CN100462558C - 小型风力超电容储能应用***及其用途 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种小型风力超级电容储能应用***及其用途，突破以往仅能在大风力发电的局限，其涉及小风速之风力发电与超级电容储能技术领域。利用瞬间功率型的超级电容器的低内阻与高电容量特性储能，将无法利用小电能累积成大能量，以瞬间功率型的超级电容器配合二次电池与能量释放超级电容储存电能。并针对不同负载的能量需求提出两种电能使用方式，对高电能消耗的机械负载提出能量二次累积的架构。本发明还提出本***三种能源运作方式，以单独、并网与多源电力方式运作。本发明可应用于LED交通警示灯、LED夜灯照明、气象监控设备、侦测仪电力、讯号传递、个人海水淡化机、求救发报器、定位发报器、小电力机械与非连续电力机械设备。

Description

小型风力超电容储能应用***及其用途

技术领域

本发明揭示一种小型风力超级电容储能应用***及其用途，突破以往仅能在大风力发电的局限，其涉及小风速之风力发电与超级电容储能技术领域。

背景技术

所有再生能源中最具经济价值的是风力发电，其次为是太阳能。风力发电的优点是(1)风力是洁净的再生能源，无任何的燃料污染(2)无二氧化碳温室效应气体产生(3)建设周期短(4)装机规模灵活(5)可靠度高(6)造价低(7)运行维护简单。在风力强而稳定的地区，风力发电大约是每千瓦小时0.04~0.06美元，与煤、天然气与核能电厂相差不大(在每千瓦小时0.03~0.10美元之间)，但完全无污染。尤其在东京议定书之后，各国对温室效应气体的重视使风力发电变为能源最重要的方式。

风力发电机是利用风力机将风能转换为机械能，再将机械能转换为电能，依目前的技术，每秒大约3公尺的微风速度，便可以开始发电。风力发电机组依据发电功率可区分为小型、中型、及大型三类，小型风力发电机一般定义为发电量低于10KW者，其叶片半径约7m以下，由于此类型风机发电量低，因此除了提供市电之外，亦可转换为直流电，以蓄电池储存。发电量达10KW至100KW者为中型，超过100KW者为大型，其叶片直径超过100m，塔架高度也超过100m。

目前所公知的风力发电技述，虽然已渐趋成熟。却存在着许多的缺限与限制：

(一)小风力无法利用：目前风力发电机虽然理论上3m/s风力就能发电，但由于风力机组设计为求经济发电效率，启动约在4～6m/s，对于一般小风力是无法利用。

(二)设置普遍性不足：风力发电为求较大风力，大都集中于海滨或山谷之间。其设置普遍性不足，地理的局限性大。

(三)小尺寸风力发电机电能产生少：一般风力发电机风叶尺寸动辄数公尺，不适合小电力设备。而缩小尺寸的风力发电机，只能产生小电力，不利电力设备运行。

(四)微小型功率风力发电无储能器：目前小功率风力发电最少都有数十瓦(w)，但尺寸仍然太大。微小型功率风力发电其发电量小，现有充电电池内阻过大，很难储存小电能，致使无从利用。

由于上述的缺失，必须寻求微小功率风力发电机储能机制，才能应用小风力电能。本发明正是公开一种风力小功率电能的储能机制，其内关键是置入一种瞬间功率型超级电容器作为小电能的储存器，解决长久以来小风力电能的储存问题。此外利用瞬间功率型超级电容器作为升压能量再累积器，将原本小电能转变成高电压与高电流的电能，驱动各种负载。最后，此应用***可并联各种电力来源组成复合式发电源。

发明内容

本发明是针对小风力的低功率风力发电***，提出一种小型风力超级电容储能应用***，利用小风力小电能累积驱动负载。其内包含一种低内阻之瞬间功率型超级电容器作为小能量储存与累积器。发明内容包括三种储能方式、两种电能利用方式与三种电能运作方法。

超级电容器是继电池与电容器之后的第三种储能器，由于小风力小电能很难充入高电阻电池或低电容量的电容器。因此，超级电容器变成解决此问题的重要关键。

超级电容分成能量释放型与瞬间功率型两种，前者特性趋向电池，以储存能量为主，其商品名为超级电容器、电双层电容器、金电容或高容量电容器。由于是物理储能，其使用寿命与可靠度远比化学反应的电池来的高，其电容量常为法拉至数千法拉。而后者则以瞬间可提供强大功率为主，其商品名如「快闪超电容」等。特性类似电容器，具瞬间爆发的功率特性，其电容量常为毫法拉(mF)或法拉(F)。这些超电容的内阻都比电池小，而电容量都大于一般的陶瓷电容与铝电解电容，很适合作为小风力的低功率风力发电***的储能组件。

小风力是指风速在3～12m/sec左右，大致上是微风或比微风大一点的小型风力发电机提供之电力。一般冷气机出风口为7.8m/sec，电风扇(1速)风速约3.8m/sec。当风力小时，经风车发电机发生之电能是小而难利用的。例如台湾专利M287874之微型风力发电机，系为全世界最微小之风力发电机，其发电约为0.15W，(2.4V，70mA)。以一般的电池储能器根本无法使用，其最大因素乃是充放电的内阻过大，其发生之电能在充放电过程中都以热散失。

上述风车在风速3m/sec以上即能发电，以中国广州年平均风速大于3m/sec，或台湾雪山隧道中抽风速度大于4m/sec。此风速下虽有电能发生，但苦无适当储能器储存，无法利用十分可惜。现使用瞬间功率型超级电容器便能将小电能储存。

为达上述小型风力超级电容储能应用***的三种储能方式目的，可以透过以下方式实现：

(1)第一种储能方式：

一小型风力发电机：为风力转电能设备，可将小风力之风转变成小电能

一瞬间功率型超级电容器：低内阻的功率型储能器，可将小电能储存而低能量耗损，最后驱动负载。

一负载：LED与各种灯和机械负载

(2)第二种储能方式：

一小型风力发电机：为风力转电能设备，可将小风力之风转变成小电能

一瞬间功率型超级电容器：低内阻的功率型储能器，可将小电能储存且累积成大电能，再充入二次电池或驱动负载。

一二次电池：为主要电能储能器，具高储能容量，驱动各种负载。

一负载：LED与各种灯和机械负载。

(3)第三种储能方式：

一小型风力发电机：为风力转电能设备，可将小风力之风转变成小电能

一瞬间功率型超级电容器：低内阻的功率型储能器，可将小电能储存且累积成大电能，再充入能量释放型之超电容或驱动负载。

一能量释放型之超电容，是为主要电能储能器，具高储能容量，驱动负载。

一负载：LED与各种灯和机械负载。

为达上述「小型风力超级电容储能应用***」的两种电能利用方式目的，可以透过以下方式实现：

(1)第一种电能利用方式

一小型风力发电机

一瞬间功率型超电容

一二次电池或能量释放型之超电容

一负载

将蓄积能量驱动比超电容或二次电池低电压之LED或机械。

(2)第二种电能利用方式：

一小型风力发电机；

一瞬间功率型超电容；

一二次电池或能量释放型之超电容；

一升压转换器；

一能量二次累积之超电容；

—负载。

将超电容或二次电池蓄积能量经升压储存至能量二次累积之超电容驱动比原超电容或二次电池较高电压之LED或机械。

所述的小型风力超级电容储能应用***可采用以下三种电能运作方式：

(1)单独使用「小型风力超级电容储能应用***」作为电力来源；

(2)并入一般风力发电***，小风力切换至「小型风力超级电容储能应用***」产生电力；

(3)作为多源电力***之一，如结合太阳能、飞轮或其它再生能源。

综合上述，本发明优点如下：

1.微风产生的风电转换的电能，可经本***储存加以应用。

2.微小型化风力发电机获得储能应用，可使风力发电小型化，多样化与弹性化。风力发电产品进入生活电器，而非仅大型发电用途。

3.风力发电产品排除地理上的限制。

4.本发明可将风力小电能转成大能量使用。

本发明可应用领域如下：

风力LED交通警示灯、风力LED夜灯照明、气象监控设备、侦测仪电力、讯号传递、个人海水淡化机、求救发报器、定位发报器、小电力机械与非连续电力机械设备。

附图说明

图1系为超电容储能组件充电行为电压时间图；

图2是第一种小型风力超电容储能应用***结构图；

图3为第二种小型风力超电容储能应用***结构图；

图4为第三种小型风力超电容储能应用***结构图；

图5为小型风力超电容储能应用***第一种电能的利用方式；

图6为小型风力超电容储能应用***第二种电能的利用方式；

图7～图9为小型风力超电容储能应用***三种应用方式。

具体实施方式

如图1，是使用本发明小型风力超电容储能应用***超电容储能组件充电行为电压时间图。超电容接受电能充电，首先必须克服内阻才能接受电源充电。其中V1＝I×ESR即是超电容为克服内阻所需电压，I为电流，ESR为内阻。

以上述全世界最微小之风力发电机而言。其发电0.15W，(2.4V，70mA)，因尺寸小其发电之电压与电流不大，如若超电容内阻过大则在克服内阻就使发电之电压损失殆尽。所以选择低内阻的超电容是非常重要，其中瞬间功率型超电容之内阻又比能量释放型低甚多，所以是本发明首选。

以日本三家能量释放型超电容与台湾海特科技的瞬间功率型超电容相仿尺寸的瞬间功率型超电容而言，四者超电容的电容量都高达47与60mF，电压也有5~6V。其中台湾海特科技的超电容的内阻仅有130mΩ，非常低。在能量储存与输出时，能量损耗极其轻微。

四者超电容造克服内阻电压分别为V＝I×ESR＝70mA×ESR＝2.1V，3.5V，8.4V，0.0091V，前三者电压早以超过所产生之电压，根本无法储能更遑论输出。台湾海特科技的瞬间功率1912型超电容，电压仅下降不到0.1V，轻易储能。本发明就是使用瞬间功率型超电容作为储能电容器，可将小电能储存、累加与运用。

 

	公司	型号	规格	内阻
					1	Panasonic	EECF5R5U474(NF series)能量释放型	5.5V，47mF	ESR>30Ω
2	NEC/Tokin	FC0H473ZTBR24能量释放型	5.5V，47mF	ESR＝50Ω
					3	Elna	DX-5R5 473能量释放型	5.5V，47mF	ESR＝120Ω
4	Hiteck(台湾海特)	1912瞬间功率型	6V，60mF	ESR＝130mΩ

如图2，本发明的第一种小型风力超电容储能应用***实施方式包括：

一小型风力发电机1：为风力转电能设备，可将小风力之风转变成小电能。

一瞬间功率型超级电容器2：低内阻的功率型储能器，可将小电能储存而低能量耗损，最后驱动负载。

一负载3：可为风力LED交通警示灯、风力LED夜灯照明、气象监控设备、侦测仪电力、讯号传递、个人海水淡化机、求救发报器、定位发报器、其它小电力机械与非连续电力机械设备。

其工作过程是将小型风力发电机1所产生的电能储入低内阻功率型超电容2，最后以此储能驱动负载3。如非低内阻功率型超电容2，使用高内阻之电池或能量释放型之超电容将无法储能，达成电能低损耗的要求。

如图3，本发明的第二种小型风力超电容储能应用***实施方式包括：

小型风力发电机1：为风力转电能设备，可将小风力之风转变成小电能一瞬间功率型超级电容器2：低内阻的功率型储能器，可将小电能储存且累积成大电能，再充入二次电池或驱动负载。

一二次电池4：为主要电能储能器，具高储能容量，驱动各种负载。

一负载3：可为风力LED交通警示灯、风力LED夜灯照明、气象监控设备、侦测仪电力、讯号传递、个人海水淡化机、求救发报器、定位发报器、其它小电力机械与非连续电力机械设备。

其工作过程是将风力发电机1所产生的电能储入低内阻功率型超电容2。累积成大电能，再存入二次电池4中。待负载3需驱动时，可由二次电池4供应能量。二次电池包括镍氢电池、锂电池与铅酸电池等充电电池。此外，二次充电电池接近满充时，必须以小能量充电，以缓和电池材料反应因而造成能量损耗。本发明可由功率型超电容2直接供应负载5，因此充电电池容量设计可获得降低。而因二次充电电池的驱动负载，电池电压会逐渐降低而最后低于负载驱动电压而失效。此时可使用二次充电电池4与功率型超电容2并联驱动负载。此电路功率型超电容2不仅作为能量累积器，也作为放电的第二储能器。

如图4，本发明的第三种小型风力超电容储能应用***实施方式包括：

一小型风力发电机1：为风力转电能设备，可将小风力之风转变成小电能。

一瞬间功率型超级电容器2：低内阻的功率型储能器，可将小电能储存且累积成大电能，再充入能量释放型之超电容或驱动负载。

一能量释放型之超电容5：是为主要电能储能器，具高储能容量，驱动负载。

一负载3：可为风力LED交通警示灯、风力LED夜灯照明、气象监控设备、侦测仪电力、讯号传递、个人海水淡化机、求救发报器、定位发报器、其它小电力机械与非连续电力机械设备。

其工作过程是将风力发电机1所产生的电能储入低内阻功率型超电容2。累积成大电能，再存入能量释放型超电容5。待负载3需驱动时，可由能量释放型超电容5供应能量。能量释放型超电容5作为本***的主供应电源或第一电源，可大容量储能并可较长时间驱动负载。由于能量释放型超电容5内阻低于充电电池，所以能量效率远高于充电电池***。

如图5，本发明的小型风力超电容储能应用***第一种电能的利用方式实施方式包括：

一小型风力发电机1；

—瞬间功率型超电容2；

—二次电池或能量释放型之超电容5；

—负载3。

电路中电能是以电压与电流方式呈现，驱动电压必须高于负载压，才能做功。根据本创作发明之第一种此型态电能的利用方式，在小风力下，风力发电机1所产生的电能其电压小于12V，往往仅有2～3V。功率型超电容2储能电压略小于风力发电机电压，而其蓄积能量仅能驱动低电压之负载3，如LED或机械，可点亮闪烁黄光、红光或绿光LED灯作为警示用途。也可经第二与三种储能方法的二次充电电池4或能量释放型超电容5。

如图6，本发明的小型风力超电容储能应用***第一种电能的利用方式实施方式包括：

一小型风力发电机1；

一瞬间功率型超电容2；

一二次电池4或能量释放型之超电容5；

一升压转换器6；

一能量二次累积之超电容7，以及

一负载3。

将小风力发电机1产生低电压，经功率型超电容2、二次充电电池4或能量释放型超电容5蓄积储能后，经升压转换器6提高电压，再接另一超电容7将电流增大，尔后驱动负载3。

在小风力下，风力发电机1产生低电压，经功率型超电容2、二次充电电池4或能量释放型超电容5要去驱动较高电压的动力机械，如白光高功率LED或讯号发射器，是无法运作的。所以必须升压获得高电压才能运作，但往往升压后又常使电流变得更微弱，难以运用。根据本发明之第二种此型态电能的利用方式，便可解决此问题。

如图7～图9，本发明的小型风力超电容储能应用***可采用以下三种运作方式：

(1)单独使用，作为电力来源(参见图7)：

是以小型风力超电容储能***8，单独在小风力下驱动负载3。此时其它储能***皆因内阻太大，无法储存电能。

(2)并入一般风力发电***(参见图8)：

是复合式的风力电能转换***。当风速较大时采大型风力***10储能；风速转小时则切换至小型风力超电容储能***9，当需驱动负载3时可由大型风力***10或小型风力超电容储能***9单独驱动或合并驱动。

(3)作为多源电力***之一(参见图7)：

是多源式能源***，小型风力超电容储能***8并联太阳能***11与飞轮***12储能，可单独驱动或合并驱动负载3。

本发明可应用于风力LED交通警示灯、风力LED夜灯照明、气象监控设备、侦测仪电力、讯号传递、个人海水淡化机、求救发报器、定位发报器、小电力机械与非连续电力机械设备。

Claims (5)

1.一种小型风力超电容储能应用***，其特征在于，包含：

一小型风力发电机：用于将小风力之风转变成小电能；

一瞬间功率型超级电容器：为低能量耗损和低内阻的功率型储能器，用于储存所述小型风力发电机产生的小电能，并最后驱动负载；

在所述的瞬间功率型超级电容器与负载之间连接有二次电池或能量释放型之超电容；

在所述的二次电池或能量释放型之超电容与负载之间依次连接有升压转换器和能量二次累积之超电容。

2.根据权利要求1所述的小型风力超电容储能应用***，其特征在于，所述的瞬间功率型超级电容器包括具有低内阻、高电容量、高功率、充放电反应速度快的氧化钌超电容或其它金属氧化物电容，亦包括碳电容、高分子电容、不对称混合电极电容、金电容及大电容量之铝电解电容器。

3.根据权利要求1或2所述的小型风力超电容储能应用***，其特征在于，所述的二次电池包括镍镉、镍氢、锂离子、锂高分子或铅酸电池可充电电池。

4.根据权利要求1所述的小型风力超电容储能应用***，其特征在于，所述的能量二次累积之超电容包括各种高能量密度与高功率密度之超级电容，该高能量密度与高功率密度之超级电容包括金属氧化物电容、碳电容及大电容量之铝电解电容器。

5.一种权利要求1～4任何一项所述的小型风力超电容储能应用***的应用方式，其特征在于，包含：

(1)单独使用小型风力超级电容储能应用***作为电力来源；

(2)并入一般风力发电***，小风力切换至小型风力超级电容储能应用***产生电力；

(3)作为多源电力***之一项电力来源。

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