TWM617596U

TWM617596U - 高效能風力發電機組

Info

Publication number: TWM617596U
Application number: TW110200953U
Authority: TW
Inventors: 李茂碷
Original assignee: 國際精工股份有限公司
Priority date: 2021-01-26
Filing date: 2021-01-26
Publication date: 2021-10-01

Abstract

本創作提出一種高效能風力發電機組，其係用於充分利用風場的微弱風力，使其可充分供給發電機的運轉驅動，致使發電效率提升的風力發電機組設計；該風力發電機透過一設置於水平臥式葉輪前方的導風板作用，使葉輪抗風面區域的風場氣流可被導引作用於葉輪受風面區域，能夠大幅增加該受風面區域的風壓與風速，使葉輪於微風環境即能帶動單側的發電機運作發電，而葉輪於強風環境下則能同時帶動雙側的發電機運作發電，俾達到風場風能利用率提升的目的。

Description

高效能風力發電機組

本創作係關於一種風力發電機組，尤指一種適用於塔型架構的高效能風力發電機組，使風場於各種風速情況下，都能持續提供發電機組運轉發電的高效風力發電機設計。

風能為地球自然生成的能量，所以風力發電廠沒有燃料成本，也不會產生廢棄物及其處理成本，是為現今各國積極發展的綠色能源之一。但是建置風力發電廠除了需要豐沛的風能(風場)與足夠的資金外，還需要注意建置地點、土地的取得、維修的便利性等，特別是風力發電機的形式。現今常見的三葉形風力發電機主要是由塔架、葉片及發電機三大部分組成，該塔架的高度依照風力機機型不同而有60m~140m的差異，而葉片的直徑同樣有著機型差異，分別有80m~126m的不同旋轉直徑。由此數據看來，單一風力發電機(無論機型大小)的運作區域需佔用甚大的面積，所以兩座相鄰的風力發電機彼此間需要保持一極大的間距，如此在運轉時才不會相互干涉，但此一結果對於風場風能的利用率而言，則無法充分利用，誠屬可惜。

再者，上述習見的風力發電機實際運作時，可推動其運轉發電的風速大致落在3m/sec~20m/sec之間，而且發電量依其風力機型不同而有所差異，若以平均風速10m/sec計算，一部中型風力機機型(例如德國Enercon風力機E-40/500 kW)僅有接近400瓩的發電量，但其造價就高達上億元。是以，以其整體的造價相較其所創造的經濟效益來看，兩者之間有著極大的落差，導致性價比低落，而且此一風力發電機無論是興建、維修或保養均非容易。

有鑑於此，本創作人基於習知風力發電機對於風場風能集收利用率尚有擴展之空間，於是提出本創作高效能風力發電機組，使風場的風能可以有效地被充分利用，增進發電效益。

本創作之主目的在提供一種高效能風力發電機組，其透過一設置於葉輪前方的導風板作用，使葉輪抗風面的風場氣流可被導引作用於葉輪受風面區域，能夠大幅增加該受風面區域的風壓與風速，使葉輪於微風環境也能帶動發電機運作發電，俾能達到風場風能利用率提升的目的。

為了達到上述目的，本創作高效能風力發電機組，其較佳技術方案包含一基座、一主架、一葉輪、一導風板及一發電機組，其中：

該基座上面用於設置該主架，且該基座上面設有一圓軌；

該主架係一框架體，其可水平轉動地設置在該基座上，該主架設有多個滾輪，該滾輪用於依循該圓軌滾動致使該主架轉動；

該葉輪係水平橫向架設於該主架上的受風轉動元件，其具有輪軸及多個葉板，該輪軸橫向水平設置在該主架上，該葉板連結該輪軸，該葉板用於受風力時轉動該輪軸；

該導風板設置在該主架上且呈斜傾狀態，該導風板斜傾的底端貼近該主架，該導風板斜傾的頂端與該輪軸的水平高度相當，該導風板的水平遮擋面積涵蓋了該葉輪的一抗風面區域；

該發電機組為由連接在該輪軸兩端的一第一發電機及一第二發電機構成，該第二發電機與該輪軸之間具有一離合驅動裝置，該離合驅動裝置用於使該第二發電機與該輪軸連接或脫離。

上述的高效能風力發電機組中，該基座上具有一轉軸，該圓軌為以該轉軸為圓心並固定在該基座上的圓形軌道。

上述的高效能風力發電機組中，該主架的框架體呈長方形，其長軸兩端側皆豎設有一軸架，其短軸一端側設有一撐架，該軸架與該撐架皆設置在該主架的同一側面；該主架的另一側面設有該滾輪。

上述的高效能風力發電機組中，該主架與該滾輪同側面處設有一支軸，該支軸連接於一程控電機，該程控電機用於驅轉該支軸與該主架。

上述的高效能風力發電機組中，該葉輪具有多個輪架，該多個輪架呈幅射狀結合在該輪軸，該多個輪架以該輪軸為中心帶動該輪軸轉動；該輪軸安裝成水平狀，其兩端可轉動地樞接在兩個該軸架；各該葉板分別結合在各該輪架上，且各該葉板依該輪軸為中心以同一方向角度排列在該輪架。

上述的高效能風力發電機組中，該葉輪一側面的外表區域劃分出一抗風面區域與一受風面區域，該抗風面區域對應該葉板的一外圓弧面，該受風面區域對應的該葉板一內圓弧面。

上述的高效能風力發電機組中，該導風板的長軸兩端分別垂直設有一側板。

上述的高效能風力發電機組中，該第一發電機及該第二發電機的入力軸端均設有一增速機構，該第一發電機及該第二發電機分別設置於該主架上，該第一發電機及該第二發電機的增速機構分別與該輪軸形成動力傳動連接。

本創作高效能風力發電機組，使該主架的支軸與基座的轉軸相軸接，該葉輪則水平橫臥在主架，同時導風板斜擋於葉輪前方，主架可透過該程控電機而連動引領葉輪、導風板及發電機組於基座上迴轉，使導風板能朝向風場的受風方向，藉此使風場的風流可經導風板作用而導引集中至葉輪，令葉輪於微風狀態下仍能順利迴轉驅動發電機組發電。

1:基座

11:轉軸

12:圓軌

2:主架

21:軸架

22:撐架

23:滾輪

24:支軸

25:程控電機

3:葉輪

31:輪架

32:輪軸

33:葉板

34:抗風面區域

35:受風面區域

4:導風板

41:側板

5:發電機組

51:第一發電機

511:增速機構

52:第二發電機

521:增速機構

522:離合驅動裝置

[圖1]為本創作高效能風力發電機組之立體外觀示意圖。

[圖2]為本創作高效能風力發電機組之局部分解立體示意圖。

[圖3]為本創作高效能風力發電機組之側視組合示意圖。

[圖4]為本創作高效能風力發電機組之葉輪分解立體示意圖。

[圖5]為本創作高效能風力發電機組之導風板集風狀態示意圖。

[圖6]為本創作高效能風力發電機組之轉向動作示意圖。

[圖7]為本創作高效能風力發電機組之轉向迎風面示意圖。

[圖8]為本創作高效能風力發電機組之較佳實施例呈塔型狀態示意圖。

茲依附圖實施例將本創作之結構特徵及其他之作用、目的詳細說明如下：參閱附圖所示，本創作高效能風力發電機組，係一種用於微弱風場的高效發電機組，其較佳的具體實施例包含有一基座1、一主架2、一葉輪3、一導風板4及發電機組5，其中：參閱圖1及圖2所示，該基座1係用於設置該主架2與葉輪 3並引導其轉向迎風面的構件，可用於單獨或層疊(如圖8所示)設置在風場處；該基座1上具有一轉軸11及一圓軌12，該轉軸11可設置在該基座1的中央，該圓軌12係以該轉軸11為圓心並固定在該基座1上的一圓形軌道；再參閱圖1及圖2所示，該主架2可轉動地設置在該基座1上，並用於提供該葉輪3及該導風板4設置定位，該主架2略呈一長方形的框架體，其長軸兩端側皆豎設有一軸架21，其短軸一端側設有一撐架22，使該軸架21與該撐架22皆設置在該主架2框架體的同一側面(上面)；而該主架2框架體的另一側面(下面)四角隅處則設有多個滾輪23，該滾輪23用於循著該圓軌12滾動；同時，該主架2與該滾輪23同側面(下面)的選定處設有一支軸24，該支軸24連接於一程控電機25，使該支軸24與該主架2被該程控電機25連結及驅動；參閱圖3及圖4所示，該葉輪3係一水平橫向設置於該軸架21上的受風轉動元件，其包括多個輪架31、一輪軸32及多個葉板33；該多個輪架31呈幅射狀結合在該輪軸32，使該多個輪架31以該輪軸32為中心帶動該輪軸32轉動；該輪軸32安裝成水平狀，其兩端可轉動地樞接在兩個該軸架21；而該葉板33為半圓狀的筒狀體或其他形狀的葉片，該多個葉板33分別結合在各該輪架31上，使各該葉板33依該輪軸32為中心而以同一方向角度排列在各該輪架31；藉此，該葉輪3單一側面的外表區域劃分出一抗風面區域34與一受風面區域35(如圖3所示)，該抗風面區域34所對應的葉板33係為圓凹弧狀的外圓弧面，而該受風面區域35所對應的葉板33係為圓凹弧狀的內圓弧面；再參閱圖1至圖3所示，該導風板4係一架設在上述該撐架22的板體，該導風板4通過該撐架22限制成斜傾的支撐狀態，該導風板4斜傾的底端貼近該主架2，該導風板4斜傾的頂端則與該輪軸32的水平高度相當，使該導風板4的遮擋面積涵蓋了該葉輪3的抗風面區域34，用以導引風場的風流向該受風面區域35(如圖5所示)，又該導風板4的長軸兩端另可垂直設有一側板41；參閱圖5所示，該發電機組5具有高效外轉永磁同步電機所構成的第一發電機51及第二發電機52，該第一發電機51及該第二發電機52的入力軸端均設有一增速機構511、521，使二發電機分別固接於該主架2的二軸架21上，使增速機構511、521與上述該葉輪3的輪軸32形成動力傳動連接；其中，該第二發電機52的增速機構521入力端可加設有一離合驅動裝置522，該離合驅動裝置522用以選擇使一部發電機(第一發電機51)單獨運作，或兩部發電機(第一發電機51及第二發電機52)同時運作；本創作該主架2的支軸24與該基座1的轉軸11相軸接，使各該滾輪23可於該基座1的圓軌12上限位運轉；該葉輪3則水平橫臥在主架2上，同時該導風板4斜擋於該葉輪3的抗風面區域34前方，該主架2可透過該程控電機25而載運該葉輪3、該導風板4在該基座1上迴轉(如圖6及圖7所示)，使該葉輪3與導風板4能朝向風場的受風方向，藉此使風場的風流可經由該導風板4作用導引集中至該葉輪3的受風面區域35(參閱圖5)達成該葉輪3在微風狀態下仍能順利迴轉以驅動發電機組5進行發電的目的。

本創作該離合驅動裝置522係用於風場的風速低於8m/s以下時，使該第二發電機52不與葉輪3的輪軸32形成動力傳動連接，使得被風力轉動的輪軸32只會帶動該第一發電機51，因此只利用單側第一發電機51發電的狀態下，其第一發電機51的機械阻力是小於風場的微風動能，即使風速低於8m/s以下還是可以使該第一發電機51進行發電；而當風場的風速高於8m/s以上時，通過該離合驅動裝置522將該第二發電機52與輪軸32動力傳動連接，使集風受力轉動的輪軸32可同時帶動該第一發電機51與第二發電機52，此時風場的受風動能係超出單一第一發電機51的電機負載，因此該離合驅動裝置522將第二發電機52的機械阻力予以併合，使風場的受風動能可均分至該第一發電機51及第二發電機52來轉換成電能，因此本創作均可有效的將不同風速的動能轉換成電能，不因發電機組5的機械阻力而虛耗了風場的微風動能。

本創作的發電效率，請參考下示實測參數表所示的實測參數表，在風場的風速處於8m/s以下的4級風速環境時，經該導風板4集風作用至受風面區域35可使該葉輪3產生75rpm的轉速，再透過該增速機構511作用於該第一發電機51來發電，因此該第一發電機51進行的發電功率約可落在2.2瓩之內；在風場的風速處於8m/s以上的7級風速環境時，該離合驅動裝置522使該第二發電機52與該葉輪3的輪軸32形成動力傳動連接，集風受力轉動的該輪軸32會同時作用於該第一發電機51與該第二發電機52，而且產生至多163rpm的轉速，此時其發電效率約可落在4.8瓩之內。

<實測參數表>

本創作依上述構件所組成的高效能風力發電機組，其較佳的實施應用方式，係將複數個風力發電機組5以直立塔形的架構分層堆疊應用(參閱圖8所示)，因此能在風場更密集地設置許多發電機組5，如單一直立塔的層數設定在20層，則此塔在平均風速10m/s的條件下，最大發電效率約可達60瓩，因此比照傳統掃略直徑為126m的直立塔架風力發電機在平均風速10m/s的條件下，本創作的直立塔形僅只要7座，就可以使發電量超越上億造價的風力發電機的400瓩發電量，達到420瓩發電量，達到風場土地利用率極佳的功效。

本創作上述該圓軌12較佳實施例係為C字形鋼構結構或工字形鋼構結構，使該滾輪23得於其頂端面支撐滾動。而且為了使整體發電塔更具有平穩支撐性，本創作可於各滾輪23的外側端或內側端增設一個或一個以上的輔助輪，使輔助輪壓觸於輪軌的其他面向，使發電塔的穩固性增加。

上述該導風板4長軸兩端所垂設的側板41，主要係將作用於該導風板4板面上的集引氣流予以遮擋不至從端部溢漏，能較大的集收氣流來完整作用於受風面區域35的葉板33上，因此其較佳的實施方式，亦可將側板41於接近葉輪3一側的頂端，適當的向上延伸至受風面區域35等高處(如圖3及圖5所示)，如此可更佳的將風場的氣流完全運用而獲得較高的發電效率。

一併參閱圖3、圖6及圖7所示，本創作高效能風力發電機組可透過外部量測風向的訊號來傳訊給上述該程控電機25，使該程控電機25能依風向資訊而連結驅動該支軸24轉動，使該主架2能架設著葉輪3、導風板4及發電機組5一併同步的以支軸24為圓心轉動，該主架2底部的滾輪23則壓循著圓軌12支撐了整體的重量，藉此使該導風板4可順利迎著風面來將氣流導引集中發電。

又，本創作發電塔係採以直立搭建的塔體(如圖8所示)作為結構主體，而且各風力發電機組5都安裝在發電塔之中運作，不需額外預留運轉作用的腹地，不似習知的三葉形風力發電機必須保留其葉片運轉的空間，因此能在風場更密集地設置許多發電塔，達到風場土地利用率極佳的功效。

綜上所述，本創作高效能風力發電機組，已確實使風場風能的可利用率能充分運用，使整體發電產能增進無訛，且功效與設計目的誠然符合，已稱合理進步至明。為此，依法提出新型專利申請，惟懇請鈞局惠予詳審，並賜准專利為禱，至感德便。