TWI246561B - Fluid power generator system - Google Patents

Description

1246561 玖、發明說明 (發明說明應敌明：發明所4之技術領域.先前技術、内容、實施方式及圖式簡單說明） 【韻'明所屬之技術^領域^ 技術領域 本發明是有關於一種用以將如風之自然能轉換成可用 5來作為電能之轉動能的流體發電機系統。 【先前技術】 背景技術 以往，一種使用風力之風車發電機已被用來作為一使 用運轉流體能作為一驅動源以產生電力之流體發電機裝置 10 ，在這種風車發電機、該風力能量之領域中，在由一微風 至一強風之大範圍中使用風力能之需要已變大。該風力發 電機系統包括一被一風力渦輪之轉動驅動之發電機與一被 來自該發電機之電力充電之電池，在這風力發電機系統中 ,電力可供應至如電氣裝置之負載，且該電池係藉由該風 15 力渦輪之轉動來充電。 在則述風力發電機系統中，即使是吹著微風，作為該 風力渦輪之負載之發電機仍在一結合狀態，即，該風力發 電機系統沒有依據風力改變而自動使該發電機分離且在該 風力渦輪已恢復轉動後與該風力渦輪自動地結合的功能。 20 只要有強風的話，當該電池在一完全充電狀態時，該 風力渦輪被機械地煞止或來自該發電機之輸出被切斷以停 止產生電力，因此防止該風力渦輪之過度轉動。但是，來 自該發電機之輸出力矩被切斷，該發電機會變成為無負載 ，且該風力渦輪會過度轉動。 1246561 玖、發明說明 本發明之一，Q 〇 目的是提供一種流體發電機系統，其可藉 由控制-發電機之末梢速比來處理在一如風之運轉流體： 流量與轉速之鑤# ^ ^ 文化，因此可在一特定流量時獲得一最大輸 出。 5 【發明内容】 發明之揭露 為了達成上述目的，在此提供一種流體發電機系統， 其包含-發電機，係與一被作為一驅動源之運轉流體能轉 動之翼軸桿、δ，及一負載裝置，包括一與該發電機連接 10之電池，其更包含一比較裝置，用以比較一測得末梢速比 與一參考末梢速比，且該測得末梢速比係藉由一依據該運 轉流體之流量之流量信號與依據該翼軸桿之轉數之轉數信 號來計算，且該參考末梢速比在該流體發電機系統中提供 一運轉流體能之最大轉換效率；及 15 一負載控制裝置，用以開/關該負載之控制，使得如果 該測得末梢速比小於該參考末梢速比，則一發電機係於位 於一無負載狀態，因此將該翼軸桿之轉數恢復至對應於該 參考末梢速比之轉數。 較佳地，如果由於該比較裝置之比較而發現該測得末 20梢速比小於該參考末梢速比，則該負載控制裝置將該發電 機置於一無負載狀悲並且繼續該無負載狀態直到該轉數恢 復至對應於該參考末梢速比之轉數為止，因此可處理該翼 軸桿之轉數之變化。 較佳地，當该負載裝置之電池完全充電時，供應至該 1246561 玖、發明說明 電池之電力係藉由一來自一過f f : ☆ 且一假負載係與該發電機連接。 此外’在此亦提供一種流體餐‘電機系統，其：％备一金 一被作為一驅動源之運轉流體能轉動之翼軸桿結合之發電 5機，且更包含一控制裝置，用以依據一由該運轉流體之— 測得流量與該翼軸桿之一測得轉數所計算之測得末梢速比 來控制該發電機之運轉，藉此為一特定流量之運轉流體提 供一最大輸出。 車父佳地’邊控制裝置依據一由該運轉流體之測得流量 10與超出一在該軸桿之測得轉數中之輸出峰值之較高轉數所 δ十异之/則付末梢速比來持續控制該發電機之運轉，因此藉 由給予該翼軸桿之負載可得到該流體之特定流量的最大輸 出。 【圖式簡單說明】 15 第1圖是顯示本發明之一實施例之方塊圖； 第2圖是一控制電路之方塊圖； 第3圖是一顯示一控制系統之概念圖； 第4圖是一發電效率對一末梢速比的特性曲線圖；及 第5圖疋一特性曲線圖，顯示控制該末梢速比之一例 20 0 I：實施方式3 實施本發明之最佳模式 以下將參照各圖對本發明之各實施例加以說明。 第1圖顯不一將作為一運轉流體能之風力能轉換成欲 1246561 玫、發明說明 作為一電能使用之轉動能的風力發電機之結構。 在第1圖中，一風力渦輪1包括，例如，多數分別藉 由上與下支持葉片3而與一翼軸桿4 一體連接之直線葉片 2。忒翼軸柃4係經由一傳動裝置6而與一如同步發電機（ 5三相AC)結合，該翼軸桿4設置有一煞車7與一用以測出 該風力滿輪1之轉數之轉數檢測單元8。 該轉數檢測單元8係用以藉助於一測速器發電機與一 光感應器與光致電壓轉換器來檢測該風力渦輪丨之轉數， 這測得之轉數信號被傳送至一控制電路9，風速係藉一如 1〇 一風速指示器之風速檢測單元10來檢測，且該測得之風速 信號被傳送至一控制電路9。 第2圖顯示第1圖中之控制電路9的主要部份，該翼 軸桿4之轉數係藉由該轉數檢測單元8測得。該翼軸桿之 轉數信號被傳送至一用以計算一在該控制電路9中之測得 15末梢速比的末梢速比計算電路91，由該風速檢測單元所測 得之風速#號亦被傳送至該測得末梢速比計算電路Μ。 該測得末梢速比計算電路91由依據該翼軸桿4之轉數 與依據該風速之風速信號來計算該測得末梢速比，該測得 末梢速比被傳送至一比較電路（比較裝置）92。該比較電路 20 92亦接收-參考末梢速比，該參考末梢速比係預先設定於 值即在第1圖之風力發電機系統中風力之轉換效率為 最大時之值。 依據在該測得末梢速比與該參考末梢速比之間的比較 結果’該比較電路92送出-控制信號至一負載控制電路 1246561 玖、發明說明 96，由於比較之結果，如果該測得末梢速比小於該參考末 梢速比，則該比較電路92發出一關閉該負載裝置j丨之電 池111及切斷該發電機與一負載控制電路96之電氣接觸的 命令。該負載控制電路96使一轉換器113可將該發電機5 5 置於一無負載狀態，將該發電機5置於該無負載狀態之操 作可以使用一卸載閥輕易地達成。 依此方式，如果該測得末梢速比小於該參考末梢速比 ，則該發電機5被置於該無負載狀態以減少該翼軸桿4之 負載。這操作將繼續直到該翼軸桿之轉數恢復到對應於該 10 參考末梢速比之轉數為止。因此，該風力渦輪1之轉動之 起動被大大地加快，使得該風力發電機系統可以靈敏地處 理風速與轉數上之變化。這可增加發電效率且因此增加該 風力發電機系統之淨工作速度。 在該負載裝置11中，如果該電池ηι是在一完全充電 15之狀態，則依據來自一過電壓檢測電路112之輸出，該轉 換器113停止供應電力至該電池111且將一假負載114連 接至該發電機5。因此，該發電機5並未被置於一無負載 狀態而被施加一適當之煞車。故，與該發電機5結合之翼 軸桿4 ,即該風力渦輪丨將不會落入一過度轉動範圍中， 2〇因此該風力渴輪1之直線葉片2將不會被損壞。該假負載 114可以藉由開或操作一連接之加熱器錢行熱回收來 給予’因此’多餘之電力可以被有效地使用直到該電池 111之完全充電狀態解除為止。 在第1圖所示之實施例令，各發電機A至G之運轉可 1246561 玖、發明說明 以依據已由風速v與該翼軸桿13之轉數N計算出之末梢 速比β(β=轉數N或轉子末梢速度/風速v)，該轉子末梢速 度係以2姻來表示。假設2πΙΙ是常數，該轉子末梢速度 可以轉速Ν來取代。詳而言之，如第6圖所示，當該發電 5機（如Α)以一較高之轉數，即超過一在風速V=9m/sec之點 (a)之峰值的點（b)，與該翼軸桿13結合時，該發電機作為 邊翼軸桿13之負載。因此，該翼軸桿13之轉數N會如同 第6圖中之逆時針箭頭所示地減少且到達該峰值，即該輸 出之點（a)。 1〇 因為該風車1之最大效率事實上係在末梢速比护4.5 處得到，該運轉應在β=4·5附近進行。依此方式，藉由控 制各發電機Α至G於該末梢速比，如第5與6圖所示，這 些發電機A至G可以在峰值，即點（a)處運轉，因此可得到 依據一特定風速之最大輸出。 15 弟3圖是一顯示第1圖所示之風力發電機系統之控制 系統之概念圖，這控制系統具有三種功能，即··一起動與 加速功能、一末梢速比控制功能與一煞車功能。風速係藉 由 了為一風速计之風速檢測早元1 〇而測得，該風力涡輪 1之轉數係藉由包括一測速器發電機與一光感應器與光致 20電壓轉換器之轉數檢測單元8來檢測。這些風速信號與轉 速k號係以一電壓比較器12與一邏輯電路13來處理且係 生成為控制信號。 該起動與加速功能係當該風速超過某一最小值且該風 力渴輪1之末梢速比低於一預定值時操作一起動馬達，該 10 1246561 玖、發明說明 末梢速比控制功能是當該末梢速比低於一最大值時操作一 卸載閥以將該發電機置於一無負載狀態，這狀態一直繼續 至該風力渦輪1之轉數恢復至該參考末梢速比以處理一轉 數上之變化。 5 該煞車功能包括一般煞車功能與一緊急煞車功能兩種 力月b 口衾般煞車功此係當風速超過一設計之最大值時操 作一空氣煞車，而該緊急煞車功能是當風速超過設計之最 大值與來自轉數檢測單λ 8 t兩數字之測得信號不正常時 操作該空氣煞車。 10 _車系統包括一切出風速用之煞車系統與該風力渦 輪1過度轉動用之緊急煞車系統，特別地，該煞車系統具 有-用以檢測轉數之不正常性之自我診斷功能，由安全的 觀點來看，這是重要的。 本么明不應文P艮於已在該風力發電機系統中所述之實 15施例’本發明之流體發電機系統可以應用於水力或其他發 電系統’本發明可以與太陽能發電組合成一混合式發電機 系統來實施。 β肌體發電機系統可配備有可監測各種表示_發電量 、轉數等之觀察資料，或可藉由使用—如衛星通訊或網際 網路之通訊裝置而在地球上之任-位置監測操作狀態的控 制裝置’藉此以雙向溝通來完成操作。 在一高建築物之侧壁上，該翼軸桿可非垂直地而是水 平地設置。—作為—支持部份之«可絲取代該支持葉 片0 20 1246561 玖、發明說明 依據申請專利範圍第1項所述之‘ ： ？纟：：’違#罨 機中’流量與轉數之改變可以適當地t5 : f伊4發承％ 率可以增加。這改善了該流體發電機系统之運轉效率且增 加發電量。 5 依據申請專利範圍第2項所述之發明，當該流量小於 該參考值時，該發電機被自動地置於該無負載狀態，使得 5亥翼軸桿之負載可以被解除且該無負載狀態可以繼續直到 該轉數恢復到該參考轉數為止。因此，流量與轉數之變化 可以適當地加以處理，使得發電效率可以增加。這改善了 10 該流體發電機系統之運轉效率且增加發電量。 依據申請專利範圍第3項所述之發明，因為該電池是 完全充電的，由該發電機供應至該電池之電力被切斷且該 假負載與該發電機結合。因此，該發電機並未被放置在該 無負載狀悲而可施加一適當之電氣煞車。如此，可防止高 15速轉動之轉動單元受損。此外，藉由使用加熱器等作為假 負載，多餘之電力可以有效地利用直到該電池之完全充電 狀態解除為止。 依據申請專利範圍第4項所述之發明，藉由依據由該 流量與轉數所計算之末梢速比來控制該發電機之運轉，可 20得到該運轉流體之各流速之最大輸出。這改善了該流體發 電機系統之運轉效率且增加發電量。 依據申請專利範圍第5項所述之發明，藉由依據由該 運轉流體之流量與超過一在該軸桿之測得轉數之輸出峰值 之較高轉數所計算之末梢速比來控制該發電機之運轉，可 12 1246561 玖、發明說明 得到該運轉流體之各流速之最大輸出。這改善了該流體發 電機系統之運轉效率且增加發電量。 【圖式簡單說明】 第1圖是顯示本發明之一實施例之方塊圖； 5 第2圖是一控制電路之方塊圖； 第3圖是一顯示一控制系統之概念圖； 第4圖是一發電效率對一末梢速比的特性曲線圖；及 第5圖是一特性曲線圖，顯示控制該末梢速比之一例 【圖式之主要元件代表符號表】 10 93.. .參考材末梢速比計算電路 92…比較電路 94.. .參考風速信號 95.. .參考轉數信號 96.. .負載控制電路 111…電池 112.. .過電壓檢測電路 113.. .轉換器 114.. .假負載

1·.·風力渦輪 2.. .直線葉片 3.. .支持葉片 4.. .翼軸桿 15 5...發電機 6.. .傳動裝置 7…煞車 8.. .轉數檢測單元 9.. .控制電路 20 10...風速檢測單元 11…負載裝置 12.. .電壓比較器 13.. .邏輯電路 91.. .測得末梢速比計算電路 13

Claims (1)

1. I tv 134^561 申請專利範圍 拾' 第91132727號申請案申請專利範圍修正本 94.08.09. 1. 一種流體發電機系統，其包含： 一翼軸桿，其係藉運轉流體能轉動作為一驅動源 5 與該翼軸桿耦接之一發電機，其用來執行電力之 產生以及；

   控制裝置，用以依據一由該運轉流體之一測得流 量與該翼軸桿之一測得轉數所計算之測得末梢速比來 控制該發電機之運轉； 10 其中該控制裝置重設該翼軸桿之轉數，使之為超 過一輸出峰值之較高轉數，並當該發電機與該翼軸桿 耦接時，藉由自該發電機給與該翼軸桿之負載，該控 制裝置減少該翼軸桿超過該輸出峰值之較高轉數，使 得該翼軸桿之轉數被設為輸出峰值。 15 2.如申請專利範圍第1項之流體發電機系統，其中更包

   含： 包括連接至該發電機之一電池的一負載裝置； 一比較裝置，用以比較一測得末梢速比與一參考 末梢速比，且該測得末梢速比係藉由一依據該運轉流 20 體之流量之流量信號與依據該翼軸桿之轉數之轉數信 號來計算，且該參考末梢速比在該流體發電機系統中 提供一運轉流體能之最大轉換效率；及 一負載控制裝置，用以開/關該負載之控制，使得 如果該測得末梢速比小於該參考末梢速比，則一發電 14 eJ^46^61 拾、申請專利範圍 機係於位於一無負載狀態，因此將該翼軸桿之轉數恢 復至對應於該參考末梢速比之轉數。 3. 如申請專利範圍第2項所述之流體發電機系統，其中 如果由於該比較裝置之比較而發現該測得末梢速比小 5 於該參考末梢速比，則該負載控制裝置將該發電機置 於一無負載狀態並且繼續該無負載狀態直到該轉數恢 復至對應於該參考末梢速比之轉數為止，因此可處理 該翼軸桿之轉數之變化。 4. 如申請專利範圍第2或3項所述之流體發電機系統， 10 其中當該負載裝置之電池完全充電時，供應至該電池 之電力係藉由一來自一過電壓檢測單元之輸出來停止 且一假負載係與該發電機連接。

   15