TWI598507B - 具對風功能之風力發電設備及其對風方法 - Google Patents

Description

具對風功能之風力發電設備及其對風方法

本發明係關於一種風力發電設備，尤其是一種具對風功能之風力發電設備及其對風方法，可以在二風力機的流場重疊時驅使平台轉動以對正風向。

按，設置於海上的風力發電設備皆包含一平台及設於該平台上的數風力機，而各該風力機對正風向時的發電效率最佳，故目前已存在數種可以依據風向調整平台方向的風力發電設備；其中較常見的結構就是在平台下方安裝數個類似船舶使用的螺旋槳推進器，藉由驅動該數個螺旋槳推進器運作，達到改變平台方向的效果。類似於該習知風力發電設備的一實施例已揭露於美國公告第6294844號專利案當中。

然而，安裝螺旋槳推進器不僅會增加整體風力發電設備的重量及建置成本，且螺旋槳推進器係置於海中，發生故障時維修相當不易，不只維修成本高，更會因維修效率差而衍生發電停擺期間長等問題。

此外，由螺旋槳推進器從海中帶動該平台以上的所有設備共同轉向，需要耗費極大的動力，加上海流方向及風向不定且時常變換等因素，不僅不易即時且準確地調整平台方向，對發電效率不算高的風力發電設備而言，其幾乎將發電所得的大部分電量都使用在驅動螺旋槳推進器運作上，致使該習知風力發電設備的實質產電能力難以提升。

有鑑於此，習知的風力發電設備確實仍有加以改善之必要。

為解決上述問題，本發明提供一種具對風功能之風力發電設備，不需在水下設置螺旋槳推進器，且可藉由設於平台上的風力機本身來調整平台方向。

本發明提供一種風力發電設備的對風方法，可在風力機的尾流相互干涉時，藉由調控風力機的受風方向來調整平台方向，使風力機的尾流不會相互干涉。

本發明以下所述方向性或其近似用語，例如「前」、「後」、「左」、「右」、「上(頂)」、「下(底)」、「內」、「外」、「側面」等，主要係參考附加圖式的方向，各方向性或其近似用語僅用以輔助說明及理解本發明的各實施例，非用以限制本發明。

本發明全文所述之「耦接」(coupling)，係指二裝置之間藉由有線實體、無線媒介或其組合(例如：異質網路)等方式，使該二裝置可以相互傳遞資料，係本發明所屬技術領域中具有通常知識者可以理解。

本發明具對風功能之風力發電設備，包含：一平台；二風力機，各該風力機具有一塔架、一機艙及一葉輪，該塔架的一端結合於該平台，該機艙樞接於該塔架的另一端，該葉輪可旋轉地連接該機艙；一風向偵測器，該風向偵測器設於該平台；及一控制器，該控制器耦接該風向偵測器及該二風力機的機艙，該控制器依據該風向偵測器所測得的風向資訊，控制位於下風處的風力機的機艙樞轉，使該二風力機之葉輪受風面積不同，而造成推力差使該平台旋轉。

據此，本發明的具對風功能之風力發電設備，不需在水下設置螺旋槳推進器，且可藉由設於平台上的風力機本身來調整平台方向，故可減輕整體風力發電設備的重量、減少建置成本、降低維修成本及提升維 修效率；再且，還能即時且準確地調整平台方向，並大幅減少調整平台方向所需消耗的電量，使該風力發電設備的實質產電能力得以提升。

其中，該平台設有二組裝部及一量測部，該二風力機的塔架分別結合於該二組裝部，該風向偵測器設於該量測部，該量測部位於該二組裝部之間；該結構簡易而便於製造、組裝，具有降低製造成本及提升組裝便利性等功效。

其中，該量測部設於該二組裝部之間的中點處，以提升評估二風力機的尾流是否相互干涉的正確性。

其中，該二風力機的塔架的軸心線相平行並共平面於該平台的一基準面，該風向偵測器所指方向與該基準面之間具有一風向角；該控制器可接收該風向偵測器所測得的風向資訊，並於判斷該風向角超出所設定的允許範圍時，控制位於下風處的風力機的機艙樞轉。該結構不僅易於組裝，更能快速且正確地取得風向資訊，具有提升組裝便利性及控制平台與風力機正確對風等功效。

本發明風力發電設備的對風方法，係應用於具對風功能之風力發電設備，該風力發電設備包含一平台、二風力機、一風向偵測器及一控制器，各該風力機具有一塔架、一機艙及一葉輪，該塔架的一端結合於該平台，該機艙樞接於該塔架的另一端，該葉輪可旋轉地連接該機艙，該風向偵測器設於該平台，該控制器耦接該風向偵測器及該二風力機的機艙；該方法之步驟包含：由該風向偵測器量測風向，由該控制器接收該風向偵測器的風向資訊，並判斷該風向與該平台的一基準面之間的風向角是否超出該控制器所設定的允許範圍，若判斷為是，由該控制器計控制位於下風處的風力機的機艙樞轉，以利用該二風力機的推力差控制該平台轉向，使該二風力機的尾流不會相互干涉。

據此，本發明風力發電設備的對風方法，可在風力機的尾流 相互干涉時，藉由調控風力機的受風方向來調整平台方向，使風力機的尾流不會相互干涉，並大幅減少調整平台方向所需消耗的電量，使該風力發電設備的實質產電能力得以明顯提升。

其中，該控制器判斷該風向角超出該控制器所設定的允許範圍後，先由該控制器計算出位於下風處的風力機所需修正的樞轉角度，再依據該樞轉角度控制位於下風處的風力機的機艙樞轉；具有提升修正平台方向之準確性等功效。

其中，該控制器控制位於下風處的風力機的機艙樞轉，直至位於下風處的風力機的機艙樞轉至其葉輪的軸向正交於該平台的基準面；故該平台修正方向後，原先位於下風處的風力機可直接正對風向而不必二次調整，具有提升操作便利性等功效。

其中，位於下風處的風力機的機艙樞轉至其葉輪的軸向正交於該平台的基準面時，位於上風處的風力機的葉輪正對風向以帶動該平台旋轉，直至該平台的基準面亦與原先位於上風處的風力機的葉輪的軸向正交；如此，該二風力機都能正對風向，且風向稍有偏移時(無論向左偏或向右偏)，該二風力機都能維持其尾流不相干涉。

其中，該控制器將預定時間內所接收到的風向資訊予以平均，得一平均風向角，再以該平均風向角判斷其數值是否超出該控制器所設定的允許範圍；藉以避免在短時間內多次變換平台角度而造成能源浪費，且可略過預定時間內的少數異常風向，減少誤轉平台的機會。

其中，該控制器將預定時間內所接收到的風向資訊予以平均，得一平均風向角；該控制器將該平均風向角、該二風力機間距、該葉輪半徑及該葉輪轉速進行計算，判斷該二風力機的尾流是否相互影響；若判斷為是，該控制器將計算出位於下風處的風力機所需樞轉角度與時間；再根據該時間計算位於下風處的風力機於該時間內的發電功率損失，並加 上樞轉位於下風處的風力機所需耗能，以判斷該二風力機因尾流重疊所造成的發電功率損失，是否大於控制位於下風處的風力機樞轉所需耗能加上該時間內的發電功率損失；若判斷為是，由該控制器控制位於下風處的風力機的機艙樞轉。藉以提升該風力發電設備的對風方法之執行效能。

1‧‧‧平台

11‧‧‧組裝部

12‧‧‧量測部

2‧‧‧風力機

21‧‧‧塔架

22‧‧‧機艙

23‧‧‧葉輪

3‧‧‧風向偵測器

4‧‧‧控制器

S‧‧‧基準面

θ‧‧‧風向角

第1圖：本發明一實施例的立體結構示意圖。

第2圖：本發明一實施例的俯視結構示意圖。

第3圖：本發明一實施例受斜向風但風力機尾流未相干涉的示意圖。

第4圖：本發明一實施例受斜向風且風力機尾流已相干涉的示意圖。

第5圖：本發明調整下風處風力機機艙及葉輪方向的實施示意圖。

第6圖：本發明利用風力機之間的推力差以帶動平台轉向的示意圖。

第7圖：本發明一實施例的流程圖。

第8圖：本發明另一實施例的流程圖。

為讓本發明之上述及其他目的、特徵及優點能更明顯易懂，下文特舉本發明之較佳實施例，並配合所附圖式，作詳細說明如下：請參照第1圖，其係本發明具對風功能之風力發電設備的一實施例，該風力發電設備大致上包含一平台1、二風力機2、一風向偵測器3及一控制器4，該二風力機2、該風向偵測器3及該控制器4均設於該平台1上。

該平台1係以能夠漂浮於海面上，且可供該二風力機2、該風向偵測器3及該控制器4架設定位為原則，本發明不限制該平台1的材質、尺寸及結構外型等。此外，該平台1可以藉由一繫泊組件(圖未繪示)連接至固定於海床上的繫泊點。

在本實施例中，該平台1設有二組裝部11以供架設該二風力機2，且該平台1另於該二組裝部11之間設有一量測部12供架設該風向偵測器3；其中該量測部12較佳設於該二組裝部11之間的中點處，以提升評估該二風力機2的尾流是否相互干涉的正確性。又，該平台1可另設有一些配重物(圖未繪示)，用以平衡架設該二風力機2、該風向偵測器3及該控制器4後的重量，使該平台1各處可大致上維持重量均勻而不易翻覆。

各該風力機2具有一塔架21、一機艙22及一葉輪23，該塔架21的一端結合於該平台1的組裝部11，該機艙22則樞接於該塔架21的另一端，且該葉輪23可旋轉地連接該機艙22。據此，該葉輪23受風時可旋轉發電，並隨風向帶動該機艙22相對於該塔架21自由樞轉，使該葉輪23能正對風向以維持最佳發電效率，或於必要時強制控制該機艙22以該塔架21的軸向為中心樞轉預定角度。

請參照第1、2圖，該風向偵測器3設於該平台1的量測部12，該風向偵測器3受風時可自由轉動，故可從該風向偵測器3準確得知風向。該二風力機2的塔架21軸心線相平行，本實施例定義該二風力機2的塔架21軸心線共平面於該平台1的一基準面S，該風向偵測器3所指方向與該基準面S之間具有一風向角θ，即為風向與該基準面S的夾角；該風向角θ為90度時，該平台1的基準面S可對正風向。

該控制器4耦接該風向偵測器3及該二風力機2的機艙22，該控制器4可接收該風向偵測器3所測得的風向資訊，並於前述風向角θ超出一預設的允許範圍時，控制位於下風處的風力機2的機艙22連同其葉輪23相對塔架21樞轉(容後詳述)。

請參照第2、3圖，據由前述結構，使用本發明具對風功能之風力發電設備時，由於各該風力機2的葉輪23受風時可隨風向帶動該機 艙22自由樞轉，使該葉輪23能維持正對風向，故該風向偵測器3所量測到的風向角θ只要在該控制器4所預設的允許範圍中，該二風力機2的尾流就不會相互重疊而影響到下風處風力機2(第3圖中左邊的風力機2)的發電效率，故此時該控制器4並不會強制控制位於下風處的風力機2的機艙22樞轉。

請參照第4圖，當風向太過偏斜，使該風向偵測器3所量測到的風向角θ超出前述的允許範圍時，位於下風處的風力機2(第4圖中左邊的風力機2)的受風面積將受位於上風處的風力機2(第4圖中右邊的風力機2)局部遮蔽而減少，即受到位於上風處的風力機2的尾流干擾，進而造成位於下風處的風力機2的發電效率下降。

請參照第5、6圖，此時，該控制器4可計算出位於下風處的風力機2所需修正的樞轉角度(本實施例的樞轉角度約為該風向角θ減去90度左右)，並依據該樞轉角度強制控制位於下風處的風力機2的機艙22以該塔架21的軸向為中心樞轉，使位於下風處的風力機2的葉輪23的軸向能概與該平台1的基準面S正交，而僅由位於上風處的風力機2的葉輪23正對風向，使該二風力機2的葉輪23之間產生推力差以帶動該平台1旋轉，直至該平台1的基準面S亦概與原先位於上風處的風力機2的葉輪23的軸向正交，使該二風力機2的葉輪23都能正對風向。如此，該二風力機2的尾流又可回復到不會相重疊、干涉的狀態，即該風向偵測器3所量測到的風向角θ回到前述的允許範圍中，故原本位於下風處的風力機2的機艙22又可回到由該葉輪23隨風向帶動自由樞轉的狀態。

其中，該控制器4所設定不會致動該機艙22樞轉的風向角θ允許範圍，應依照該二風力機2的塔架21軸心間距，以及該二風力機2的葉輪23半徑而定。換言之，該二風力機2越近，或是該二風力機2的葉輪23半徑越大，該二風力機2的尾流就越容易相重疊，故該風向角θ的允 許範圍就越小；是以，本領域中具有通常知識者自可依據該二風力機2的塔架21軸心間距及二葉輪23半徑來調整該風向角θ的允許範圍，本發明不再詳述。

請參照第7圖，據由前述結構，本發明具對風功能之風力發電設備可執行一種對風方法，該方法之步驟包含：由該風向偵測器量測風向，由該控制器接收該風向偵測器的風向資訊，並判斷該風向與該平台的一基準面之間的風向角是否超出該控制器所設定的允許範圍，若判斷為是，由該控制器控制位於下風處的風力機的機艙樞轉，以利用該二風力機的推力差控制該平台轉向，使該二風力機的尾流不會相互干涉。該方法之實施態樣已說明如上，在此容不贅述。

其中，該控制器判斷該風向角超出該控制器所設定的允許範圍後，可先由該控制器計算出位於下風處的風力機所需修正的樞轉角度，再依據該樞轉角度控制位於下風處的風力機的機艙樞轉，以提升修正平台方向之準確性。

該控制器可控制位於下風處的風力機的機艙樞轉，直至位於下風處的風力機的機艙樞轉至其葉輪的軸向正交於該平台的基準面；如此一來，該平台修正方向後，原先位於下風處的風力機可直接正對風向而不必二次調整，具有提升操作便利性等功效。又，位於下風處的風力機的機艙樞轉至其葉輪的軸向正交於該平台的基準面時，位於上風處的風力機的葉輪可正對風向以帶動該平台旋轉，直至該平台的基準面亦概與原先位於上風處的風力機的葉輪的軸向正交；據此，該二風力機都能正對風向，且風向稍有偏移時(無論向左偏或向右偏)，該二風力機都能維持其尾流不相干涉。

此外，該控制器可將預定時間內所接收到該風向偵測器所測得的風向資訊予以平均，得一平均風向角，再以該平均風向角判斷其數值 是否超出該控制器所設定的允許範圍；藉以避免在短時間內多次變換平台角度而造成能源浪費，且可略過預定時間內的少數異常風向，減少誤轉平台的機會。

更進一步地，請參照第8圖，為能提升本發明風力發電設備的對風方法的執行效能，該控制器較佳可以藉由平均風向角、二風力機間距、葉輪半徑及葉輪轉速等多項資訊進行計算，判斷該二風力機的尾流是否相互影響；若判斷為是，該控制器將進一步計算位於下風處的風力機所需要樞轉的角度，並且計算從位於下風處的風力機開始樞轉至該二風力機的推力差使該平台旋轉預定角度所需時間。續根據該所需時間計算位於下風處的風力機於該段時間內的發電功率損失，並加上樞轉位於下風處的風力機所需耗能，以進一步判斷該二風力機因尾流重疊所造成的發電功率損失，是否大於控制位於下風處的風力機樞轉所需耗能加上旋轉該平台所需時間內的發電功率損失；若判斷為是，方由該控制器控制位於下風處的風力機的機艙樞轉。

綜上所述，本發明的具對風功能之風力發電設備，不需在水下設置螺旋槳推進器，而可在風力機的尾流相互干涉時，藉由設於平台上的風力機本身來調整平台方向，使風力機的尾流不會相互干涉，故可減輕整體風力發電設備的重量、減少建置成本、降低維修成本及提升維修效率。

另，由於本發明的風力發電設備可調整平台方向，避免風力機的尾流之間相互干涉，故不需為了避開尾流影響而設置不同尺寸的風力機，可藉由相同尺寸規格的各風力機來降低風力機的製造成本，且不會因風力機的重量不同而造成平台不穩定。此外，本發明的風力發電設備也不需為了避開尾流影響而擴大平台的尺寸，同樣具有降低整體風力發電設備的重量及減少建置成本等功效。

更重要的是，本發明的具對風功能之風力發電設備及其對風 方法，在風力機的尾流相互干涉時，僅控制風力機的機艙與葉輪同步樞轉，再利用風力機葉輪之間的推力差自然帶動平台轉向，相較於以往從平台下方直接整個平台加上平台上所有構件同步轉動，本發明確實可大幅減少調整平台方向所需消耗的電量，使該風力發電設備的實質產電能力得以明顯提升。

雖然本發明已利用上述較佳實施例揭示，然其並非用以限定本發明，任何熟習此技藝者在不脫離本發明之精神和範圍之內，相對上述實施例進行各種更動與修改仍屬本發明所保護之技術範疇，因此本發明之保護範圍當視後附之申請專利範圍所界定者為準。

1‧‧‧平台

11‧‧‧組裝部

12‧‧‧量測部

2‧‧‧風力機

21‧‧‧塔架

22‧‧‧機艙

23‧‧‧葉輪

3‧‧‧風向偵測器

4‧‧‧控制器

Claims (10)

1. 一種具對風功能之風力發電設備，包含：一平台；二風力機，各該風力機具有一塔架、一機艙及一葉輪，該塔架的一端結合於該平台，該機艙樞接於該塔架的另一端，該葉輪可旋轉地連接該機艙；一風向偵測器，該風向偵測器設於該平台；及一控制器，該控制器耦接該風向偵測器及該二風力機的機艙，該控制器依據該風向偵測器所測得的風向資訊，控制位於下風處的風力機的機艙樞轉，使該二風力機之葉輪受風面積不同，而造成推力差使該平台旋轉。
2. 如申請專利範圍第1項所述之具對風功能之風力發電設備，其中，該平台設有二組裝部及一量測部，該二風力機的塔架分別結合於該二組裝部，該風向偵測器設於該量測部，該量測部位於該二組裝部之間。
3. 如申請專利範圍第2項所述之具對風功能之風力發電設備，其中，該量測部設於該二組裝部之間的中點處。
4. 如申請專利範圍第1至3項中任一項所述之具對風功能之風力發電設備，其中，該二風力機的塔架的軸心線相平行並共平面於該平台的一基準面，該風向偵測器所指方向與該基準面之間具有一風向角；該控制器可接收該風向偵測器所測得的風向資訊，並於判斷該風向角超出所設定的允許範圍時，控制位於下風處的風力機的機艙樞轉。
5. 一種風力發電設備的對風方法，係應用於具對風功能之風力發電設備，該風力發電設備包含一平台、二風力機、一風向偵測器及一控制器，各該風力機具有一塔架、一機艙及一葉輪，該塔架的一端結合於該平台，該機艙樞接於該塔架的另一端，該葉輪可旋轉地連接該機艙，該風向偵測器設於該平台，該控制器耦接該風向偵測器及該二風力機的機艙；該 方法之步驟包含：由該風向偵測器量測風向，由該控制器接收該風向偵測器的風向資訊，並判斷該風向與該平台的一基準面之間的風向角是否超出該控制器所設定的允許範圍，若判斷為是，由該控制器計控制位於下風處的風力機的機艙樞轉，以利用該二風力機的推力差控制該平台轉向，使該二風力機的尾流不會相互干涉。
6. 如申請專利範圍第5項所述之風力發電設備的對風方法，其中，該控制器判斷該風向角超出該控制器所設定的允許範圍後，先由該控制器計算出位於下風處的風力機所需修正的樞轉角度，再依據該樞轉角度控制位於下風處的風力機的機艙樞轉。
7. 如申請專利範圍第5項所述之風力發電設備的對風方法，其中，該控制器控制位於下風處的風力機的機艙樞轉，直至位於下風處的風力機的機艙樞轉至其葉輪的軸向正交於該平台的基準面。
8. 如申請專利範圍第7項所述之風力發電設備的對風方法，其中，位於下風處的風力機的機艙樞轉至其葉輪的軸向正交於該平台的基準面時，位於上風處的風力機的葉輪正對風向以帶動該平台旋轉，直至該平台的基準面亦與原先位於上風處的風力機的葉輪的軸向正交。
9. 如申請專利範圍第5項所述之風力發電設備的對風方法，其中，該控制器將預定時間內所接收到的風向資訊予以平均，得一平均風向角，再以該平均風向角判斷其數值是否超出該控制器所設定的允許範圍。
10. 如申請專利範圍第5項所述之風力發電設備的對風方法，其中，該控制器將預定時間內所接收到的風向資訊予以平均，得一平均風向角；該控制器將該平均風向角、該二風力機間距、該葉輪半徑及該葉輪轉速進行計算，判斷該二風力機的尾流是否相互影響；若判斷為是，該控制器將計算出位於下風處的風力機所需樞轉角度與時間；再根據該時間計算位 於下風處的風力機於該時間內的發電功率損失，並加上樞轉位於下風處的風力機所需耗能，以判斷該二風力機因尾流重疊所造成的發電功率損失，是否大於控制位於下風處的風力機樞轉所需耗能加上該時間內的發電功率損失；若判斷為是，由該控制器控制位於下風處的風力機的機艙樞轉。