TWI712736B

TWI712736B - 風力發電系統

Info

Publication number: TWI712736B
Application number: TW108118954A
Authority: TW
Inventors: 尹衍樑; 黃俊儒
Original assignee: 潤弘精密工程事業股份有限公司
Priority date: 2019-05-31
Filing date: 2019-05-31
Publication date: 2020-12-11
Also published as: TW202045813A

Abstract

本發明係關於一種風力發電系統，其包括一塔體、一機艙總成、一扇葉組以及複數個避雷機構。機艙總成設置於塔體上。扇葉組連接至機艙總成，並包括複數個葉片。複數個避雷機構分別對應於葉片，避雷機構之每一包括一引電件、一導電環組以及一導引線組。引電件設置於對應之葉片之一外端緣。導電環組包含一外導電環及一內導電環，內導電環設置於外導電環內並相隔一預定間隙，外導電環與內導電環彼此絕緣，外導電環及內導電環之一者連接引電件。導引線組之一端連接外導電環及內導電環之另一者，導引線組的另一端為一接地端。

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。

依照風力發電設置廠址來分類，可分為陸上和離岸(海上)風力發電系統。顧名思義，陸上風力發電系統即設置於地面上，而離案風力發電系統即設置於海上，以將海風轉變為可用之電能。

然而，不論是設置在陸上或是海上，風力發電系統由於須要接收風源，往往是風力發電系統周遭最高之建築物，故容易受到雷擊。因此，若沒有適當的避雷設備，雷電將會造成風力發電系統的破壞之問題。

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，其具有一避雷機構可以導引雷電，以避免雷電所造成不預期之破壞。本發明一實施例提供一種風力發電系統，其包括一塔體、一機艙總成、一扇葉組以及複數個避雷機構。機艙總成設置於塔體上。扇葉組連接至機艙總成，並包括複數個葉片。複數個避雷機構分別對應於葉片，避雷機構之每一包括一引電件、一導電環組以及一導引線組。引電件設置於對應之葉片之一外端緣。導電環組包含一外導電環及一內導電環，內導電環設置於外導電環內並相隔一預定間隙，外導電環與內導電環彼此絕緣，外導電環及內導電環之一者連接引電件。導引線組之一端連接外導電環及內導電環之另一者，導引線組的另一端為一接地端。

本發明另一實施例提供一種風力發電系統，其包括一塔體、一機艙總成、一扇葉組以及一避雷機構。機艙總成設置於塔體上。扇葉組包括一輪穀以及複數個葉片，葉片之各者之一內端緣分別連接輪穀。避雷機構包括一引電針塔及一導引線組。引電針塔設置於機艙總成上，且引電針塔之長度大於葉片之長度。導引線組之一端連接引電針塔，導引線組之至少一部分設置於機艙總成及塔體內，導引線組的另一端為一接地端。

1、1a、1b、1c:風力發電系統

2:塔體

3:機艙總成

4:扇葉組

5:避雷機構

6:避雷機構

21:接地端

31、31a、31b:發電機

32:定轉子組

33:轉子

34:定子

36、36a、36b、36c:定子單元

38:轉子單元

41:葉片

42:輪穀

44:轉軸

51:引電件

52:導電環組

53:導引線組

54:導線

60:引電針塔

62:導引線組

410:內端緣

411:外端緣

412:外殼

414:可轉動機構

520:外導電環

522:內導電環

530:第一端

532:第二端

A:軸心

G1、G2:空氣間隙

L1、L2:長度

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之風力發電系統之發電機組之示意圖。

圖3係為圖1之風力發電系統之局部立體透視示意圖。

圖4係為根據本發明另一實施例之風力發電系統之局部立體透視示意圖。

圖5係為圖4之風力發電系統之局部側視剖切示意圖。

圖6係為圖5之風力發電系統沿著6-6線之剖切示意圖。

圖7係為根據本發明又一實施例之風力發電系統之示意圖。

圖8係為根據本發明又一實施例之風力發電系統之立體示意圖。

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，其為根據本發明一實施例之風力發電系統1之立體示意圖。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、一扇葉組4以及複數個避雷機構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。當設置於水中時，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作為風力發電系統1整體支撐，其內具有線路，以將產生之電能傳送至特定之變電站。塔體2之底部可具有一接地端21。當塔體2設置於陸地上時，接地端21係耦接於地面；當塔體2設置於海上時，接地端21可耦接至海底基礎或基樁。

請同時參照圖1及圖2，其中圖2係為圖1之風力發電系統之發電機組之示意圖。圖1之機艙總成3可包括一發電機31，其設置於機艙總成3中。發電機31可為永磁式或是齒輪式發電機。發電機31包括一定轉子組32，其包含轉子33及定子34。當轉子33沿著定子34旋轉時，根據電磁感應原理，通過轉子33之磁場和定子34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亦可具有一或多個容置空間(未繪示)，供操作者或維修人員進行作業並可放置設備或工具。

請參照圖1及圖3，其中圖3係為圖1之風力發電系統之局部立體透視示意圖。扇葉組4連接至機艙總成3之一端，且扇葉組4包括複數個葉片41及一輪穀42。一般來說，葉片41的數量為三，但其數量非用以限定本發明。以圖3下方之葉片41為例，葉片41之一內端緣410可穿設至輪穀42內，以使三個內端緣410分別連接至輪穀42，而輪穀42以可旋轉的方式耦合至機艙總成3並連接發電機31之轉子33。當葉片41受風力而轉動時，葉片41帶動輪穀42旋轉，進而帶動圖2所示之發電機31之轉子33旋轉，以將葉片41受風力所產生之機械能透過發電機31之定轉子組32的作用轉變為電能。

詳細來說，葉片41之各者包括一外殼412及一可轉動機構414。可轉動機構414設置於外殼412內，且可轉動機構414具有一軸心A。可轉動機構414係以該軸心A為中心可轉動，且外殼412的形狀(如圖1所示)經設計而使風在特定角度的範圍內，有利葉片41之轉動。另外，當風勢過強時，為了風力發電系統1之安全性，須停止葉片41之轉動。此時，可轉動機構414亦可轉動外殼412，進而調整葉片41方向，使葉片41之受風面較不易受風而轉動，以利於葉片41之靜止。

如圖1及圖3所示，複數個避雷機構5(在本實施例為三組)分別對應於葉片41。詳細來說，避雷機構5之各者包括一引電件51、一導電環組52(請參考圖3)以及一導引線組53。引電件51設置於對應之葉片41之一外端緣411，其可具有一尖端，以利於吸引雷擊。在本實施例中，導電環組52設置於輪穀42內，且位於葉片41之內側端410。詳細來說，導電環組52包含一外導電環520及一內導電環522，內導電環522設置於外導電環520內緣並且兩者相隔一預定之空氣間隙G1，以使外導電環520與內導電環522彼此電性絕緣。更詳細來說，外導電環520及內導電環522均為環形，外導電環520環繞於內導電環522外。在本實施例中，外導電環520及內導電環522之間的預定之空氣間隙G1的範圍在1公釐(mm)至24公釐(mm)之間，外導電環520及內導電環522的材質皆為銅。在本發明中，外導電環520及內導電環522之一者連接引電件51。此外，在本實施例中，避雷機構5更包括複數個導線54，導線54之一端分別連接至對應之引電件51，導線54之另一端分別連接對應之外導電環520。故在本實施例中，外導電環520係藉由導線54而電性連接引電件51。此外，導引線組53具有相對之一第一端530及一第二端532，第一端530連接外導電環520及內導電環522之另一者，而第二端532為一接地端。在本實施例中，導引線組之第一端530係為連接內導電環522。更詳細來說，第一端530係可位於輪穀42內而連接內導電環522，導引線組53再自輪穀42而穿過機艙總成3及塔體2，使第二端532可連接位於塔體2底端之接地端21。在本實施例中，三組避雷機構5之三個第二端532可彼此連接而共同導引電流至接地。

在其他未繪示之實施例中，引電件51可藉由導線54連接於內導電環522，引線組53之第一端530連接外導電環520。

藉由上述圖1至3實施例之結構配置，當風力發電系統1運轉並遭遇雷擊時，雷電往往會打至風力發電系統1之最高點或端點，即葉片41之一者之外端緣411上的引電件51。接著，雷電所產生的電流會經由引電件51及導線54引導至導電環組52之外導電環520。藉由電暈放電(Corona Current Discharge)原理，電流會越過外導電環520及內導電環522之間的空氣間隙G1，以自外導電環520跳電至內導電環522。接著，內導電環522的電流會傳遞至導引線組53，再經由導引線組53傳遞至塔體2底端之接地端21。是以，風力發電系統1遭受雷擊所產生的電流會藉由電暈放電原理並經由上述路徑傳遞至接地端21，進而釋放電力。如此即可避免風力發電系統1因雷擊而遭受損壞。

請參照圖4至6，其中圖4係為根據本發明另一實施例之風力發電系統1a之局部立體透視示意圖，圖5係為圖4之風力發電系統1a之局部側視剖切示意圖，而圖6為圖5之風力發電系統1a沿著6-6線之剖切示意圖。圖4至6所示之實施例與圖1至3所示之實施例類似，其主要差異之處在於本實施例之導電環組52並未設置於輪穀42中，而是設置於葉片41內之容置空間中。詳細來說，外導電環520位於葉片41之外殼412內側，且可貼附於外殼412之內表面，內導電環522可環繞於位於可轉動機構414之外側，且外導電環520及內導電環522可與外殼412以及可轉動機構414絕緣。再者，在本實施例中，如圖5所示，外導電環520藉由導線54連接引電件51，內導電環522連接導引線組53。如圖6所示，外導電環520及內導電環522之間具有一預定間隙G2，其範圍在1公釐至24公釐之間。

在其他未繪示之實施例中，引電件51可藉由導線54連接於外導電環520，引線組53之第一端530連接內導電環522。

藉由上述圖4至6實施例之結構配置，當風力發電系統1a運轉並遭遇雷擊時，雷電所產生的電流會經由引電件51及導線54引導至導電環組52之內導電環522。藉由電暈放電(Corona Current Discharge)原理，電流會越過內導電環522及外導電環520之間的空氣間隙G2，以自內導電環522跳電至外導電環520。接著，外導電環520的電流會傳遞至導引線組53，再經由導引線組53傳遞至如圖1所示之塔體2底端之接地端21。是以，上述的配置亦可避免風力發電系統1a因雷擊而遭受損壞。

以下係關於一種本案改變扇葉組4轉速之結構及方式。請參照圖2。在本實施例中，發電機31為一可變極數之發電機31。其中，定子34包括多個定子單元36、36a、36b、36c等，而轉子33可包括多個轉子單元38。在本實施例中，定子單元36、36a、36b、36c等的數目為24個，而轉子單元38的數目為36個，但上述之數目非用以限定本發明。在本發明中，風力發電系統1可調整定子單元36所形成極數的數目，以改變扇葉組4之轉速。即，可自動或人工調整定子單元36為N極或S極，以形成單一磁極。若一定子單元36的磁極與相鄰定子單元36的磁極相同時，即可視為單一磁極。舉例來說，當定子單元36、36a、36b、36c的磁極分別為N、S、N、S時，則前述四個定子單元的極數為四；當定子單元36、36a、36b、36c的磁極分別為N、N、S、S時，則前述四個定子單元36、36a、36b、36c的極數為二；當定子單元36、36a、36b、36c的磁極皆為N或皆為S時，則前述四個定子單元36、36a、36b、36c的極數為一。

根據本發明一實施例之可變極數之發電機31，在維持一發電頻率的情況下，當風速在一第一區間時，調整可變極數發電機31之極數的數目為一第一值，進而調整扇葉組4之轉速至一第一速度；在維持發電頻率下，當風速在一第二區間時，調整可變極數之發電機31之極數的數目為一第二值，進而調整該扇葉組4之轉速至一第二速度。其中，第一區間可小於第二區間時，第一值可大於第二值，第一速度可小於第二速度。

詳細來說，根據電力頻率x60/極對數(極對數=極數/2)=每分鐘轉速之公式，且設定電力頻率為60赫茲(Hz)時，可導出下列轉速之對照圖。

當風速不強時，例如風速為2至8m/s，可調高極數，以維持一低轉速，例如120rpm。當風速增加至一區間時，例如8至16m/s，可降低極數，以提高轉速，例如180rpm。風速增加至另一區間時，例如16至25m/s，為了維持相同之轉速，維持供電穩定，除了維持極數外，亦可調整葉片41之傾斜角，以降低風力促使葉片41之轉動。當風力過大時，例如風速大於25m/s，可藉由關閉發電機31以及其他煞車停止系統，強迫葉片41停止轉動，以避免風力發電系統1之損壞。是以，根據上述調整可變極數發電機31極數之方式，可主動地調整轉速，進而維持發電的穩定，並進一步避免風力發電系統1之故障。

圖7係為根據本發明又一實施例之風力發電系統1b之發電機組之示意圖。如圖7所示，機艙總成內可設置多個發電機31、31a、31b，例如三個，並由輪穀(未繪示)所連接之一轉軸44係穿設於發電機31、31a、31b中，以形成一發電機組。故當葉片41因風受力而驅動轉軸44旋轉時，即可同時帶動發電機31、31a、31b之轉子旋轉，進而同時帶動多個發電機31、31a、31b發電。

圖8係為根據本發明又一實施例之風力發電系統1c之立體示意圖。如圖8所示，本發明另一實施例提供一種風力發電系統1c，其包括一塔體2、一機艙總成3、一扇葉組4以及一避雷機構6。機艙總成3設置於塔體2上。扇葉組4包括一輪穀42以及複數個葉片41，葉片41之各者之一內端緣410分別連接輪穀42。避雷機構6包括一引電針塔60及一導引線組62。引電針塔60設置於機艙總成3上，且引電針塔60之長度L1大於葉片41之各者之長度L2。導引線組53之一端連接引電針塔60，導引線組53之至少一部分設置於機艙總成3及塔體2內，導引線組53的另一端為一接地端。

更詳細來說，引電針塔60以連接機艙總成3之一端為圓心，以引電針塔60之長度L1為一虛擬旋轉半徑，引電針塔60之虛擬旋轉半徑涵蓋離岸風力發電系統1c之機艙總成3以上之部分。是以，由於引電針塔60之虛擬旋轉半徑涵蓋了風力發電系統1c，雷電會直接打至風力發電系統1c之引電針塔，電流會經由導引線組62引導至接地端，以避免雷擊造成風力發電系統1c之損壞。

總合上述，根據本發明一實施例揭露之風力發電系統，雷擊所產生的電流會藉由導電環組中電暈放電原理而傳遞至接地端，進而釋放電力。於另一實施例中，可設置一引電針塔於機艙總成上，以涵蓋風力發電系統之頂部，如此，藉由上述之結構，可就藉由避雷機構之設置而避免風力發電系統因雷擊遭受損壞。

於一實施例中，可調整可變極數發電機之極數，以主動調整扇葉組之轉速，進而維持風力發電系統之發電穩定性。於一實施例中，當機艙總成內設有多個發電機時，當輪穀旋轉時，可同時帶動多個發電機發電，進而有效提升發電之效率。

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