1326741 九、發明說明： 【發明所屬之技術領域】 本案與風力發電設備有關，更詳而言之，係一種能以低風速啟動之 内轉子式風力發電機。 【先前技術】 鑒於七〇年代末期的石油危機’許多歐美國家開始尋求能源出路， 最積極的是丹麥’自八〇年代初^，丹麥政府即十分熱衷地支持風力發 電所以，現在丹麥擁有舉世最傲人的風機工業，甚至取代漁業成為出 口第一大不貨物。該國風力發電量至2000年底達用電量，丹麥政 府甚至汁劃至2030年將風電提高至50%。德國則是從一九九一年開始 立法規疋風電電價為最終用戶價格的百分之九十，立法後，風電有風 起雲汤的發展，甚至後來居上。德國至厕年底已裝有九千多台風機， 2000年單年裝機更達167〇MW，相當於半個核四超過了德國所有傳 統發電的總合為全球之冠。 就台灣發電業結構觀之，一九九九年有67.3%的電來自火力發電， 26.8%來自核能，5 9%來自水力發電。核能發電的經濟效益一直被許多 的先進國家執疑，以英國、美國及德國為例，其在電業自由化後，許多 核電廠因經濟效益太低而自動關閉。估且排除經濟效益一事，核能發電 所產生的核廢料及核電廠事故更可能帶給後代子孫無窮的禍害。至於火 力發電，則因油料依賴進口，而有國家安全以及經濟自主性的相關影 響，而其所造成的環境污染問題，亦不容小覬。水力發電在我國目前雖 只佔個位數的使用比例，但對於自然環境、河川濬流的破壞也應認真評 5 1326741 估。 改變σ灣發電業結構’風力發電是可行的方案’經學者專家評估， 台灣為風能潛力優_地區，若能大量有效的錢此得天獨厚的風力資 源’使能源結構可多元化，減少對單項能源的過份依賴而喪失自主獨立 外，更能切合永續發展的長期策略。 以下我們將風力發電之原理做一簡單的介紹。 風力發電簡單地說是透過風能轉動葉片，將風能轉換為機械能，並 利用發電機將機械能轉換為電能，再· #電池將能量储存。所以風力 發電設備主要包括了風車以及發電機兩大部份^依風車以及發電機結合 之型式，風力發電機概可分為内轉子式及外轉子式。 所謂的外轉子式’簡單的說，係轉子在定子外側旋轉的構造。葉輪 受風帶動料轉子轉動，使轉子與定子相對運動而產生钱，經後端整 流器整流輸出。此-型式之風車以英國黯心公司製造之 型為代表。 所谓的内轉子式，係轉子在定子内部旋轉的構造1輪受風帶動内轉 子轉動’使轉子與疋子相對運動而產生電能，經後端整流器整流輸出。 此-型式之風車以美國Southwestern公司製造之皿4〇3型為代表。與 上述外轉式風力發電機相較，内轉子式風力發電機的風車慣量較小，相 對的啟動較為容易。但是’目前錢所採用ikw以上之風力發電機多 採外轉式。 風力發電機主要應用風能發電，所以風車是受風主體，因此風車之 6 1326741 圖所示之風車，大致上是以一 式，葉輪的面積僅佔風車主體極小的 風車的掃掠面積主要由風葉所構成， 以增加葉片長度為主要手段。按照結 設計與風能應用有緊密的關連性。如第一 葉輪連接風葉’葉片為長帶型三葉式’葉 一部份’風葉與葉輪的比例懸殊，風車的 所以要增加風葉擷取風能之能力 ，以增加 構力予，長帶型的風葉其結構強度並不穩定，受風時容易發生彎曲的現 象’且受風搖晃的情形較為嚴重，造成切風不穩定的情形。除此之外， =上述風車的掃掠面射，三風葉之_空了絕大多數的比例，大 部份的風會從風葉之間的空間穿過而沒有作用在風葉上。總的來說，該 等型式之風車具有擷取風能之能力以及利用率不佳的問題，所以應設置
構力學，長帶66 SF接甘4士接T姐 風力發電機是否容易被啟動，除了風車結構之外，發電機的轉子慣 量以及頓轉轉矩也是決定因素之一。 關於轉子慣量，以；H/4GD2關係式分析〔G為轉子重量(KG)，D 為轉子直徑(m)〕，可證轉子直徑決定轉子慣量，相同重量的圓柱轉子， 轉子直徑愈小者，轉子慣量愈小，愈容易啟動。所以，内轉子式發電機 的轉子直徑小於外轉式的轉子直徑，因此較容易被啟動。換言之當風 車負載高慣量之轉子，會使風車不易受風啟動。 關於頓轉轉矩’永磁發電機或電動機的轉子有一種沿著某一特定方 向與定子對齊的趨勢’由此趨勢會產生__種振盛轉矩，稱為緒轉矩或 頓轉轉矩（eoggingtotgue)。料魏赫纟，賴轉矩賴車旋轉的 7 1326741 始動風速有直接的影響力，高頓轉轉矩之發電機會有頓點，低速起轉不 順，相對的風車的起動風速必需拉高。 以上之分析，可供吾等知悉要設計一較佳功能的風力發電機必需解 決低風速起動不易、風能利用率不佳等問題。接下來，再對於上述風力 發電機之電壓輸出的問題做進一步的討論。 風力發電機有一獨立於風車後端的發電機設備，該發電機設備大致 上係將發電機以及整流器整合於一機艙中。在組製風力發電機的階段， 需先確認後端的蓄電系統或供電負載系統所採用之特定電壓（例如 12V、24V、36V、48V)，然後選定一種可輸出該特定電壓的發電設備。 例如，蓄電系統若為DC24V，則只能選擇輸出DC24V的發電設備。也 就是說，以更換發電設備做為應變不同電壓輸出之手段，這使得風力發 電機的建置成本魏極高，但是電壓輸&以及應用範_被額定偈限， 這樣的高成本設備會使得後端_再生能，得昂貴，不符合經 濟效益。 【發明内容】 鑑於上述之分析，吾等於設計本案風力發電機時，對於風葉操取風 此之此力、風車結構強度、風能利轉、發錢轉子慣量、頓轉轉矩、 起動風速、電壓輸出等方面多有著墨。 —種低風速啟狀_子式風力發電機，包括—風車、—發電機、 1刷滑環組合單元、以及_尾翼;賴車主要包括—葉輪以及組設於 该葉輪週邊的單元葉片；該發電機的轉子與該葉輪連接，接受該葉輪所 8 1326741 、遞之機械⑧而產生電能；該碳刷滑環組合單元與該發電機的輸電導線 ' 得電機所產生的電能輸出；該發電機以及該碳刷滑環組合單元 “置在機艙内，㉗尾翼以—連接桿連翻定於該麟底部；上述之 =疋11盤，.，。構，其外週設一厚度薄於該葉輪厚度的接合邊緣，該接 合邊緣供上叙單元^減；該單元葉4 _接合邊雜合之端部設 有-接合槽，該接合邊緣嵌人該接合射，紅若干_元件將該單元 葉片固技該接合邊緣；上述之葉輪半如及—單元^長度之總合構 成該風車掃掠面積之半徑。該葉輪之直徑至少占該單元葉片長度之二分 之4以上的比例’使其在啟動時，由葉輪的大面積擋風，並將風導引至 各料，增加其啟動性能；另外，在相同的葉片長度時，大葉輪的設計 使得風車的掃掠面積加大’所以增加了風能利用率；上述單元葉片是以 其長寬比例構成寬板形狀’且以五至六葉之數量平均間隔地組設在該葉 輪的接合邊緣；上述發電機為内轉子式，並具有低轉子慣量及低頓轉轉 矩之特性；上述風力發電機採高額定電壓輸出，並以一後端轉換系統調 整電壓。 本案所達成之目的及功效包括： 本案之風力發電機屬於内轉子式風力發電機。 本案風車可增進風能利用率，在低風速的風力環境中起動。 本案之風車具有穩定運轉之增進功效。 本案發電機具有低轉子慣量以及低頓轉轉矩之特性。 本案風力發電機可使後端利用再生能源的費用得以減低。 9 丄：)/0/4丄 詳細之目的及功效說明於後詳述。 【實施方式】 以下先對於本案之硬體設備做―介紹，再以該賴設備為基 本案之特點及功效。 :- 硬體設備 如圖所示，本案風力發電機包括一風車2〇、一發電機、山 _兔刷 滑裱組合單70 40、以及一尾翼50。風車2〇主要包括一葉輪2丨以及組 設於該葉輪21上的單元葉片22。該發電機3〇的轉子31與該葉輪21 連接，接受該葉輪21所傳遞之機械能而產生電能。該碳刷滑環组人單 元40與該發電機30的輸電導線34連接，將發電機30所產生的電力輸 出。該發電機30以及該碳刷滑環組合單元40被設置在〜機驗32内。 5亥尾翼50以一連接桿51連接固定於該機餘32底部。該尾翼％受風力 之作用，使該風車20以及上述的機艙32轉向於可有效受風的方向。 上述尾翼50之設計，使該機艙32及風車20成為一個受風旋轉的機 構，這使得上述發電機的輸電導線34面臨纏線的問題，因此利用該碳 刷滑環組合單元40來解決。該碳刷滑環組合單元40中的碳刷41與發 電機30的輸電導線34連接’銅環42則枢套在一固定輛43外咳機擒 32可繞著該固定軸43旋轉’碳刷41以連接器44與機艙32產生固定的 關係，隨著機艙32轉動的碳刷41與固定的銅環42接觸，而將電能傳 輸予銅環42，銅環42另連接輸電導線45，該輸電導線45穿入該固定 1326741 軸43中而向外延伸出機艙32外。如此，不論機艙32如何的轉動，該 . 輸電導線45皆不受影響，無纏線問題。 本案風車2〇,其葉輪21是一圓盤結構，其外週設一厚度薄於該圓 ' 盤厚度的接合邊緣23，該接合邊緣23供上述之單元葉片22組設。該 單元葉片22與該接合邊緣23組合之端部設有一接合槽24，該接合邊 緣23嵌入該接合槽24中，並以若干固定元件乃將該單元葉片22固定 在該接合邊緣23。 特點及功效 本案風力發電機屬於内轉子式風力發電機。 如圖所示之本案之風力發電機，可知其係轉子在定子内部旋轉的發電 構造，因此本案係屬於内轉子式風力發電機。以J=1/4 GD2關係式分析， 可證轉子趋蚊轉子慣4，轉子直财小者，轉子㈣愈小，愈容易 啟動。所以’⑽子式發電_轉子直徑小於外轉式的轉子直徑，因此 本案採用⑽子式發電機具有容易起動之優勢。 案几車可増進風能利用率，在低風速的風力環境中起動 …案之風車’包括了圓盤狀的葉輪以及結合於該葉輪邊緣的六個單 :葉片。風車掃掠的圓面積半徑是葉輪半徑以及—單元葉片長度之總 口^由圖式可知’葉輪半徑與單元葉片長度各自佔有該掃掠圓面積半徑 ，的掃掠面積是由葉輪以及單_所共_成，風車 又5 ”。構_早,。麻風能之多寡與風車受風的面積成正比， 1326741 本案以大餘之倾增加賴車的掃掠㈣，因此可增錢能 再者，本案風車之單元荦片為宽柘+ ^ 率。 衫板式，每—單枝η擴大的面積成 受風面積增加，使風車之風能利用率再提昇。而單元葉片是以二 組合於葉輪週邊，以多葉型態配合寬板面積，使各單元葉片之 適當的受風距離，該距離雜良好喊體流祕，因此 ^、、— 力作用在葉輪料轉以，從郎〇躺損失未風 所以增加了風能·^在#輪以及單元葉片相辅相成之伽下，本案 之風車可大幅提昇風能利用率，所以能實現低風速起轉風車之目的 本案之風車具有穩定運轉之增進功效 -"本案以葉輪半彳1以及—單元^長度之總合構賴車掃掠面積之 · 私誠如上&所3以及本案之®面表示，葉輪半徑與單元葉片長度各 自佔有該掃掠面積半徑之相當比例。換言之，本案的葉輪相對於整個風 車而言’係為—大面積比例之結構，葉輪構成風車的質量中心，使其具 參有穩定的重心，當風車受風轉動時，該葉輪發揮穩定重心之功能，使風 車可穩足的轉動’減少搖晃的情形，相對的轉動脅音可大幅降低。而按 ，、，、，·。構力學’寬板型單元葉片可表現較佳的強構強度，受風不易彎曲或 搖晃’因此可以穩定的切風。本案風車具有穩定重心的葉輪以及穩定切 風的單元葉片，因此具有穩定運轉的增進功效。 雖然本案強調大面積的葉輪，但是葉輪質量亦有其考量之必要性， 以免葉輪靜質量過大反而衍生慣量過大起動困難的情形^4目同直徑以 及相同單it葉片之條件下，分別對4量為2kg、13kg以及·g的葉輪 12 丄 WO/41 汰_ 起動貫驗，i.31^的葉輪可以得到一個預期的低起動風速， yu而以大於獅起動風速之風力才能啟動，較不符合低風速啟動 之期待10.8kg响動風速反而比13kg大並沒有因為靜質量變小 而使起動風速成正比叫低。所以在此實驗數據中 為較佳。 以1.3kg的葉輪表現 本案發電機具有低轉子慣量以及侧娜矩之特性。
本案採永磁發電機，而永磁風力發電機是否容易被啟動，除了風車 結構之外’發電_轉子慣量以及頓轉轉矩也是決定因素之一。 、關於轉子慣量，以J=1/4 GD2關係式分析〔G為轉子重量㈣，〇 為轉子直徑(m)〕，可證轉子直徑決定轉子慣量，相同重量的圓枝轉子， 轉子直仏愈小者’轉子慣量愈小，愈容肖啟動。本案設定發電機之轉子 直徑為32mm，磁鐵採3mm厚度，總長度99mm。依上述轉子慣量式推 導，可知本案發電機具有低轉子慣量之特性，發電機本身容易被起動 而低慣量轉子減輕風車之負載，使風車更易於受風起動。 關於頓轉轉矩，如先前技術一攔中所述，永磁發電機或電動機的轉 子有種沿著某一特定方向與定子對齊的趨勢，由此趨勢合產.— s王—種振 盪轉矩，稱為齒槽轉矩或頓轉轉矩（coggingtorgue)。對永磁電機而一 頓轉轉矩對風車旋轉的始動風速有直接的影響力，高頓轉轉矩之發電機 會有頓點’而產生低風速起轉不順的問題。以磁力線有對齊趨勢的觀 來看此一問題的解決方案，整數槽的結構容易產生轉子磁鐵和定子槽去 對齊的情況，即在某一特定角度，磁鐵和槽齒的感應產生最大的礤承 13 1326741 鏈’造成-穩態力平衡，因此在轉動時會發生頓轉。棄此，降低頓轉的 -方式之―，係可降低感應磁通鏈的落差，其手段可採用分數槽的方式， '減少磁鐵和槽齒的發生對正的機會’亦可刻意提高極數與槽數的最小公 • 倍數’例如8極9槽，以360度的空間角度除以磁極數與定子槽數的最 • +公倍數可得知8極9槽的週期為5度，頓轉的機械角度小，頓轉情形 獲得明顯改善。 本案發電機具低慣量轉子及低頓轉轉矩之特性，可減輕風車之負 • 載，使風車以及發電機具有容易起動之優勢。 本案屬於輕風起動型的風力發電機 ' · 叫進風能率之風車配合低轉子慣量、低_轉矩的發電機， ''使本案可以在低風速的風力環境下起動。因為英國Marlec公司的 Rutland 913型的起動風速在2.5m/s以下，本案的機型結構優於前者， 故預估起動風速約在2m/s以下，屬輕風起動。而習知低風力發電機的 鲁起動風速約在3〜4m/s左右，屬微風起動之風力發電機。由此可說明， 本案的起動風速已較習知低風力起動之風力發電機更低，因此設置風力 發電機的地點不再只限於風性良好的地區，地點選擇的自由度更高。 本案風力發電機可使後端利用再生能源的費用得以減低 本案風力發電機採三相80V以上的高額定電壓輸出，再經後端轉 換系統(變壓器、整流器)轉換為特定較低電壓之交流電或直流電。依照 P(功率)=1(電流)X V(電壓）之關係式可知，功率相同時，電壓越高，電 1326741 流越低；而線路的輸電容量與電壓平方成正比，假設電壓加倍，則輪電 容量增為原來的四倍。所以，對相同輸電容量而言，較高電壓僅需較小 電流，依照V(電壓）=1(電流)X R(電阻）關係式可知，當電阻固定，電 流降低，電纜線上產生的電壓降(電壓損失)也降低，依照P(發熱功率或 銅損）=I 2 (電流平方）X R(電阻)關係式可知，電流降低代表電力在 傳輸的過程中因為電纜線電阻所產生的發熱損失或銅損跟著降低。因此 本案風力發電機具有電壓降小、銅損小、熱損失小的輸電特性。 而高額定電壓輸出之風力發電機可以利用改換後端轉換系統(變壓 器、整流器）的手段做以應付後端的蓄電系統或供電消費系統之特定電 壓。簡單的說，一台風力發電機就可以配應不同的蓄電系統或供電消費 系統，差別僅在於後端轉換系統(變壓器、整流器）之改換，這個改換是 容易實施而且成本低廉的，所以，風力發電的建置成本得以大幅降低， 使後端利用再生能源的費用得以減低，符合經濟效益。 乡示合上述之硬體結構及功效特性之敘述，可知本案確已突破傳統型 式風力發電機之窠臼，而展現新穎的型態以及多重進步之功效，可證本 案確為一具有實用性之風力發電機構，雖然本案於圖式中是以一個最佳 實施例做說明，但精於此技藝者能在不脫離本索精神與範疇下做各種不同 形式的改變。社所舉實關僅㈣觸本案而已，_以限制本案之範 圍。舉凡不違本案精神所從事的種種修改或變化，俱屬本案申請專利範圍。 【圖式簡單說明】 第一圖為習知風力發電機之風車平面圖。 15 1326741 第二圖為本案風力發電機之外觀圖。 第三圖為本案風力發電機之側視圖。 第四圖為本案風車之立體分解圖。 第五圖為本案風車側視暨發電機内部配裝示意圖。 第六圖為本案仰視圖， 【主要元件符號說明】 表示風力發電機底部的樣態 20-風車 34-輸電導線 21-葉輪 40-碳刷滑環組合單元 22-單元葉片 41_碳刷 23-接合邊緣 42-銅環 24-接合槽 43-固定軸 25-固定元件 44-連接器 30-發電機 50-尾翼 31- 轉子 32- 機艙 51-連接桿 16