TWI765628B

TWI765628B - 風機的偏航控速系統

Info

Publication number: TWI765628B
Application number: TW110111343A
Authority: TW
Inventors: 胡龍江
Original assignee: 胡龍江
Priority date: 2021-03-29
Filing date: 2021-03-29
Publication date: 2022-05-21
Also published as: TW202237974A

Abstract

一種風機的偏航控速系統包含一感測單元、一偏航單元、一調整單元，及一中控單元。該感測單元包括一適用於量測並輸出一相關於一個在一轉動平面上轉動的扇葉組之一轉速量測值的轉動感測器。該偏航單元適用於控制該扇葉組旋轉以調整一轉動平面與風向的夾角。該調整單元用於輸出一中心轉速值。該中控單元判斷該轉速量測值是否符合一相關於該中心轉速值的轉速條件。藉此，在居民休息時段時，能透過該中控單元控制該偏航馬達藉以控制該機架旋轉，而使該扇葉組轉速符合該相關於中心轉速值的轉速條件，達到降低噪音的功效。

Description

風機的偏航控速系統

本發明是有關於一種保護風機的系統，特別是指一種風機的偏航控速系統。

習知的一種風力發電機之避風減速方法及裝置，主要包含一風向風速儀、一處理器、及一耦合於該處理器的轉向控制器。當該風向風速儀所測得的風速大於安全風速時，該處理器接收來自該風向風速儀的風向和風速訊號計算出該風力發電機之機架的應偏轉角度，並將該應偏轉角度轉換為一偏轉角度訊號發送至該轉向控制器，使該轉向控制器控至該機架旋轉該應偏轉角度。藉此，使發電機之風扇的旋轉平面與風向呈平行，使風扇無法擷取風能，以避免風扇受過強風力而失速旋轉甚至斷裂。

前述的風力發電機確實可以達成的功效，但是，當風向風速儀所測得的風速小於安全風速時，無法作動，此外，當前述的風力發電機設置鄰近於住宅區時，其產生的噪音會影響居民的生活品質，造成附近居民的困擾。

此外，前述的風力發電機是透過量測風速作為判斷轉向的依據，但是風速的數值或方向的變化會因為該扇葉組的慣性(質量大)，而不會即時反應在該扇葉組的轉速，因此，前述避風減速方法有其改善的地方。

因此，本發明之目的，即在提供一種能降低噪音的風機的偏航控速系統。

於是，本發明風機的偏航控速系統，該風機還包括一機架、一設置於該機架且可受風驅動而在一轉動平面上轉動的扇葉組，及一連接該扇葉組並用於將扇葉組的機械能轉為電能的發電組，該風機的偏航控速系統包含一感測單元、一偏航單元、一調整單元，及一中控單元。

該感測單元包括一轉動感測器，該轉動感測器適用於量測並輸出一相關於該扇葉組之一轉速量測值的轉動訊號。

該偏航單元適用於控制該扇葉組旋轉以調整該轉動平面與風向的夾角。

該調整單元包括一轉速調整組，用於輸出一具有一中心轉速值的轉速限制訊號。

該中控單元訊號連接於該感測單元、該偏航單元與該調整單元，接收該轉動訊號與該轉速限制訊號，判斷該轉速量測值是否符合一相關於該中心轉速值的轉速條件，並控制該偏航單元使該扇葉組旋轉，以調整該轉動平面與風向的夾角增加或減少，而使該扇葉組的轉速量測值符合該轉速條件。

本發明之功效在於：透過設置該轉速調整組、該偏航馬達與該中控單元，使得在特定時段時，例如：居民晚上休息、假日時，能透過該中控單元控制該偏航馬達藉以控制該機架旋轉，而使該扇葉組轉速符合該相關於中心轉速值的轉速條件，達到降低噪音的功效。此外，由於本發明是直接量測該扇葉組的轉速，因此，不會受風速不會即時反應於該扇葉組之轉速的影響。

1:機架

11:容置空間

2:扇葉組

3:發電組

4:偏航控速系統

5:感測單元

51:風速感測器

52:角度感測器

53:轉動感測器

54:功率感測器

6:偏航單元

61:偏航馬達

611:驅動軸

7:調整單元

71:轉速調整組

711:旋鈕

72:功率調整組

8:中控單元

s1:風向訊號

s2:角度訊號

s3:轉速訊號

s4:功率訊號

s5:轉速限制訊號

s6:功率限制訊號

s7:第一偏航訊號

s8:第二偏航訊號

s9:第三偏航訊號

ω₁:轉速值

ω₂:轉速值

ω_p:轉速值

ω_n:轉速值

本發明之其他的特徵及功效，將於參照圖式的實施方式中清楚地呈現，其中：圖1是一立體示意圖，說明本發明風機的偏航控速系統的一個實施例；圖2是該實施例的訊號方塊示意圖；圖3、圖4皆是該實施例與風向的立體示意圖；及圖5是風速、額定功率與轉速的示意圖。

參閱圖1，本發明風機的偏航控速系統4的實施例，該風機還包括一界定出一容置空間11的機架1、一設置於該機架1且可受風驅動而在一轉動平面上轉動的扇葉組2，及一連接該扇葉組2並用於將扇葉組2的機械能轉為電能的發電組3。

該實施例包含一感測單元5、一偏航單元6、一調整單元7，及一中控單元8。

該感測單元5包括一設置於該機架1的一風速感測器51、一角度感測器52，及設置於該機架1之容置空間11的一轉動感測器53與一功率感測器54。

該風速感測器51用於量測並輸出一相關於風的一風向量測值與一風速量測值的風向訊號s1。在本實施例中，該風速感測器51是風向風速儀。

該角度感測器52適用於量測並輸出一相關於該扇葉組之一轉動角度的角度訊號s2。

該轉動感測器53適用於量測並輸出一相關於該扇葉組2之一轉速量測值的轉速訊號s3。該轉動感測器53適用於量測該扇葉組2之轉速，並將所量測的該扇葉組2之轉速輸出為該轉動量測值。

該功率感測器54適用於量測並輸出一相關於該發電組3之一發電功率量測值的功率訊號s4。該功率感測器54適用於量測該發電組3之發電功率，並將所量測的該發電組3之發電功率輸出為該發電功率量測值。

該偏航單元6包括一適用於設置在該機架1之容置空間11的偏航馬達61，該偏航馬達61具有一適用於連接於該機架1且沿垂直於該轉動平面之法向量的一軸線方向延伸的驅動軸611，並適用於控制機架1旋轉。

該調整單元7包括一轉速調整組71，及一功率調整組72。

該轉速調整組71內存有不同的數個中心轉速值ω，並用於被操作而輸出一具有其中一該中心轉速值ω的轉速限制訊號s5。

在本實施例中，該轉速調整組71別具有數可被旋轉地操作的旋鈕711，每一旋鈕711預設有該等不同的中心轉速值ω，藉此，用以被使用者操作而輸出具有該中心轉速值的轉速限制訊號。在本實施例的其他態樣中，該轉速調整組71也可以分別僅具有一個該旋鈕711。在本實施例的另一態樣中，後述之中控單元8可以根據不同時間讀取對應之時間的該中心轉速值，例如，晚上10點讀取對應晚上10點的中心轉速值(較小，以符合降噪的功效)，早上10點讀取對應早上10點的中心轉速值(較大，能增強發電的效率)。

該功率調整組72內存有不同的數個中心功率值，並用於被操作而輸出一相關於額定功率的功率限制訊號s6。

該中控單元8訊號連接於該感測單元5、該偏航單元6與該調整單元7，並可以下列方式達到偏航控速的效果。

一、轉速控制手段(功效：降噪)

該中控單元8經一轉速存取時間存取來自該轉動感測器53之該轉動訊號s3的該轉動量測值接收該轉速訊號s3與該轉速限制訊號s5，並儲存有一該轉速存取時間對應一轉速區間的轉速數據表，並根據該中心轉速值、該轉速存取時間與該轉速數據表得出一轉速範圍，以及判斷該轉速量測值是否符合一相關於該中心轉速值的轉速條件。

該轉速限制條件為該轉速量測值是否位於該轉速範圍內，該轉速範圍為(ω-△ω)~(ω+△ω)，ω為該中心轉速值，△ω為一轉速區間。進一步說明的是，該轉速量測值位於該轉速範圍內包括等於範圍兩端點之情形。

該轉速存取時間對應該轉速區間的轉速數據表示例如下(假設該中心轉速值ω為180rpm，其中rpm為Revolution Per Minute的縮寫)：

例如，當該轉速存取時間為1秒時，根據上表，可以得到轉速區間為1rpm，而中心轉速值為180rpm，因此，該轉速範圍為179rpm~181rpm。

該轉速區間△ω是介於1rpm~10rpm，該轉速存取時間介於1秒~10秒。

值得說明的是，當該轉速存取時間越長，可以防止該機架1旋轉過於頻繁，但有可能因為瞬間暴風無法量測，造成該機架1無法即時旋轉，而受暴風吹毀，因此，透過設置該轉速範圍，除了可以設置較短的預定時間以偵測瞬間暴風外，更可以防止該機架1旋轉過於頻繁。

在該轉速量測值不符合該轉速條件時，該中控單元8接收該角度訊號s2與該風向訊號s1，並根據該轉動角度與該風向量測值，控制該偏航單元6使該扇葉組2沿一第一旋轉方向或相反於該第一旋轉方向的一第二旋轉方向旋轉，而使該扇葉組2的轉速量測值符合該轉速條件。

更進一步的，當該轉速量測值大於(ω+△ω)時，該中控單元8輸出一第一偏航訊號s7至該偏航單元6，控制該偏航單元6使該扇葉組2沿一第一旋轉方向旋轉，至該轉速量測值位於該轉速範圍內，當該轉速量測值小於(ω-△ω)時，該中控單元8輸出一第二偏航訊號s8至該偏航單元6，控制該偏航單元6使該扇葉組2沿相反於該第一旋轉方向的一第二旋轉方向旋轉，至該轉速量測值位於該轉速範圍內。

進一步說明的是，請參照圖5，例如，當風速為12m/s時，其中，圖上的ω_n為前述的(ω+△ω)，ω₂為當前風速中功率之最大極值點所對應的轉速，當該轉速量測值大於ω_n時，該中控單元8會控制使該扇葉組2旋轉，使該轉速量測值至少小於該ω_n。值得注意的是，由於功率與轉速並非成正比，由圖可以看出，當該轉速量測值由ω₂降為ω_n時，其功率幾乎沒有下降，即使轉速量測值降至一半ω_2-，其功率也不會下降太多，意即，透過本手段使該扇葉組2的轉速降低，不僅可以達到降低噪音值的功效，仍不會犧牲發電功率。

二、暴風防護手段(功效：保護機組零件)

該中控單元8接收該風向訊號s1，並判斷該風速量測值是否符合一暴風防護條件，當該風速量測值符合該暴風防護條件時，該中控單元8輸出一第三偏航訊號s9至該偏航馬達61，使該偏航馬達61適用於控制該機架1沿該第一旋轉方向(或第二旋轉方向)旋轉，以使該轉動平面與風的風向垂直。

該暴風防護條件為該風速量測值大於18m/s或25m/s。

三、停機保護手段(功效：保護機組零件)

該中控單元8接收該風向訊號s1，並判斷該風速量測值是否符合一停機防護條件。該停機防護條件為該風速量測值大於35m/s。當該風速量測值符合該停機防護條件時，該中控單元8輸控制一煞車模組(圖未示)，以讓該煞車模組使該發電組3停機。由於本領域中具有通常知識者根據以上說明可以推知發電組3停機的擴充細節，因此不多加說明。

更進一步說明的是，當該發電組3停機，或是電力因外在因素中斷時，可以透過UPS(Uninterruptible Power system)、或是小型的發電機提供必要元件電力，而能達到前述的偏航控速效果。

本實施的另一變化態樣，除了使用前述的一~三手段外，還包括一個四、功率控制手段。

該中控單元8經一功率存取時間存取來自該功率感測器54之該功率訊號s4的該功率量測值，與接收該功率訊號s4與該功率限制訊號s5，並判斷該功率量測值是否符合該功率條件。

該功率條件為該功率量測值是否小於一額定功率值Pn。

在該功率量測值不符合該功率條件時，該中控單元8接收該角度訊號s2與該風向訊號s1，並根據該轉動角度與該風向量測值，控制該偏航單元6使該扇葉組2沿一第一旋轉方向或相反於該第一旋轉方向的一第二旋轉方向旋轉，以調整該轉動平面與風向的夾角增加或減少，而使該發電組3的功率量測值符合該功率條件。

更進一步的，當該發電功率量測值大於額定功率值Pn(不符合該功率條件)時，該中控單元8輸出該第一偏航訊號s7至該偏航單元6，控制該偏航單元6使該扇葉組2沿該第一旋轉方向或該第二旋轉方向旋轉，至該發電功率量測值符合該功率條件。

進一步說明的是，請參考圖5，其中，ω_p是額定功率Pn所對應的轉速。在圖5中，即使設有該轉速防護的轉速上限值ω_n時，該發電組3的發電功率可能會超過額定功率Pn上限值而造成零件磨耗，例如：在風速13~25m/s時，當該轉速量測值並未超過轉速上限值ω_n但其所發電的功率已經超過ω_n時(也就是該轉速量測值介於ω_n與ω_p之間，由於該轉速量測值未超過ω_n，無法觸發轉速防護手段而降低轉速，造成機組零件容易毀損。因此，本態樣還另提供功率防護手段，藉此，透過設置功率防護手段可以在達到前述降噪的功效外，還能達到保護該風機之零組件的功效。

值得注意的是，本發明的目的在於降躁，而功率控制手段的目的在於，只有當功率量測值超過額定功率時(即未符合該功率條件時)，才會觸發功率控制手段，而轉速量測值大於ω+△ω時，觸發轉速控制手段。也就是說，在符合該轉速條件與符合該功率條件下，即使轉速大於ω_p，也不會觸發功率控制手段。例如：當風速在5m/s時，當轉速量測值在ω_p與ω_n間時，因為符合該轉速條件(小於ω_n)，且功率小於額定功率Pn，因此，不會觸發轉速控制手段或該功率控制手段。以下將各情形列於下表，定義該額定功率值所對應的轉速值為ω_P，定義轉速量測值為ω_t。

經由以上的說明，可將前述實施例的優點歸納如下：

1.透過設置該轉速調整組71、該偏航馬達61與該中控單元8，使得在特定時段時，例如：居民晚上休息、假日時，能透過該轉速調整組71改變輸出至該中控單元8中之該轉速限制訊號s5的該中心轉速值，且透過該中控單元8輸出透過該偏航馬達61控制該機架1旋轉，而使該扇葉組2轉速符合該相關於中心轉速值的轉速條件，藉此達到降低噪音的功效。此外，由於本發明是直接量測該扇葉組2的轉速，因此，不會受風速不會即時反應於該扇葉組2之轉速的影響。

2.透過設置功率防護手段可以在達到前述降噪的功效外，還能達到保護該風機之零組件的功效。

3.透過該中控單元8根據該中心轉速值、該轉速存取時間與該轉速數據表得出該轉速範圍，藉此，能防止該機架1旋轉過於頻繁，此外，如搭配合適的預定時間，更可以達到偵測瞬間暴風而能即時反應的功效。

惟以上所述者，僅為本發明之實施例而已，當不能以此限定本發明實施之範圍，凡是依本發明申請專利範圍及專利說明書內容所作之簡單的等效變化與修飾，皆仍屬本發明專利涵蓋之範圍內。