TW201529973A - 小型風力發電機被動式葉片角位調變裝置 - Google Patents

Abstract

一種小型風力發電機被動式葉片角位調變裝置，其包含有一座體；多數與座體活動結合之葉片；以及一連接座體與各葉片之調變機構。藉此，可利用各葉片旋轉之離心效應啟動調變機構進行作動，而於強下自動調整各葉片之迎風角度，以降低風能擷取效率迫使風力機減速避免結構損壞，當風況緩和時，則再自動回復各葉片初始之迎風角度，以維持風力機之發電功能與效率，而達到運作方式無須耗費額外電力、結構簡單、易於組裝、便於維修、製作成本低、佔用空間小以及無須變更風力機本體結構之功效。

Description

小型風力發電機被動式葉片角位調變裝置

本發明是有關於一種小型風力發電機被動式葉片角位調變裝置，尤指一種可利用各葉片旋轉之離心效應啟動調變機構進行作動，而於強下自動調整各葉片之迎風角度，以降低風能擷取效率迫使風力機減速避免結構損壞，當風況緩和時，則再自動回復各葉片初始之迎風角度，以維持風力機之發電功能與效率，而達到運作方式無須耗費額外電力、結構簡單、易於組裝、便於維修、製作成本低、佔用空間小以及無須變更風力機本體結構之功效者。

按，葉片角位調變(Pitch Control)技術常應用於中/大型風力發電機，藉由調整葉片迎風角度控制風力機於運轉過程中的風能擷取效率，此套技術對風力機所附加之效益已獲廣泛驗證，並已成為中/大型風力機之標準規格之一。葉片角位調變機制除了調校風力機運作效率外，亦為保護風力機結構安全的關鍵防線，可避免風力機於強烈風況下(如颱風)損毀，即當葉片轉速高於額定限度時，透過調整葉片迎風角度抑制其風能擷取率，藉以降低風力機轉速，因此能保護風機組件(如軸承、齒輪箱與發電機)與骨架結構。相較之下，現有商用式小型風力機幾乎沒有應用此類裝置，其考量因素主要有四點：

1.葉片角位調變技術多採用主動式架構，即葉片動作仰賴馬達或是液壓系統等動力源進行驅動，然而這些驅動裝置對於小型風力機來說，占用之空間過於龐大，或甚至必須變更小風機結構，故影響此技術應用之可行性。

2.小型風力機之製作成本有限，實難再額外納入高單價之驅動零組件，或是因此變更結構設計與製造工法。

3.小風機通常沒有搭配控制系統，若整合主動式調裝置，則勢必需要額外裝配感測器並設計控制迴路，除了成本上升外，對廠商而言其生產的複雜度與困難度遽增。

4.小型風力機之平均發電功率較低(主要起因於機體規格設定以及裝設區域之風場狀況)，而主動式葉片角位調變需要額外且頻繁地耗費電力運作，勢必將降低小風機發電效益。

考量小型風力機額定的轉速通常較高(通常遠高於中/大型風力機數倍至數十倍)，且台灣屬於不穩定且多變之海島氣候，因此，增設葉片角位調變裝置將有助提升小風機之機體耐用性與使用安全性，而若此調變裝置無須額外耗費電力驅動或僅耗費少量電力，則更能彰顯小型風力機於再生能源領域之應用價值。

然，排除主動式的葉片調變保護設計，現有風機之被動式機械調變保護裝置隱含以下缺點:

1.結構複雜。

2.組裝不易。

3.空間需求較大。

4.較容易增加機體結構負荷(影響機體壽命與運作安全)。

且由於現有被動式調變機構以活塞缸搭配多連桿為主體，葉片角度調變必須透過多個組件連續動作達成，由於零組件種類與數量較多，因此提高組裝與後續維護的困難度，而組裝細節的品質亦將影響調變效果(動作順暢度及葉片旋轉同步性等)。此外，由於機構組件必須隨葉片轉動，其重量與尺寸(泛指機構所佔用的空間尺寸)所引發之慣性效應預期將大幅增加風機主軸的負載，對於高速旋轉的小型風力機而言，容易提高疲勞破壞效應的影響並降低運作安全性。

有鑑於此，本案之發明人特針對前述習用發明問題深入探討，並藉由多年從事相關產業之研發與製造經驗，積極尋求解決之道，經過長期努力之研究與發展，終於成功的開發出本發明「小型風力發電機被動式葉片角位調變裝置」，藉以改善習用之種種問題。

本發明之主要目的係在於，可利用各葉片旋轉之離心效應啟動調變機構進行作動，而於強下自動調整各葉片之迎風角度，以降低風能擷取效率迫使風力機減速避免結構損壞，當風況緩和時，則再自動回復各葉片初始之迎風角度，以維持風力機之發電功能與效率，而達到運作方式無須耗費額外電力、結構簡單、易於組裝、便於維修、製作成本低、佔用空間小以及無須變更風力機本體結構之功效。

為達上述之目的，本發明係一種小型風力發電機被動式葉片角位調變裝置，其包含有：一座體；多數與座體活動結合之葉片；以及一連接座體與各葉片之調變機構。

於上述之實施例中，該座體係包含有一底座、一垂直設於底座上之心軸、及多數設於底座上之承座，而各葉片係分別與各承座活動結合，且該調變機構係設於心軸上並與各葉片連接。

於上述之實施例中，該調變機構係包含有一設於心軸上之位移單元、及多數分別連接各葉片與位移單元之傳動單元。

於上述之實施例中，該位移單元係包含有一活動設於心軸上之滑套、一設於心軸一端之固定部、及一設於滑套與固定部間之彈性元件。

於上述之實施例中，各傳動單元係分別包含有一端與固定部結合之直桿、一連接葉片與直桿之連桿、一連接滑套與直桿之拉桿、及一設於直桿另端之配重調整部。

１‧‧‧座體
１１‧‧‧底座
１２‧‧‧心軸
１３‧‧‧承座
２‧‧‧葉片
３‧‧‧調變機構
３１‧‧‧位移單元
３１１‧‧‧滑套
３１２‧‧‧固定部
３１３‧‧‧彈性元件
３２‧‧‧傳動單元
３２１‧‧‧直桿
３２２‧‧‧連桿
３２３‧‧‧拉桿
３２４‧‧‧配重調整部

第１圖，係本發明之外觀示意圖。
第２圖，係本發明之俯視狀態示意圖。
第３圖，係本發明之高風能擷取率示意圖。
第４圖，係本發明之低風能擷取率示意圖。
第５圖，係本發明調變機構之未啟動狀態示意圖。
第６圖，係本發明調變機構之啟動狀態示意圖。
　　

請參閱『第１圖 ～第６圖』所示，係分別為本發明之外觀示意圖、本發明之俯視狀態示意圖、本發明之高風能擷取率示意圖、本發明之低風能擷取率示意圖、本發明調變機構之未啟動狀態示意圖及本發明調變機構之啟動狀態示意圖。如圖所示：本發明係一種小型風力發電機被動式葉片角位調變裝置，其至少包含有一座體１、多數葉片２以及一調變機構３所構成。

上述所提之座體１係包含有一底座１１、一垂直設於底座１１上之心軸１２、及多數設於底座１１上之承座１３。

各葉片２係分別與座體１之各承座１３活動結合。

該調變機構３係設於心軸１２上並與各葉片２連接，且該調變機構３係包含有一設於心軸１２上之位移單元３１、及多數分別連接各葉片２與位移單元３１之傳動單元３２，其中該位移單元３１係包含有一活動設於心軸１２上之滑套３１１、一設於心軸１２一端之固定部３１２、及一設於滑套３１１與固定部３１２間之彈性元件３１３，而各傳動單元３２係分別包含有一端與固定部３１２結合之直桿３２１、一連接葉片２與直桿３２１之連桿３２２、一連接滑套３１１與直桿３２１之拉桿３２３、及一設於直桿３２１另端之配重調整部３２４，然，關於滑套３１１與彈性元件３１３之設計部分，由機構設計之觀點，兩者位置亦可對調，即彈性元件３１３裝配於心軸１２底部貼緊底座１１處，而滑套３１１改由上向下滑動，然而，鑒於體積縮減與保養維護之問題因此採用目前之設計，也就是限定了各傳動單元３２之擺動方向，使得整個機構得以包藏於機鼻罩之內，且彈性元件３１３裝配之位置更有助於替換之方便性。

當本發明於運用時，由於位移單元３１之滑套３１１與彈性元件３１３係裝配於心軸１２，負責確保各葉片２轉向的啟動轉速(由所選配之彈性元件３１３特性決定並可視需求更換)以及各葉片２動作同步特性(藉由滑套３１１維持)，且每一葉片２之根部係與傳動單元３２相連結，雖傳動單元３２之直桿３２１固定於固定部３１２，但仍可以向機鼻方向擺動，且由於整個調變機構３係隨各葉片２一併旋轉，因此，各傳動單元３２將同時因離心效應產生向外擺動之作用力，裝配於心軸１２之彈性元件３１３便是用來平衡此離心作用力，即唯有各葉片２轉速過高時，各傳動單元３２所誘生之離心作用力總和才足以克服彈性元件３１３剛性，並拉動滑套３１１使各葉片２同時進行轉向，除了彈性元件３１３可以依據機型差異選配外，各傳動單元３２亦設同時有配重調整部３２４，可用來調整調變機構３啟動之轉速。

如第３及第４圖所示，該調變機構３（保護機制）未啟動前，各葉片２迎風角保持在風能擷取效率較高之方向(即各葉片之初始角度)，當受到強風拉高轉速後，各葉片２之迎風方向改為低擷取效率角位，也因此各葉片２轉速將迅速降低達到保護作用。然而，實際運作時仍需依靠各傳動單元３２共同作用才能順利運作，如第５圖所示，當調變機構３未啟動時，各傳動單元３２所誘生之離心作用力尚不足以克服彈性元件３１３之阻力(即此時風力機可能保持靜止或是低轉速狀態)，因此，各傳動單元３２之拉桿３２３與滑套３１１皆處於下死點位置，此時各葉片２則保持在初始位置，亦即高風能擷取效率之迎風角位。而第６圖則為各葉片２轉速過高之狀況，由於各傳動單元３２誘發之總離心作用力超過彈性元件３１３之阻力，因此，直桿３２１開始向機鼻方向擺動，連帶使得滑套３１１由下死點向上死點移動，並同時帶動拉桿３２３與連桿３２２，而由於連桿３２２係固定於葉片２根部之邊緣，故當各直桿３２１向外擺動時，同時間使得各葉片２開始旋轉。當風況緩和之後，由於彈性元件３１３所儲存之彈力位能高於離心效應，因此滑套３１１將會自動回到下死點位置，也因此帶動直桿３２１、連桿３２２、拉桿３２３與各葉片２回復到初始位置。如此，可使本發明至少達到下列之優點：

1. 採用被動式運作設計，無須額外耗費任何電力。
2. 葉片調變機構以滑套及彈簧為主體，透過三支連結桿與葉片相接，大幅簡化機構複雜度並容易確保葉片動作的同步性。
3. 空間需求大幅減少(相對於現有被動式設計)，可連同配重桿件完全包藏於機鼻罩內。
4. 零組件無特殊規格，成本低廉且拆裝容易，有助於後續維護保養。
5. 配有動作微調設計，可隨風機之運作需求隨時調整機構啟動的轉速。
6. 可於高風速時自行啟動保護，並於風況緩和後自動回復葉片初始角度。
7. 零組件少且集中於軸心附近，大幅減少慣性效應對於風機主軸的疲勞破壞(相對於現有被動式設計)。
8. 構造簡單且以外加方式組配，可以直接套用於現有的各型小風機，無須變更風機本體結構。

綜上所述，本發明小型風力發電機被動式葉片角位調變裝置可有效改善習用之種種缺點，可利用各葉片旋轉之離心效應啟動調變機構進行作動，而於強下自動調整各葉片之迎風角度，以降低風能擷取效率迫使風力機減速避免結構損壞，當風況緩和時，則再自動回復各葉片初始之迎風角度，以維持風力機之發電功能與效率，而達到運作方式無須耗費額外電力、結構簡單、易於組裝、便於維修、製作成本低、佔用空間小以及無須變更風力機本體結構之功效；進而使本發明之產生能更進步、更實用、更符合消費者使用之所須，確已符合發明專利申請之要件，爰依法提出專利申請。

惟以上所述者，僅為本發明之較佳實施例而已，當不能以此限定本發明實施之範圍；故，凡依本發明申請專利範圍及發明說明書內容所作之簡單的等效變化與修飾，皆應仍屬本發明專利涵蓋之範圍內。

1‧‧‧座體

11‧‧‧底座

12‧‧‧心軸

13‧‧‧承座

2‧‧‧葉片

3‧‧‧調變機構

31‧‧‧位移單元

311‧‧‧滑套

312‧‧‧固定部

313‧‧‧彈性元件

32‧‧‧傳動單元

321‧‧‧直桿

322‧‧‧連桿

323‧‧‧拉桿

324‧‧‧配重調整部

Claims (5)

1. 一種小型風力發電機被動式葉片角位調變裝置，其包括有：
   一座體；
   多數葉片，係與座體活動結合；以及
   一調變機構，係連接座體與各葉片。
2. 依申請專利範圍第１項所述之小型風力發電機被動式葉片角位調變裝置，其中，該座體係包含有一底座、一垂直設於底座上之心軸、及多數設於底座上之承座，而各葉片係分別與各承座活動結合，且該調變機構係設於心軸上並與各葉片連接。
3. 依申請專利範圍第２項所述之小型風力發電機被動式葉片角位調變裝置，其中，該調變機構係包含有一設於心軸上之位移單元、及多數分別連接各葉片與位移單元之傳動單元。
4. 依申請專利範圍第３項所述之小型風力發電機被動式葉片角位調變裝置，其中，該位移單元係包含有一活動設於心軸上之滑套、一設於心軸一端之固定部、及一設於滑套與固定部間之彈性元件。
5. 依申請專利範圍第４項所述之小型風力發電機被動式葉片角位調變裝置，其中，各傳動單元係分別包含有一端與固定部結合之直桿、一連接葉片與直桿之連桿、一連接滑套與直桿之拉桿、及一設於直桿另端之配重調整部。