TWM588736U - 用於水平軸風力發電機葉片之輔助器 - Google Patents

Abstract

一種用於水平軸風力發電機葉片之輔助器，包括有底座，具有彼此相對固定面與外露表面，固定面固設於葉片吸力側表面且位於葉片厚度最大位置；以及二輔助塊，其兩者呈非平行固設於底座的外露表面，且輔助塊具有第輔助面、第二輔助面，又第一輔助面與第二輔助面分別以一端相連於該外露表面；以該輔助器設置於於葉片的吸力側產生紊流而提升葉片升力。

Description

用於水平軸風力發電機葉片之輔助器

本創作是關於一種安裝於葉片的輔助器，特別是應用在水平軸風力發電機的葉片吸力側位置者。

近年來生化能源價格高漲，各國積極發展永續或再生能源科技，目前較為接受的替代方案有太陽能、風力、潮差發電等，期望能夠在未來逐漸取代各國目前十分仰賴的核能發電廠與燃煤火力發電廠。特別是在日本發生因地震導致嚴重核能電廠災後，各國紛紛建立核能與火力等電廠的退場或廢除機制，為了彌補前述發電廠所短缺的電力，需要加速發展前述永續能源的利用與建立。

目前在各國的沿海地區甚至離岸的海面所架設的風力發電機大多是屬於水平軸發電機，此種發電機需要在地面建構地樁，再將塔座安裝在地樁上，塔座的上端則是有機艙、發電機組，更安裝轉子葉片等，螺旋槳迎向面風向，透過風力驅動葉片轉動內部轉子機構帶動發電機。

風力發電機的葉片橫斷面的形狀稱為葉型，葉片斷面的集合特性與葉片的空氣動力有密切的關係。葉片的橫斷面並非是對稱型態，主要有較為彎曲的吸力面以及較為平坦的壓力面，氣流推動葉片並穿過葉片時，將氣流分為兩個部分，一部分氣流從葉片的吸力面流過，另一部分氣流從葉片的壓力面流過，由於吸力面較為彎曲壓力面較為平坦，所以氣流流過吸力面的流速是較吸力面來的塊。根據流體力學原理，氣流流速慢則大氣壓力較大，氣流流速快大氣壓力較小，這樣來推論葉片的壓力面的壓力比葉片的吸力面的壓力高，兩者的壓力差便形成葉片的升力。換言之，氣流的速度越快，葉片產生的升力也就越大，當升力大於阻力時，就可以推動風力發電機進行旋轉發電，而當升力小於阻力時，就無法推動進行發電。

再者，葉片能夠產生升力是因為葉片在吸力面與壓力面上、存在著壓力差，前提是要葉面的氣流不分離。但是當葉片以一定的傾斜角(稱為攻角)在大氣中轉動時，就會出現上下表面的壓力不一致，從而也會產生升力。

當葉片與氣流方向的攻角增加則升力會增大，阻力也會增大，如果葉片的攻角大到了一定程度，葉片相當於在氣流中豎起的平板，由於角度太大，速度太快，流過吸力面的氣流流線無法連貫會發生分離，同時受外層氣流的帶動，向後緣流動，就會捲成一個封閉的渦流，亦稱為分離渦，此指旋轉的分離渦中壓力是不變的，它的壓力等於吸力面的氣流壓力，所以此使葉片的吸力面與壓力面的壓力差值會小很多，造成葉片的升力會比原來狀態來的小，以致整個發電系統效率大幅降低。

一般說來在設計葉片的攻角時將其角度設定為8至15度較好，超過15度後葉片的吸力面氣流會發生分離，產生渦流，升力會迅速下降，阻力會急劇上升，這一現象稱為失速；葉片失速對整個螺旋槳造成的影響如下：

其一、葉片兩側壓差損失，增加了葉片運行的阻力，降低了運行升力，提高了葉片啟動風速、額定風速，降低了葉片總體運行效率。

其二、不穩定的渦流會造成葉片在運行中的抖顫，縮短了葉片、內部轉子機構等的使用壽命。

本創作用於水平軸風力發電機葉片之輔助器主要目的係在於解決氣流分離導致葉片提前失速，降低葉片氣動性能及功率轉換的問題。

一種用於水平軸風力發電機葉片之輔助器，其包括：一底座，具有彼此相對一固定面與一外露表面，該固定面固設於葉片吸力側表面且位於葉片厚度最大位置；以及二輔助塊，其兩者呈非平行固設於該底座的外露表面，且該二輔助塊具有一第一輔助面、一第二輔助面，又該第一輔助面與該第二輔助面分別以一端相連於該外露表面；以該輔助器於葉片的吸力側產生紊流而提升葉片升力。

為了解決前述氣流分離所造成的葉片氣動性能降低的問題，將本創作輔助器安裝在葉片的吸力側(吸力面)，特別是安裝在葉片前緣的一段或是幾段狹長小翼之處，如此能增大葉片臨界功角來活得升力增加的新穎機構，主要作用就是能有效阻止氣流過早分離現象。

本創作輔助器的作用原理是以輔助塊能相對於葉片表面接近垂直型態又其展弦比翼小，所以它在氣流中和常規翼型一樣能產生翼尖渦，由於其展弦比小，因此翼尖渦的強度相對較強，就能把能良傳抵給了氣流分離層，使處於滯留狀態下的氣流分離層流場獲得附加能量後，能夠繼續貼附在葉片表面而不致分離，就是本創作輔助器的基本工作原理。

本創作輔助器的角度與間隔設定，根據過往氣動實驗證明當攻角α≧7時，展向間閣λ＝12㎜，安裝偏角β=20，減阻效果較好。輔助器安裝角對氣流分離層分離控制效果主要表現在漩渦的強度。安裝偏角太小，產生的漩渦強度不強，對氣流分離層內流動的慘混效果不大。因此定義最佳安裝偏角為β=20 ˚。同向反向傾斜紊流與邊界層相互作用後分別產生同向、反向旋轉渦列，同向旋轉流向渦列能夠在局部產生較強的控制握用，而反向旋轉流向渦烈則可以對邊界層形成均勻的控制，並具有較大的流向控制區域，故本創作輔助器設置違反向相對排列，角度設置為偏角20˚。

本創作輔助器的材質，可以由多種材料製作而成，例如鋁合金、不鏽鋼、塑膠等材質。由於風力發電機的使用環境較為嚴苛，金屬材質的耐磨、抗老化等特性較塑膠來的好，又鋁合金的成型技術較不鏽鋼更加簡單，成本更低，選擇鋁合金製作輔助器是較佳材料。

本創作輔助器的固定方式，由於輔助器需要牢固於結合於葉片的吸力側(面)，又處於惡劣環境穩定運作長達20年，因此需要穩定可靠的安裝方式，可以選擇膠接和鉚接技術固定。

採用本創作輔助器安裝於葉片，能夠改善葉片的氣動性能，如下列所述：

其一、提高葉片的氣動信能，安裝輔助器的葉片後能提高葉片的升力阻力比，使得葉片在更低的啟動風速下轉動，在較低的額定風速下就能達到額定功率。在高風速下，輸出的功率取縣也更加平穩。在相同風況條件下，增加風電量3%至5%。

其二、延長葉片的使用壽命，渦流的產生伴隨產生空氣不規律的運動，使得葉片運行時會有大量非設計狀態下的振動，本創作輔助器可以有效阻止葉片在運行中的抖顫，可以延長葉片的使用壽命。

請參閱第一至第四圖所示，揭示一種用於水平軸風力發電機葉片之輔助器1，其包括：一底座11，具有彼此相對一固定面12與一外露表面13，該固定面12固設於葉片2吸力側21表面且位於葉片2厚度最大位置；以及二輔助塊14，其兩者呈非平行固設於該底座11的外露表面13，且該二輔助塊14具有一第一輔助面141、一第二輔助面142，又該第一輔助面141與該第二輔助面142分別以一端相連於該外露表面13；以該輔助器1於葉片2的吸力側21產生紊流而提升葉片2升力。前述葉片2是指水平軸風力發電機的螺旋槳葉片。

如此本創作輔助器1將其安裝於葉片的吸力側21 表面，可以增大葉片2鄰界攻角來獲得阻力降低、升力增加之效用，更可以阻止不穩定的渦流所造成的葉片2轉動下的抖顫，延長葉片2與發電機內部相關傳動機構的使用壽命。

請參閱第五圖所示，本創作的輔助器1安裝在葉片2厚度最大位置，並位於葉片2的吸力側21表面位置。如第一圖所示，該二輔助塊14具有連接該第一輔助面141與該第二輔助面142之一相鄰面143，又該二輔助塊14具有相對之二切風面144並相連於該外露表面13。該二切風面144係分別相連於該第一輔助面141、該第二輔助面142與該相鄰面143的兩側位置。透過前述輔助塊14的立體結構特徵，可以在氣流流經輔助器1時，產生渦流進而達到擾流的目的及效果。

值得一提的是，本創作輔助塊14的第一輔助面141係朝向葉片2前緣22方向，而第二輔助面142係朝向葉片2的後緣23方向，如第五圖所示。而相鄰面143則是位於輔助塊14中相距葉片2吸力側21表面最大距離位置。該第一輔助面141與外露表面13之間的偏角角度X為20˚，如第二圖所示。

關於輔助器1的安裝在葉片2的吸力側21位置，透過葉片2的設計圖量測出最厚點的方式確定理論安裝位置，同時考量安裝的便捷性，每隔1公尺設立安裝點，測量理論安裝位置到葉片2的後緣距離。

1.將距離葉片2根部24有3公尺至25公尺的區域內所有理論安裝點連呈直線，並加以標記理論輔助器安裝位置線。

2.由於葉片2的吸力側21有一定的弧度，為了輔助器的底座11更好的貼合在吸力側21，該底座11的固定面12係對應葉片2表面呈弧形狀，又該底座11長度設定為0.5公尺。

關於本創作輔助器1安裝於葉片2的吸力側21主要有該底座11的固定面12與該葉片2吸力側21表面之間設有一膠合層3，由該膠合層3的相對兩側將底座11膠合固定於葉片2，如第六圖所示。或進一步包括有一鉚接組(圖中未繪製)固定該底座11於該葉片2表面。

複數個輔助器1連結安裝位於葉片2上，並距離葉片2根部24有3公尺至25公尺之間。或是以一整個長條帶狀金屬板材，經過沖壓技術後經翻折出數個輔助塊14，如第七圖所示。

1‧‧‧輔助器 11‧‧‧底座 12‧‧‧固定面 13‧‧‧外露表面 14‧‧‧輔助塊 141‧‧‧第一輔助面 142‧‧‧第二輔助面 143‧‧‧相鄰面 144‧‧‧切風面 2‧‧‧葉片 21‧‧‧吸力側 22‧‧‧前緣 23‧‧‧後緣 24‧‧‧根部 3‧‧‧膠合層

第一圖係本創作輔助器立體示意圖。

第二圖係本創作輔助器俯視圖。

第三圖係本創作數個輔助器結合於葉片示意圖。

第四圖係本創作輔助器結合於葉片示意圖。

第五圖係本創作剖面示意圖。

第六圖係第五圖放大示意圖。

第七圖為本創作輔助器呈帶狀型態示意圖。

1‧‧‧輔助器

11‧‧‧底座

12‧‧‧固定面

13‧‧‧外露表面

14‧‧‧輔助塊

141‧‧‧第一輔助面

142‧‧‧第二輔助面

143‧‧‧相鄰面

144‧‧‧切風面

Claims (9)

1. 一種用於水平軸風力發電機葉片之輔助器，其包括： 一底座，具有彼此相對一固定面與一外露表面，該固定面固設於葉片吸力側表面且位於葉片厚度最大位置； 以及二輔助塊，其兩者呈非平行固設於該底座的外露表面，且該二輔助塊具有一第一輔助面、一第二輔助面，又該第一輔助面與該第二輔助面分別以一端相連於該外露表面；以該輔助器於葉片的吸力側產生紊流而提升葉片升力。
2. 如請求項1所述之水平軸風力發電機葉片之輔助器，其中該二輔助塊具有連接該第一輔助面與該第二輔助面之一相鄰面，又該二輔助塊具有相對之二切風面並相連於該外露表面。
3. 如請求項2所述之水平軸風力發電機葉片之輔助器，其中該二切風面係分別相連於該第一輔助面、該第二輔助面與該相鄰面的兩側位置。
4. 如請求項1所述之水平軸風力發電機葉片之輔助器，其中該底座的固定面係對應葉片表面呈弧形狀。
5. 如請求項1至請求項4中任一項所述之水平軸風力發電機葉片之輔助器，其中該底座的固定面與該葉片表面之間設有一膠合層，由該膠合層的相對兩側將底座膠合固定於葉片。
6. 如請求項1至請求項4中任一項所述之水平軸風力發電機葉片之輔助器，進一步包括有一鉚接組固定該底座於該葉片表面。
7. 如請求項1所述之水平軸風力發電機葉片之輔助器，其中複數個輔助器連結安裝位於葉片上，並距離葉片根部3公尺至25公尺之間。
8. 如請求項1所述之水平軸風力發電機葉片之輔助器，其中該輔助器的材質可由鋁合金、不鏽鋼或塑膠材質所製作。
9. 如請求項1所述之水平軸風力發電機葉片之輔助器，其中該輔助塊相對外露表面之偏角角度為20˚。

Images