TWI712735B - 風力發電系統 - Google Patents

Abstract

本發明係關於一種風力發電系統，其包括一機艙總成、一螺旋式葉片組及一扇葉組。螺旋式葉片組連接至機艙總成。扇葉組連接至機艙總成，且扇葉組包括多個長形葉片，其中螺旋式葉片組與扇葉組相對於機艙總成軸向相對設置，且螺旋式扇葉組的旋轉半徑小於扇葉組的旋轉半徑。

Description

風力發電系統

本發明係有關於一種發電系統，特別是關於一種風力發電系統。

隨著經濟的發展，各地均發生能源短缺的問題。由於核能發電存在安全方面的疑慮以及處理核能廢料之問題，而傳統火力發電有產生空氣危害之缺點，因此發展乾淨且安全的再生能源發電系統是刻不容緩之事。再生能源包含太陽能發電、風力發電以及洋流發電等。針對風力發電部分，由於風力來源以海面風力來源最為充分，因此風力發力電適於海岸線較長的地區，因其可降低取得風力來源的成本。

簡單來說，風力發電系統一般包含一風力渦輪機(簡稱風機，wind turbine)，其主要是藉由空氣流動(即風)轉動葉片來發電。葉輪(rotor)為風力機轉換利用風能最重要的系統之一，其葉片鎖定於輪轂(hub)上，以共同構成葉輪。葉片受風吹之空氣動力作用(包括升力及阻力)繞軸旋轉，擷取風的動能轉動輪轂中的轉子，並經由轉子與輪轂中的定子的電磁轉換作用，進而轉換成有用的電能並加以儲存。

為了增加接收風力的效率，業界往往增加葉片的長度，以增加受風面，得以擷取更多的風力。以目前的技術來說，葉片之旋轉半徑 可達到一百公尺甚至更長。其中，葉片一般具有一支撐部以及一受風部，支撐部位於其內端緣，用以支撐為在外端緣並具有受風面之受風部。然而，當葉片增長時，支撐部的長度亦同時增加。由於支撐部並無受風面的設置，故其無法受風而帶動葉片旋轉，進而無法充分利用風力資源。

因此，能夠提供一種可以解決上述風力發電系統之葉片的支撐部無法受風而無法利用吹向該支撐部位置之風力的問題，進而增加發電效率之風力發電系統，係為業界所欲解決之問題。

緣是，為解決上述問題，本發明的目的之一在於提供一種風力發電系統，其藉由設置兩組相異旋轉半徑之扇葉組，以提升其發電效率。本發明一實施例提供一種風力發電系統，其包括一機艙總成、一螺旋式葉片組及一扇葉組。螺旋式葉片組連接至機艙總成。扇葉組連接至機艙總成，且扇葉組包括多個長形葉片。螺旋式葉片組與扇葉組相對於機艙總成軸向相對設置，且螺旋式扇葉組的旋轉半徑小於扇葉組的旋轉半徑。

1:風力發電系統

2:塔體

3:機艙總成

4:螺旋式葉片組

5:扇葉組

31:第一部分

32:第二部分

33:第一發電轉軸

34:第一發電機

35:第二發電轉軸

36:第二發電機

37:操作及維修空間

38:中間段

42:連接件

44:第一轉軸

46:螺旋式葉片

51:長形葉片

52:輪穀

53:支撐部

54:受風部

56:受風面

420:第一端

422:第二端

424:第一段

426:第二段

460:受風區

A:中心軸

A1:軸心

L:預定距離

D1:寬度

L1、L2:長度

L3、L4:軸向長度

R1、R2、R3、R4、R5、R6:半徑

圖1係為根據本發明一實施例之風力發電系統之立體示意圖。

圖2係為圖1之風力發電系統之側視示意圖。

圖3係為圖1之風力發電系統之局部側視透視示意圖。

為更清楚了解本創作之特徵、內容與優點及其所能達成之功效，茲將本創作配合附圖，並以實施例之表達形式詳細說明如下，而其中所使用之圖式，其主旨僅為示意及輔助說明書之用，故不應就所附之圖 式的比例與配置關係解讀、侷限本創作的申請專利範圍。

請參考圖1及圖2，其中圖1為根據本發明一實施例之風力發電系統1之立體示意圖，圖2係為圖1之風力發電系統1之側視示意圖。在本實施例中，本發明一實施例提供一種風力發電系統1，其可設置在陸地上或是設置在海上。風力發電系統1包括一塔體2、一機艙總成3、一螺旋式葉片組4以及一扇葉組5。機艙總成3設置於塔體2之頂端上。

塔體2可設置於陸地上或水中。當設置於陸地上，即為一般陸域式風力發電系統1；當設置於水中而作為離岸式風力發電系統1時，塔體2可設置於一浮動式平台上，或塔體2之底端可連接於海底上之一基礎，例如重力式基礎(gravity base)、單樁(monopile)、塔架式(jacket)、三角臺座(tripod)或吸筒式基礎(suction bucket)。塔體2係作為風力發電系統1整體支撐，且塔體2內部具有其他電路設備以及線路，以將風力發電系統1產生之電能傳送至特定之變電站。

圖3係為圖1之風力發電系統1之局部側視透視示意圖。如圖3所示，機艙總成3以塔體2的軸向方向為基準，區分為分別位於連接塔體2之中間段38之兩側之一第一部分31及一第二部分32。即，第一部分31界定位於圖3之左側，而第二部分32界定位於圖3之右側。螺旋式葉片組4以可旋轉的方式連接機艙總成3之第一部分31之端緣，扇葉組5以可旋轉的方式連接機艙總成3之第二部分32。

請參照圖3，關於本實施例之螺旋式葉片組4，其包括一連接件42、一第一轉軸44以及一組螺旋式葉片46。詳細來說，連接件42具有彼此相對之一第一端420以及一第二端422。第一端420連接至機艙總成3之下緣，以使第一端420受到機艙總成3之支撐。在其他實施例中，第一 端420可連接到機艙總成3之側緣或其他位置。連接件42自其第一端420(即近端)向下延伸越過螺旋式葉片46的下方，然後向上延伸至第二端422(即遠端)，藉此第一端420(即近端)與第二端422(即遠端)的連線與機艙總成3之中心軸A重合。第一轉軸44之兩端可旋轉地設置於機艙總成3及連接件42之第二端422上。螺旋式葉片46係固定地穿設(套設)於第一轉軸44上。螺旋式葉片46得以經構形受風旋轉，以帶動第一轉軸44旋轉。如此，連接件42及機艙總成3分別支撐第一轉軸44之相對兩端，進而支撐穿設於第一轉軸44之螺旋式葉片46。

另外，連接件42包括彼此相連之一第一段424及一第二段426，相對於連接第二段426的第一段424之一端緣為第一端420，相對於連接第一段424的第二段426的一端緣為第二端422。第一段424及第二段426可以各種方式彼此固定，例如鎖固或焊接等。在部分實施例中，第一段424及第二段426係可以一體成型之方式製成。另外，第一段424係可為弧狀而向外突出，以避免干擾螺旋式葉片46之旋轉。第二段426可為大致成阿拉伯數字「7」字形，並避開螺旋式葉片46之旋轉路徑。另外，如圖1所示，第二段426之厚度薄於第一段424之厚度，藉此可盡量縮減迎風之第二段426之厚度，以減少風力吹拂至連接件42所造成之耗損，以使後方之螺旋式葉片46擷取更多之風力。

如圖2及圖3所示，在本實施例之螺旋式葉片組4中，其螺旋式葉片46之半徑R1-R6自距離連接件42之第一端420一預定距離L開始朝向連接件42之第二端422縮減，以形成多個半徑R1-R6漸縮之受風區460，且受風區460可為多個曲面。亦即，螺旋式葉片46之多個相連受風區460沿著自機艙總成3朝向連接件42之第二端422之中心軸A，而分別具 有半徑R1-R6，該等半徑R1-R6自中心軸A朝向第二端422依比例依序漸縮。如此，本實施例之螺旋式葉片46之形狀可呈現一花瓣狀，其開口背向於機艙總成3。該等曲面之花瓣形狀可有利於提升風力之收集，進而提高螺旋式葉片46之旋轉速度。

關於本實施例之扇葉組5，其連接至機艙總成3之第二部分32之端緣，並包括多個長形葉片51以及一輪穀52。在本實施例中，如圖1所示，長形葉片51的數目為三，但其數目非用以限定本發明。更詳細來說，長形葉片51之各者包括一支撐部53以及一受風部54。支撐部53係介於受風部54以及輪穀52之間，支撐部53用以支撐受風部54，而非用以擷取風力以旋轉。受風部54具有一受風面56，其沿著旋轉半徑之橫向擴展，用以接收外界風力之驅動而轉動，並進而帶動輪穀52轉動。受風部54之寬度可自支撐部53向遠離於支撐部53之方向漸縮。即，如圖2所示，鄰近於支撐部53的受風部54的寬度D1可為最大值，而朝向遠端漸減。在本實施例中，支撐部53及受風部54之分界係為受風部54的寬度D1最大值之處，然而，本發明之支撐部53及受風部54之交界處非用以限定本發明。在本發明之實施例中，由於支撐部53係主要用以支撐受風部54，而受風部54主要用以擷取風力而轉動，故在其他實施例中，凡是符合前述定義之支撐部53及受風部54，不論其形狀，即可作為本發明之支撐部53及受風部54，並可藉此定義兩者之交界處。

此外，如圖1及圖3所示，扇葉組5之葉片長形51具有角度調整機構，以可使，扇葉組5之葉片長形51沿其長度方向原地旋轉，以調整迎風面之方向，進而在風向改變時，提升，扇葉組5之長形葉片51的風力擷取量。

如圖1所示，在本實施例中，螺旋式葉片組4之螺旋式葉片46在軸向方向上係對應於長形葉片51之支撐部53。前述「對應」係指螺旋式葉片46旋轉時所涵蓋的面積在軸向方向可投影至長形葉片51之支撐部53，而至少涵蓋支撐部53之一實質部分。在本實施例中，如圖3所示，螺旋式葉片46之最大半徑R1係實質上等於長形葉片51之支撐部53之長度L1(如圖1所示，即自長形葉片51之支撐部53之遠端到軸心A1之距離)。另外，如圖1及圖3所示第一轉軸44與扇葉組5之軸心A1分別與中心軸A重合，且中心軸A正交於長形葉片51之延伸方向。如圖1所示，在本實施例中，螺旋式葉片46之最大半徑R1與長形葉片51的長度L1+L2(即自長形葉片51之遠端到軸心A1之距離)的比例範圍介於1：3至1：6之間。也就是說，當風力發電系統1接收風力而運作時，螺旋式葉片46的旋轉半徑(即最大半徑R1)大致涵蓋長形葉片51的支撐部53的旋轉半徑(即長形葉片51之支撐部53的長度L1)。如此，當風自如圖2之左側朝向右側吹拂時，由於螺旋式葉片46旋轉時涵蓋了無法接收風力以旋轉的長形葉片51之支撐部53區域，因此螺旋式葉片46係接收了此區域之風力。如此，風力發電系統1得以在不增加長形葉片51長度的情況下，增加了整體風力發電系統1之風力擷取量。

在本實施例中，如圖3所示，機艙總成3包括一第一發電轉軸33、多個第一發電機34、一第二發電轉軸35以及多個第二發電機36。本實施例之第一發電機34及第二發電機36的數量均為三，但該數量非用以限定本發明。在其他實施例中，第一發電機34及第二發電機36的數量可以為一、二或四以上。在本實施例中，第一發電轉軸33以及第一發電機34位於第一部分31內，而第二發電轉軸35以及第二發電機36位於第二部 分32內。第一轉軸44以可旋轉的方式耦合至機艙總成3之第一發電轉軸33，第一發電轉軸33依序穿設多個第一發電機34，以使第一轉軸44耦合於該多個第一發電機34，且其中第一發電轉軸33經構形以受螺旋式葉片組4之驅動而轉動。另一方面，長形葉片51之支撐部53之內端緣連接至扇葉組5之輪穀52，而該輪穀52以可旋轉的方式耦合至機艙總成3之第二發電轉軸35。第二發電轉軸35依序穿設多個第二發電機36，以使輪穀52耦合於該多個第二發電機36，其中第二發電轉軸35經構形以受扇葉組5之驅動而轉動。需要注意的是，在本實施例中，第一發電轉軸33與第二發電轉軸35並不同步旋轉，故而多個第一發電機34與多個第二發電機36係相互獨立運作。

另一方面，第一發電機34及第二發電機36可為永磁式或齒輪式發電機。第一發電機34及第二發電機36可分別包含轉子及定子。當轉子沿著定子旋轉時，根據電磁感應原理，通過轉子之磁場和定子之繞組的相對運動，以將機械能轉變為電能。另外，機艙總成3亦可具有至少一個操作及維修空間37，供操作者或維修人員進行作業並可放置設備或工具。又，基於扇葉組5的重量與螺旋式葉片組4的重量差異，可調整第一部分31的軸向長度L3以及第二部分32的軸向長度L4，以有效達成風力發電系統1之結構平衡，例如一部分31的軸向長度L3大於第二部分32的軸向長度L4。

一般來說，如圖2及圖3所示，螺旋式葉片46經設計以先接收主要風力來源(以箭頭標示)，故其位置經配置以早於扇葉組5擷取到風力。當螺旋式葉片46先受風力而轉動時，螺旋式葉片46帶動第一轉軸44旋轉，進而帶動圖3所示之第一發電機34之轉子旋轉，以將螺旋式葉片46 受風力所產生之機械能透過多個第一發電機34的作用轉變為電能。接著，當長形葉片51藉由受風部54擷取風力而轉動時，長形葉片51驅動輪穀52旋轉，進而帶動第二發電機36之轉子旋轉，以將長形葉片51受風力所產生之機械能透過多個第二發電機36的作用轉變為電能。如此，風力發電系統1得以同時藉由軸向平行設置之螺旋式葉片組4以及扇葉組5擷取風力。

總合上述，根據本發明一實施例揭露之風力發電系統，由於螺旋式葉片組的半徑旋轉半徑小於扇葉組的半徑旋轉半徑，以使螺旋式葉片組擷取到第二扇葉組中間所無法擷取之風力，進而提升總體之風力擷取效率，進而增加風力發電系統之總發電量。

於部分實施例中，風力發電系統之機艙總成內可設有與螺旋式葉片組連接之多個第一發電機以及與扇葉組連接之多個第二發電機，當螺旋式葉片組的第一轉軸及扇葉組的輪穀旋轉時，可同時帶動多個第一發電機以及多個第二發電機發電，進而有效提升風力發電系統之發電效率。

本文中的用語「一」或「一種」係用以敘述本創作之元件及成分。此術語僅為了敘述方便及給予本創作之基本觀念。此敘述應被理解為包括一種或至少一種，且除非明顯地另有所指，表示單數時亦包括複數。於申請專利範圍中和「包含」一詞一起使用時，該用語「一」可意謂一個或超過一個。此外，本文中的用語「或」其意同「及/或」。

除非另外規定，否則諸如「上方」、「下方」、「向上」、「左邊」、「右邊」、「向下」、「本體」、「底座」、「垂直」、「水平」、「側」、「較高」、「下部」、「上部」、「上方」、「下面」等空間描述係關於圖中所展示之方向加以指示。應理解，本文中所使用之空間描述僅出於說明之目的，且 本文中所描述之結構之實際實施可以任何相對方向在空間上配置，此限制條件不會改變本發明實施例之優點。舉例來說，在一些實施例之描述中，提供「在」另一元件「上」之一元件可涵蓋前一元件直接在後一元件上(例如，與後一元件實體接觸)的狀況以及一或複數個介入元件位於前一元件與後一元件之間的狀況。

如本文中所使用，術語「大致」、「實質上」、「實質的」及「約」用以描述及考慮微小之變化。當與事件或情形結合使用時，該等術語可意指事件或情形明確發生之情況以及事件或情形極近似於發生之情況。

以上所述之實施例僅係為說明本創作之技術思想及特點，其目的在使熟習此項技藝之人士能夠瞭解本創作之內容並據以實施，當不能以之限定本創作之專利範圍，依本創作所揭示之精神所作之均等變化或修飾，仍應涵蓋在本創作之專利範圍內。

1:風力發電系統

2:塔體

3:機艙總成

4:螺旋式葉片組

5:扇葉組

42:連接件

46:螺旋式葉片

51:葉片

52:輪穀

53:支撐部

54:受風部

56:受風面

460:受風區

A:中心軸

A1:軸心

L1、L2:長度

Claims (8)

1. 一種風力發電系統，其包括：一機艙總成；一螺旋式葉片組，連接至該機艙總成；及一扇葉組，連接至該機艙總成，並包括多個長形葉片，其中該螺旋式葉片組與扇葉組相對於該機艙總成軸向相對設置，且該螺旋式扇葉組的半徑旋轉半徑小於該扇葉組的半徑旋轉半徑，其中該等葉片之各者包括一支撐部以及一受風部，該支撐部係介於該受風部以及該機艙總成之間，用以支撐該受風部，該螺旋式葉片組之半徑旋轉半徑實質上等於該支撐部之長度；其中該受風部在鄰近於該支撐部的寬度最大，並朝向遠離該支撐部之方向縮減；且其中該支撐部的一側與該受風部的一對應側對齊。
2. 如請求項1之風力發電系統，其中該螺旋式葉片組包括：一連接件，其具有一第一端以及一第二端，該第一端連接該機艙總成；一第一轉軸，其以可旋轉地設置於該機艙總成及該第二端上；及一螺旋式葉片，設置於該第一轉軸上，該螺旋式葉片經構形受風旋轉，以帶動該第一轉軸旋轉，其中該連接件包括彼此相連之一第一段及一第二段，該第一段之一端緣為該第一端，該第二段的一端緣為該第二端，且相對於該螺旋式扇葉 組的一迎風面之該第二段之厚度薄於該第一段之厚度。
3. 如請求項2之風力發電系統，其中該螺旋式葉片之半徑自距離該第一端一預定距離開始朝向該第二端縮減，以形成多個半徑漸縮之受風區。
4. 如請求項1之風力發電系統，其中該機艙總成由該塔體區分為一第一部分及一第二部分，該螺旋式葉片組位於該第一部分之端緣，而該扇葉組位於該第二部分之端緣。
5. 如請求項1之風力發電系統，其中該機艙總成更包括：多個第一發電機，依序連接該螺旋式葉片組之一第一發電轉軸；一第二發電轉軸，連接該扇葉組，並經構形以受該扇葉組之驅動而轉動；多個第二發電機，依序連接該第二發電轉軸；其中該多個第一發電機與該多個第二發電機為獨立運作。
6. 如請求項5之風力發電系統，其中該扇葉組包含一輪穀，其連接該等葉片及該第二發電轉軸，且其中該第一發電轉軸與該第二發電轉軸並不同步旋轉。
7. 如請求項1之風力發電系統，其中一中心軸係連接該螺旋式葉片組之軸心與該扇葉組之軸心分別與一中心軸重合，且該中心軸正交於該扇葉組之該多個長形葉片。
8. 如請求項1之風力發電系統，其中該螺旋式扇葉組的半徑旋轉半徑與該扇葉組之該多個長形葉片長度的比例範圍介於1：3至1：6之間。

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