TWI246560B - Fluid power generator system - Google Patents

Description

1246560 玖、發明說明 (發說月應敘明·發明所屬之技術領域先前技術、内容、實施方式及圖式簡單說明） 【發明所屬之技術領域】 技術領域 本發明疋有關於一種用以將如風之自然能轉換成可用 5來作為電能之轉動能的流體發電機系統，並且特別是有關 於一種可以改善發電效率之流體發電機。 L 先前 背景技術 以往，一種使用風力之風車發電機已被用來作為一使 1〇用運轉流體能作為一驅動源以產生電力之流體發電機裝置 ，在這種風車發電機之領域中，隨著近幾年空氣動力學之 赉展，已發展出具有空氣阻力與推升力之翼。藉由將它使 用在風車上，已可進行在以往難以達成之具有高效率風 力能與低密度及大可變化性之能量轉換。 15 目前，主要的趨勢是一種數百KW之風力發電機，在 未來，將會有具有大額定輸出之風力發電機。另一方面， 將轉動能轉換成電能之發電機係直接與一翼結合，藉此產 生在一額定輸出範圍内之動力。 在一使用於習知流體發電機之發電機中，依據一在大 20範圍中之流量藉由一單元發電機產生一可連續變化輸出將 會超出該發電機之標準製造限制，而這會導致製造成本增 加因此，目刖使用之標準發電機係以固定之輸出固定地 轉動並且在一切入流量與一切出流量之間提供一小範圍並 且無法有效地使用該運轉流體之能量。 1246560 玖、發明說 本發明之目的是提供一種流體發電機，其係以對應於 在大範圍之如風之運轉流體能量中之變化的可連續變化輸 出而可產生電力並且在該運轉流體之一特定流量下產生一 最大輸出。 5 【發明内容】 發明之揭露 為了達成上述目的，在此提供一種流體發電機系統， 包括多數具有不同額定輸出之發電機，且該等發電機與一 被作為一驅動源之運轉流體能所轉動之翼軸桿結合，該流 10 體發電機系統包含： 一運轉模式，其中一對應於一大範圍之流量之可連續 變化輸出係藉由依據自然流體能量與一翼軸桿之轉數來選 擇性地組合多數發電機與來自該等該等發電機之最適當額 定輸出來給予；及 15 控制裝置，用以依據由該運轉流體之流量與該翼軸桿 之轉數所計算出之末梢速比控制各發電機之運轉，藉此可 獲得該運轉流體之一特定流量之最大輸出。 此外，亦提供一種流體發電機系統，包括多數具有不 同額定輸出之流體發電單元，且該等流體發電單元與一被 20作為一驅動源之運轉流體能所轉動之翼轴桿結合，並且係 堆疊成多數層，該流體發電機系統包含·· 一運轉模式，其中-對應於-大範圍之流量之可連續 變化輸出係藉由依據自然流體能量與一翼轴桿之轉數^ 擇性地組合多數發電機與來自該等該等發電機之最適當額 1246560 玖、發明說明， 定輸出來給予；及 控制裝置，用以依據由該運轉流體之流量與該翼軸桿 之轉數所计异出之末梢速比控制各發電機之運轉，藉此可 獲知5亥運轉流體之一特定流量之最大輸出。 5 此外，亦提供一種流體發電機系統，包括多數翼軸桿 ，係可被作為一驅動源之運轉流體能直立同軸地且可轉動 地轉動；多數轉動翼，具有多數與該等翼軸桿連接成多數 層的直線型葉片；及多數發電機，具有不同額定輸出且分 別與該等軸向軸桿，該流體發電機系統包含·· 10 一運轉模式，其中一對應於一大範圍之流量之可連續 變化輸出係藉由依據自然流體能量與一翼軸桿之轉數來選 擇性地組合多數發電機與來自該等該等發電機之最適當額 定輸出來給予；及 控制裝置，用以依據由該運轉流體之流量與該翼軸桿 15之轉數所計算出之末梢速比控制各發電機之運轉，藉此可 獲得該運轉流體之一特定流量之最大輸出。 在該流體發電機系統中，該控制裝置依據由該運轉流 體之流量所計算出之末梢速比與超出一在該翼軸桿之轉數 中之輸出峰值之較高轉數來控制在該運轉模式中各發電機 20 之運轉。 在該流體發電機系統中，具有不同額定輸出且堆疊成 多數層之流體發電單元係配置成可提供依據各層之位置之 高度來變化之額定輸出。 【囷式簡單說明】 1246560 玖、發明說明 入 第1圖是本發明之第一實施例之概念圖； 第2圖是一截面圖，顯示第丨圖之一軸承例的一部份 j 第3圖是一特性曲線圖，顯示多數發電機之運轉模式 5 ； 第4圖疋一特性曲線圖，顯示多數發電機之運轉模式 y 第圖疋發電效率對一末梢速比的特性曲線圖； 第6圖疋一特性曲線圖，顯示控制該末梢速比之一例 10 ； 第7圖疋一特性曲線圖，顯示藉由實施該運轉模式所 產生之電力之增量； 第8圖疋本發明之第二實施例之概念圖；及 第9圖疋本發明之第三實施例之概念圖。 15 【實施方式】 實施本發明之最佳模式 二下將參照各圖對本發明之各實施例加以說明。 第1圖所示之第-實施例是-風力發電系統，其係將 作為運轉流體能之風能轉換成可當作作為運轉流體之電能 20 使用的轉動能。 在第1圖所示之實施例中，一風y具有，如三片經 由兩片（上與下）支持葉片12而與-翼軸桿13 -體連接之 直線葉片1卜該翼轴桿13係形成在—外轉子結構中，其 中匕被可㈣地插人_固定於一塔結構之固妹Μ中。該 1246560 翼軸桿13之外轉子結構減少重量且有助於該風車改善效能 。該翼軸桿13在上與下端處設置有兩軸承2，該等軸承2 玎以是使用第2圖所示之磁浮結構者。 第2圖所示之該磁浮軸承可以由於磁力之排斥力而與 5該翼軸桿13在垂直方向（軸方向）與水平方向兩方向上不接 觸。 首先，如第2圖所示，一承載框架21之永久磁鐵22 與該翼軸桿13之永久磁鐵23係具有相互不同之極性。因 此，在垂直方向上，該翼軸桿13係以與該承載框架2ι不 1〇接觸之方式垂直地被支持，在水平方向上，在承載框架21 中之永久磁鐵24與在該翼軸桿13中之永久磁鐵23互相排 斥，使得該翼軸桿13以與該承載框架21不接觸之方式水 平地被支持。 在第1圖所示之實施例中的發電機系統設置有A至G 15七個如同步發電機（三相電流）之具有階段式不同額定輸出 之發電機，七個發電機A至G係藉由如離合器或正時皮帶 之傳動裝置3而與該翼軸桿13以機械方式結合七個發電機 A至G係藉由依據由一風速計（圖未示）所測得之風速值戍 對應於該翼軸桿13之轉數之轉數信號自動地改變該傳動裝 20置來與該翼軸桿13結合與分離。 该等發電機A至G依據該風速之選擇與組合構成對應 於由一切入風速至一切出風速之大範圍風速之運轉模式 Ml至M3，如第3與4圖所示。在對應於一小風速之運轉 模式Ml中係使用發電機G至D，在對應於一中風速之運 1246560 玖、發明說明 轉模式M2 t係使用發電機E至B，此外，在對應於再增 加至額定風速之風速之運轉模式M3中係使用發電機c至 A 〇 藉由以此方式來設計運轉模式M1至M3與使用一單 5 一發電機之運轉不同，不會發生該發電機系統容量不足之 情形。此外，藉由結合該等發電機與相當小之額定輸出與 低製造成本，可依據各風速來運轉且風能可以有效地被利 用。 在第1圖所示之實施例中，各發電機A至G之運轉可 10以依據已由風速V與該翼軸桿13之轉數N計算出之末梢 速比β(β-轉數N或轉子末梢速度/風速V)，該轉子末梢速 度係以2kRN來表示。假設2πΚ是常數，該轉子末梢速度 可以轉速N來取代。詳而言之，如第6圖所示，當該發電 機（如A)以一較高之轉數，即超過一在風速v=9m/see之點 15 (a)之峰值的點（b)，與該翼軸桿13結合時，該發電機作為 該翼軸桿13之負載。因此，該翼軸桿13之轉數N會如同 第6圖中之逆時針箭頭所示地減少且到達該峰值，即該輸 出之點（a)。 因為忒風車1之最大效率事實上係在末梢速比β=4.5 2〇處得到，該運轉應在β=4·5附近進行。依此方式，藉由控 制各發電機Α至G於該末梢速比，如第5與6圖所示，這 些發電機A至G可以在峰值，即點（a)處運轉，因此可得到 依據一特定風速之最大輸出。 第7圖是一顯示依據第1圖之實施例所產生之電力之 10 1246560 玖、發明說明 〜里的圖’如帛7圖所示’由於具有最適當額定輸出之發 電機係依據風速V而由多數發電機A至G選擇性地組合: 依據一大範圍之風速提供具有—可連續變化輪出之運_ 5 10 15 式M1至M3，並且由於各發電機A至G之運轉係依據已 由該風速V與該翼軸桿之轉數㈣計算出之末梢速比？來 控：以在該特定風速V處獲得最大輸出，故可使所發出之 電量比由—f知發電機所發出者增加4G%-60%。 第8圖顯示其中風車發電機單元堆疊成多層之風力發 Μ系統的第二實施例，該風車單元4具有，如三片直線 茶片41 ’各直線葉片41係藉由上與下兩支持葉片42而與 外轉子型之翼軸桿43連接。標號44表示—作為—上轴 承之發電機且標號45表示一下軸承。 在第8圖所示之實施例中，類似於第1圖所示之風力 ^ :機系統，依據一風速，具有最適當額定輸出之該等風 又電單元係由多數具有不同額定輸出之風車發電單元選 擇f也、、且口以提供如第3與4圖所示之運轉模式⑷至犯 此外’在&實施例中，依據由該風速V與該翼軸桿43 之轉數所指出之末梢速比β，該等風車發電單元係被控 制成可提供該特定風速之最大輸出。帛8圖所示之第二實 ^例可提供與第1圖所示之第〆實施例相同之效果。 作為°又4成第8圖所示之多層系統之風力發電機之應 依據α亥堆g風車單元4之高度，可改變該等發電機料 之額定輸出。例如’在其中可接受到較強風力之較高層中 可以配置具有較大電量之發電機，這可使該風力發電機 20 l24656〇 玖、發明說明 系統可以更有效率地運轉。此外，在較高層中，該風車之 尺寸與其葉片數目可以變化以改變其欲產生之電力。 第9圖顯示本發明之風力發電機系統之第三實施例， 在這實施例中，具有同軸翼軸桿之風車係配置成多層，詳 而吕之，本實施例之風力發電機系統包括四支同軸地且可 轉動地直立的翼軸桿51至54 ;及分別經由傳動裝置Μ至 74與該翼軸桿51至54結合之發電機81至84。藉由組合 四支翼軸桿51至54巾之兩支，可構成_ “雙轴倒轉型” 發電機系統。 10 . ^ _ 在第9圖所示之第三實施例中，依據一風速，具有最 適田額疋輸出之該等風車發電單元係由四個發電機Η至 84選擇性地組合以提供具有對應於一大範圍風速之可連續 文化輸出之運轉模式。此外，在這實施例中，依據由該風

速與该翼軸桿之轉數所計算出之末梢速比，該等發電機W 15至84係被控制成可為各特定風速提供最大輸出。第9圖所 示之第二實施例可提供與第i圖所示之第一實施例相同之 效果。 在前述各實施例中已對該風車發電機系統說明過了， 但是，本發明之流體發電機系統不應受限於該風車發電機 2〇 ，而可應用於一液電或其他發電機系統。此外，本發明與 光致電麼發電機組合以提供一混合式發電系統。另可使用 一碟盤來取代該支持葉片，在一高建築物之側壁上，該翼 軸桿13可非垂直地而是水平地設置。 由以上說明可知，依據申請專利範圍第1項所述之發 12 1246560 明，邊流體發電機系統可以在一運轉模式中運轉，而在該 運轉模式中’該等發電機係依據該運轉流體之流量而以最 佳之方式選擇性地組合，藉此得到該流量之最大效率。該 流體發電機系統可以發電機組合之方式運轉，而此是便宜 勺且& ί、相*小之額定輪出。因此，該流體發電機系統具 有超出一單一發電機之標準製造限制之額定輸出。此外 ，该切入流量可減少，使得該流體發電機系統可在一大範 圍之流體流量中產生電力。依據由該運轉流體之流量與該 翼軸桿之轉數所計算出之末梢速比，各發電機之運轉係可 10以在運轉流體之單一之流量處得到最大輸出，藉此改善發 電之效率。因此，該流體發電機系統之運轉效率可以改善 且發電量可以增加。 依據申請專利範圍第2項所述之發明，除了申請專利 辄圍第1項之優點外，該等發電單元可以堆疊成多層，因 15此，該等發電單元可以輕易地共存於一小的安裝空間中， 藉此抑制整個安裝成本。 依據申請專利範圍帛3項所述之發明，除了申請專利 範圍第i項之優點外，係使用該等同軸翼轴桿，使得該流 體發電機系統可以小型化且有助於其起動。 爪 2〇 &據申請專利範圍第4項所述之發明，該發電機之運 轉可以自動控制在該發電效率之峰值處，藉此得到該運轉 流體之單-流量之最大輸出。因此，可改善該流體發電機 系統之運轉效率且可增加發電量。 依據申請專利範圍第5項所述之發明，其中該流量係 13 124656〇 玖、發明說明 在流體流過之不同位置處變化，可選擇具有對該流量最適 當之該額定輸出之發電機。因此，不必使用具有一過大額 定輸出之發電機。 【圖式簡單說明】 5 第1圖是本發明之第一實施例之概念圖； 第2圖是一截面圖，顯示第i圖之一轴承例的一部份 第3圖疋一特性曲線圖，顯示多數發電機之運轉模式 第4圖是一特性曲線圖，顯示多數發電機之運轉模式 第5圖是一發電效率對-末梢速比的特性曲線圖； 第6圖是一特性曲線圖，顯示控制該末梢速比之一例 j 15 第7圖是一特性曲線圖，顯示藉由實施該運轉模式所 產生之電力之增量； 第8圖是本發明之第二實施例之概念圖，·及 第9圖是本發明之第三實施例之概念圖。 14 1246560 玖、發明說明 【圖式之主要元件代表符號表】 1.. .風車 2.. .轴承 3.. .傳動裝置 5 4...風車單元

11.. .直線葉片 12…支持葉片 13…翼軸桿 14.. .固定轴 10 21...承載框架 22,23,24".永久磁鐵 41.. .直線葉片 42…支持葉片 43.. .翼軸桿 15 44...上軸承

45…下軸承 51-54…翼軸桿 61-64…風車 Ή-74…傳動裝置 20 81-84…發電機 A-G...發電機 M1-M3···運轉模式 N…轉數 V·.·風速 15

Claims (1)

1. 口 46560 拾、申請專利範圍 I 一種流體發電機系統，包括多數具有不同額定輪出之 發電板’且4等發電機與一被作為一驅動源之運轉流 體能所轉動之翼轴桿結合，該流體發電機系統包含： 運轉模式，其巾_對應於—大範圍之流量之可 連續變化輸出係藉由依據自然流體能量與-翼軸椁之 轉數來選擇性地組合多數發電機與來自該等該等發電 機之最適當額定輪出來給予；及 控制裝置，用以依據由該運轉流體之流量與該翼 軸桿之轉數所計算出之末梢速比控制各發電機之運轉 〇 10 15 20 2. -種流體發電機系統，包括多數具有不同額定輪出之 流體發電单元，且該等流體發電單元與一被作為—驅 動源之運轉流體能所轉動之翼軸桿結合，並且係堆4 成多數層，該流體發電機系統包含： 且 /運轉模式，其卜對應於-大範圍之流量之可 連、.’λ麦化輸出係藉由依據自然流體能量與一翼軸桿之 轉數來選擇性地組合多數發電機與來自該等該等發電 機之最適當額定輸出來給予；及 控制装置，用以依據由該運轉流體之流量與該翼 軸桿之轉數所計算出之末梢速比控制各發電機之運轉 -種流體發電機系統’包括多數翼軸桿，係可被作為 一驅動源之運轉流體能直立同軸地且可轉動地轉動； 多數轉動翼，具有多數與該等翼軸桿連接成多數層的 16 3. 1246560 拾、审請專利範圍 直線型葉片；及多數發電機，具有不同額定輸出且分 別與該等軸向軸桿，該流體發電機系統包含： 一運轉模式，其中一對應於一大範圍之流量之可 連續變化輸出係藉由依據自然流體能量與一翼軸桿之 5 轉數來選擇性地組合多數發電機與來自該等該等發電 機之最適當額定輪出來給予；及 控制裝置，用以依據由該運轉流體之流量與該翼 軸桿之轉數所計算出之末梢速比控制各發電機之運轉 鲁 〇 1〇 4· 士口申請專利範圍第1、2或3項之流體發電機系統，其 中該控制裝置依據由該運轉流體之流量所計算出之末 梢速比與超出一在該翼軸桿之轉數中之輸出峰值之較 间轉數來控制在該運轉模式中各發電機之運轉。 5·如申請專利範圍第2項之流體發電機系統，其中具有 5 不同額定輸出且堆疊成多數層之流體發電單元係配置 成可提供依據各層之位置之高度來變化之額定輪出。 · 17