷媒流通環襯裝置2_3(冷 33 201111628 ，區2-2)與魅2]巾的熱能交換熱量後再流經冷媒下行輸送 管6-2流回冷卻水槽組的熱水回收槽6-4。 冷部系統的水触包括冷水輸出槽6_3和與其頂部相 連妾的離層6-7保溫熱水回收槽6_4。把被隔離層保田 =水时^水管連接職_熱錢用系統而;; 水輸出槽難自來水供應編賴⑽行冷水補充。當熱 ΓΓί槽6·4的熱水經由熱水閥6·8被建築物熱水使用系統 日’無法回饋冷水輸㈣6_3裡，冷水輸出槽内的浮標裝 置將觸發自來水供應線6_6自行補充這個冷水。這個冷水 =補充替換將大大地減低冷㈣統冷水輪出槽6_3的域 付以進_步強化其冷卻過程和增加多管史特 力輸出效車。 *莉俄们勤 少耳文将靈發動機2的動力 需求增加時’降低術㈣是罐^如輸= :史特靈循環效率條件下，在冷區⑽溫攝_度_化 此夠等於在熱區2]时溫攝氏贿變化的相同影塑。因 此’散熱賴型之冷卻叫有許多金屬散熱片㈣ 裝餘上輸送到冷媒流通環襯裝置2_3的冷媒上行輸送管 車扇葉軸心3]相平行併排安裝。風的流入 或“風料封使冷㈣W過這絲熱 4中，另外為維持減傳送龍的高熱度，發 機2的熱區2-1，埶媒旌錄蟹$ '發動 下行料〜,1 行輸料5]，熱媒 月_】、吕，”、、月色傳送流體儲存槽5-3均是採用雙層密閉 34 201111628 式的隔離層6-7保溫（例如，用玻璃纖維層）減少熱損失和增 加史特靈發動機2的輸出功率。 7擴展和應用 以上所描述的系統和方法可以是實有的且在其方面有 許多可能的應用。例如，除生產電力以外，這個風力和太 陽能混合併行系統（或者系統中的子系統）也能夠使太陽能 轉變成熱能量為辦公室或者住家供應熱水和室内暖氣熱 量。 各種類型的太陽能收集器1可以被佈署在這個風力和 太陽能混合併行系統中。 關於第16圖，例如，使用複合拋物線聚焦器（CPC)所採 用的一種經濟型拋物線聚光槽類型允許更寬廣的太陽光線 接收角度和更有效的能量收集，不需要用昂貴的太陽追蹤 器12去鎖定那每日在天空半球留下它明顯運行軌道的太 陽。這套複合拋物線聚焦器（CPC)系統採用廉價的即時控制 器配合線性傳動裝置臂10來移動拋物線聚光槽陣列相對於 太陽方位角的運動。複合拋物線聚焦器的一個軸心可以被 設定粗略地平行於地球的南北極旋轉軸心線。它可經由手 動調整（每月或者雙月）或者自動化操作來調整第二個軸 心：太陽高低角度。太陽在春季晝夜平分時的高低角度偏 差是〇度在夏天時上升至22.5度然後在秋天時降回至在0度 再到冬天那時晝夜平分往下達到-22.5度。這種高低角度設 定調整當太陽夏天高掛在天空並且進一步偏向北方時可使 這些複合拋物線聚光槽陣列面向太陽，當太陽冬天低掛在 35 201111628 天空並且進一步偏向南方時可使這些複合拋物線聚光槽陣 列面向太陽，因此取得對於每一個季節最理想位置如第16 圖所示。它可經由手動調整（每月或者雙月）或者自動化操 作，取決於極性軸線的方向安排◦這種類型的太陽能收集 器就可以不一定使用複雜昂貴以及由於雲干擾而傾向對不 準且有時不可靠的太陽定位器12(例如，太陽跟蹤系統卜 第17A圖-第17D圖是採用複合拋物線聚焦器的風力和 太陽能混合併行系統的一個俯視圖，圖樣說明從日出到日 落順著太陽方位角的順序運動。這線性傳動臂裝置1〇驅動 複s拋物線聚焦器以複合拋物線聚焦器之系統支柱軸心為 圓心作東西向有順序的轉動。第17E圖-第17G圖圖樣說明整 個複合抛物線聚焦器沿著太陽高低角度的第二個轴心作南 北向有順序的俯仰運動是採用手動或者自動化操作的調整 取得對於每-個季節最理想位置。手動調整機制包括轉 輪連接柱和齒輪組來延伸和回縮線性傳動臂裝置1〇並且 驅使複合拋物線聚焦器沿著其支柱軸心繞轉。自動化操作 的調整設置則需要附加電力馬機和即時控制器。 第18圖展不能夠用於風力和太陽能混合併行系統的三 種史特靈發動機，包括阿爾法型發動機，貝爾塔裂發動機 知碼型發動機的例子。這些各型發動機以卫作氣體被史 l靈發動機活塞於其熱區和冷區之_不_動方式作為 區分。其他類型史特靈發動機或者熱能機械引擎也能夠被 使用。 第19圖展示能約用於風力和太陽能混合併行系統的各 36 201111628 種風力渦輪機，包括Darrieus機翼葉片類型風力渦輪機， Savonius半筒類型風力渦輪機，Giromills長條葉片類型風力 環渦輪機及其他的例子。其他類型風力渦輪機也能夠被使 用。 第20圖展示能夠用來直接從曰光獨立產生電流的—套 太陽能面板14可以裝置在風力和太陽能混合併行系統的太 陽能收集器1上。這些太陽能面板14能夠利用太陽定位器12 的功能更有效率地產生這額外電力供給風力和太陽能混合 併行系統的電力需要或者透過電力結合方法併入其他電流 如圖所示。 在一些執行中’太陽能收集器和聚焦器能夠大量使用 高強度’抗腐蝕性，高吸震性’振動減緩性的高級複合材 料(例如’玻璃纖維和碳纖維）。風力渦輪發電機的這個風收 集部位採用高強度和輕質的高級複合材料（例如，s玻璃纖 維，尚模組碳纖維和艮⑼丨打超強化防彈纖維)機翼型葉片， L長葉片，罩杯葉片，半筒式扇葉或者大面積扇葉以更有 政率地產生電力。這樣的一個完整架構也足以抗拒強風， 溫度’潮氣和其料大自朗素的損壞。這套風力和太陽 能混合併行系統能夠因使用輕f量的複合材料以保持高操 作效率和充分地減少製造和保養的成本從㈣低銷售及維 護費用，適合小商業，辦公室和住家的低價位需求。此外， 因為輕質_ ’簡單構造域組化設計可歧地應用於小 型商業屋頂上’停車場’住家屋頂上或者後院的電力產生。 此外，甚至開發中國家城市和市郊地區對於家庭及小型商 37 201111628 業能量需求也可負擔的起。 必須理解的是以上所描述說明是就此發明要求的範圍 來定義而不必是限制此發明的範圍，這是要由以下附加的 申請專利範圍要求來定義的。其他具體實現也包含在以下 這些申請專利範圍之内。 【圖式簡單說明3 第1圖的描述是一個混合併行系統為從風力和太陽能 產生能量的方塊圖表。 第2A圖是第1圖風力和太陽能混合併行系統設置在一 個垂直操作位置的外觀圖。 第2B圖是第1圖風力和太陽能混合併行系統設置在一 個水平操作位置的外觀圖。 第3圖是第1圖風力和太陽能混合併行系統與附加熱源 結合更進而成為一熱電共生（CHP)的外觀圖。 第4圖是風力和太陽能混合併行系統設置在塔上，竿子 上和其他的獨立支柱位置和搭配不同種類的太陽能收集器 的各種安裝架構外觀圖。 第5圖是風力和太陽能混合併行系統設置在山形屋頂 上採用各種安裝方式和搭配不同種類的太陽能收集器的各 種安裝架構外觀圖。 第6圖是風力和太陽能混合併行系統設置在便平面屋 頂上採用各種安裝方式和搭配不同種類的太陽能收集器的 各種安裝架構外觀圖。 第7圖第1圖風力和太陽能混合併行系統操作的流程圖 38 201111628 表。 第8A圖圖樣說明能夠與一個風力渦輪發電機結合的各 種類型風罩架構和風向定向板。 第8B圖圖樣說明安裝風罩架構和風向定向板在風力渦 輪發電機上的兩種方法。 第8C圖圖樣說明風罩架構和風向定向板在各種風吹方 向下的運行位置。 第9圖在圖樣說明一個Savonius風車的風車扇葉在風 中三個旋轉位置A-B-C然後回到A，風罩架構和風向定向板 與風流動的相互作用。 第10圖在圖樣說明四個Savonius風車的各式風罩架構 和風向定向板例子與風流動的相互作用。 第11A圖圖樣說明史特靈發動機一個代表性的裝置。 第11B圖展示第11A圖之史特靈發動機在史特靈運行 週期中四個代表位置的俯視圖。 第12圖圖樣說明在一個輔助啟動電氣馬達，史特靈發 動機和風力渦輪發電機傳動軸之間的聯結基構。 第13A-13D圖展示風力和太陽能混合併行系統兩組聯 結/脫離機制的四個操作的位置。 第14A圖是包含太陽能收集器，風力渦輪發電機，史特 靈發動機和兩個循環流通系統的風力和太陽能混合併行系 統的俯視圖。 第14B圖是第14A圖内的熱能傳送流體封閉式循環流 通系統的俯視和側視圖。 39 201111628 第14C圖是第14A圖内的冷媒半封閉式循環流通系統 的俯視和側視圖。 第15圖是第14C圖内的冷媒半封閉式循環流通系統的 組合側視圖。 第16圖展示風力和太陽能混合併行系統包含即時控制 器和線性傳動裝置臂的複合拋物線太陽能收集器（CPC)以 及手動或者自動化調整這個複合拋物線水槽陣式對於太陽 方位角移動至季節中最理想位置的俯視和透視圖。 第17A-D圖展示從曰出到曰落太陽方位角的順序運動。 第17E-G圖展示第16圖裝置複合拋物線太陽能收集器 (CPC)的風力和太陽能混合併行系統之順序運動，基於季節 性變化手動或者自動化調整最理想位置。 第18圖展示各種類型的史特靈發動機結構型式，包括 一個阿爾法型發動機，一個貝爾塔型發動機和一個加瑪型 發動機。 第19圖展示各種類型的風力渦輪機具體結構，包括一 個Darrieus類型風力渦輪機，兩個Savonius類型風力渴輪機 和Giromills風力環渴式輪機。 第20圖展示把太陽能面板用於產生額外電力供給風力 和太陽能混合併行系統的電力需要或者透過電力結合方法 併入其他電流。 【主要元件符號說明】 1···太陽能收集器 2-1…熱區 2···聯裝式史特靈發動機 2-2…冷區 40 201111628 2-3···冷媒流通環襯裝置 2-4…置換活塞 2-5···動力活塞 2-6…曲轴 2-7…飛輪 2- 8…聯合傳動軸 2- 9···熱能再供應器 3···風力渦輪機 3- 1…轴 3-2···風車扇葉 3-4···風罩架構 3-5…風向定向板 3-6…彎折片 3 - 7…上部轴承組 3-8···下部轴承組 3-9···圓環軌道 3- 10…懸浮支架 4···電力發電機 4- 1，4-2，4-3，4-5，4-6，4-7··· 滑輪組 4-4，4-8…V型傳動帶 4- 9…大法蘭盤 5…旋轉幫浦 5- 1…熱媒上行輸送管 5-2···熱媒下行輸送管 5-3···熱能傳送流體儲存槽 5-4…熱能交換器 5-4···冷卻器 5- 5…散熱器類型冷卻器 6···旋轉幫浦 6- 1…冷媒上行輸送管 6-2···冷媒下行輸送管 6-3…冷水輸出槽 6-4···熱水回收槽 6-5···浮標裝置 6-6…自來水供應線 6-7…隔離層 6-8.··熱水閥 6- 9···散熱器類型冷卻器 7…電氣馬達 7- 1…傳動軸 8,9…電動機 11…熱能吸收器 12···太陽追蹤器 12…太陽定位器 13···電池組 14…太陽能面板 17…室内暖氣設備 41 201111628 110···風力渦輪發電機子系統 112···風車扇葉 114…機械傳輸機制 116…傳動轴 120···太陽能發電子系統 122···太陽能收集器 124···熱能機械發動機 126…傳動轴 130…子系統 140···電力發電機 150…負載 160···存儲單位 170···電力網路 42

Claims (1)

1. 201111628 七、申請專利範圍： 1 · 一種用以轉換風力和太陽能能源以供與電力發電機使 用之系統，其包含： 一個風力發電的子系統，其包括： —組風車扇葉，其作為承受風力而產生機械的 動力；和 —支第一傳動桿，其在風車扇葉和發電機之間 機械地連結，作為傳送該生產出的機械動力到該電 力發電機； —個太陽能動力的子系統，其包括： 一個太陽能收集器，其作為接收太陽能而產生 熱能； 一個熱能機械引擎，其連接該太陽能收集器， 以供轉換太陽能源成機械動力；和 一支第二傳動桿，其機械地連結該熱能機械引 擎；和 一個互連的子系統，其作為可分離式地連結該第二 傳動桿和該第一傳動桿，以供將該等風力發電和太陽能 動力的子糸統所生產出的機械動力結合，來傳輸至該電 力發電機。 2·如申請專利範圍第丨項所述之系統，其中該太陽能動力 子系統的該熱能機械引擎包括一個外部燃燒發動機。 如申β專利範圍第2項所述之系統，其中該外部燃燒發 動機包括一套一具或更多具的史特靈發動 43 201111628 engines) 〇 4. 如申請專利範圍第1項所述之系統，該太陽能收集器包 括一具或更多具從下列群組選出定的聚焦器：拋物線聚 光反射器，拋物線聚光槽，複合拋物線聚光槽(CPCs)， 真空曰光集熱管和菲涅爾（Fresnel)透鏡聚光器。 5. 如申請專利範圍第1項所述之系統，該風力發電的子系 統包括一風擋結構，其可旋轉地安裝在該第一傳動桿。 6. 如申請專利範圍第5項所述之系統，該風擋結構包括一 對弧圓柱形構件，其對稱地放置在該風車扇葉的周圍之 外。 7. 如申請專利範圍第6項所述之系統，風擋變流結架構進 一步包括各在一個對應弧圓柱形構件的外部邊緣角度 安裝的一對導流器風向定向板，作為引導風吹向該風車 扇葉的一所欲範圍。 8. 如申請專利範圍第1項所述之系統，該互連子系統包括 一套滑輪組和一條或更多條的V型傳動帶，以供選擇地 結合該組滑輪。 9. 如申請專利範圍第8項所述之系統，其中該互連子系統 進一步包括一電力風車扇葉，其用以當由一控制信號啟 動時移動該組滑輪的一選定者，藉此在該組滑輪上方使 V型傳動帶縮緊，以將該第二傳動桿與該第一傳動桿連 結。 10. 如申請專利範圍第9項所述之系統，進一步包括一個控 制組件，其用以回應環境條件而產生控制信號來啟動該 44 201111628 電力馬達。 11. 如申請專利範圍第10項所述之系統，其中該環境條件包 括風的條件和太陽的條件中之一項或多項。 12. 如申請專利範圍第10項所述之系統，其中該個環境條件 包括在該熱能機械引擎内部或在太陽能收集器裡的一 溫度條件。 13. 依據申請專利範圍第12項所述之系統，其中該控制組件 包括一具或多具溫度傳感器。 14. 依據申請專利範圍第1項所述之系統，其中該熱能機械 引擎包括熱區和冷區。 15. 依據申請專利範圍第14項所述之系統，其中該太陽能動 力子系統包括一個封閉迴路流通系統，其用以循環熱能 傳送流體流經該熱能機械引擎的熱區。 16. 如申請專利範圍第15項所述之系統，其中該封閉迴路流 通系統包括用以容納該熱能傳送流體一個流體儲存 槽，和一個旋轉幫浦，其用以抽取該個流體儲存槽内的 該熱能傳送流體流經第一個輸送管到一個被加熱的熱 源，隨後流經第二個輸送管到該熱能機械引擎的熱區。 17. 如申請專利範圍第16項所述之系統，其中該太陽能動力 子系統進一步包括一個第二循環系統，其用以循環冷卻 媒體以保持該熱能機械引擎之冷區的一個低溫度。 18. 如申請專利範圍第1項所述之系統，其中該太陽能動力 子系統進一步包括一太陽追蹤組件，其用以獲得太陽光 線的測量值並，且用以基於所獲得的測量值導引該太陽 45 201111628 能收集器到與該太陽光線相關聯之一希望的方向。 19.如申請專利範圍第丨項所述之系統，其中該風力發電的 子系統包括一個垂直軸心渦輪機或者一個水平軸心渦 輪機。 2〇_如申請專利範圍第i項所述之系統，其中該太陽能動力 子系統進一步包括連結到該太陽能收集器之一植的一 或更多個域能錢，翻^生辦電力骑風力或 者太陽能動力子系統中的—個或多個的耗電設備有電。 46