[實(shí)用新型]低風(fēng)速啟動(dòng)的內(nèi)轉(zhuǎn)子式風(fēng)力發(fā)電機(jī)

無效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 200720140985.3
• 申請(qǐng)日: 2007-04-03
• 公開（公告）號(hào): CN201043512Y
• 公開（公告）日: 2008-04-02
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 黃國(guó)華
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 永元電機(jī)股份有限公司
• 主分類號(hào): F03D9/00
• 分類號(hào): F03D9/00;F03D1/06;H02M5/12;H02M7/04
• 代理公司: 北京天平專利商標(biāo)代理有限公司
• 代理人: 孫剛;趙海生

技術(shù)領(lǐng)域

本實(shí)用新型與風(fēng)力發(fā)電設(shè)備有關(guān)，更詳而言之，系一種能以低風(fēng)速啟動(dòng)的內(nèi)轉(zhuǎn)子式風(fēng)力發(fā)電機(jī)。

背景技術(shù)

鑒于七○年代末期的石油危機(jī)，許多歐美國(guó)家開始尋求能源出路，最積極的是丹麥，自八○年代初起，丹麥政府即十分熱衷地支持風(fēng)力發(fā)電，所以，現(xiàn)在丹麥擁有舉世最傲人的風(fēng)機(jī)工業(yè)，甚至取代漁業(yè)成為出口第二大宗貨物。該國(guó)風(fēng)力發(fā)電量至2000年底達(dá)用電量16％，丹麥政府甚至計(jì)劃至2030年將風(fēng)電提高至50％。德國(guó)則是從一九九一年開始立法，規(guī)定風(fēng)電電價(jià)為最終用戶價(jià)格的百分之九十，立法后，風(fēng)電有風(fēng)起云涌的發(fā)展，甚至后來居上。德國(guó)至2000年底已裝有九千多臺(tái)風(fēng)機(jī)，2000年單年裝機(jī)更達(dá)1670MW，超過了德國(guó)所有傳統(tǒng)發(fā)電的總合為全球之冠。

就臺(tái)灣地區(qū)發(fā)電業(yè)結(jié)構(gòu)觀之，一九九九年有67.3％的電來自火力發(fā)電，26.8％來自核能，5.9％來自水力發(fā)電。核能發(fā)電的經(jīng)濟(jì)效益一直被許多的先進(jìn)國(guó)家執(zhí)疑，以英國(guó)、美國(guó)及德國(guó)為例，其在電業(yè)自由化后，許多核電廠因經(jīng)濟(jì)效益太低而自動(dòng)關(guān)閉。估且排除經(jīng)濟(jì)效益一事，核能發(fā)電所產(chǎn)生的核廢料及核電廠事故更可能帶給后代子孫無窮的禍害。至于火力發(fā)電，則因油料依賴進(jìn)口，而有國(guó)家安全以及經(jīng)濟(jì)自主性的相關(guān)影響，而其所造成的環(huán)境污染問題，亦不容小覷。水力發(fā)電在我國(guó)目前雖只占個(gè)位數(shù)的使用比例，但對(duì)于自然環(huán)境、河川浚流的破壞也應(yīng)認(rèn)真評(píng)估。

改變發(fā)電業(yè)結(jié)構(gòu)，風(fēng)力發(fā)電是可行的方案，經(jīng)學(xué)者專家評(píng)估，例如臺(tái)灣地區(qū)，其為風(fēng)能潛力優(yōu)越的地區(qū)，若能大量有效的使用此得天獨(dú)厚的風(fēng)力資源，使能源結(jié)構(gòu)可多元化，減少對(duì)單項(xiàng)能源的過份依賴而喪失自主獨(dú)立外，更能切合永續(xù)發(fā)展的長(zhǎng)期策略。

以下我們將風(fēng)力發(fā)電的原理做一簡(jiǎn)單的介紹。

風(fēng)力發(fā)電簡(jiǎn)單地說是透過風(fēng)能轉(zhuǎn)動(dòng)葉片，將風(fēng)能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能，并利用發(fā)電機(jī)將機(jī)械能轉(zhuǎn)換為電能，再利用蓄電池將能量?jī)?chǔ)存。所以風(fēng)力發(fā)電設(shè)備主要包括了風(fēng)車以及發(fā)電機(jī)兩大部份。依風(fēng)車以及發(fā)電機(jī)結(jié)合的型式，風(fēng)力發(fā)電機(jī)大致可分為內(nèi)轉(zhuǎn)子式及外轉(zhuǎn)子式。

所謂的外轉(zhuǎn)子式，簡(jiǎn)單的說，系轉(zhuǎn)子在定子外側(cè)旋轉(zhuǎn)的構(gòu)造。葉輪受風(fēng)帶動(dòng)該外轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)，使轉(zhuǎn)子與定子相對(duì)運(yùn)動(dòng)而產(chǎn)生電能，經(jīng)后端整流器整流輸出。此一型式的風(fēng)車以英國(guó)Marlec公司制造的Rutland?913型為代表。

所謂的內(nèi)轉(zhuǎn)子式，系轉(zhuǎn)子在定子內(nèi)部旋轉(zhuǎn)的構(gòu)造。葉輪受風(fēng)帶動(dòng)內(nèi)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)，使轉(zhuǎn)子與定子相對(duì)運(yùn)動(dòng)而產(chǎn)生電能，經(jīng)后端整流器整流輸出。此一型式的風(fēng)車以美國(guó)Southwestern公司制造的AIR403型為代表。與上述外轉(zhuǎn)式風(fēng)力發(fā)電機(jī)相較，內(nèi)轉(zhuǎn)子式風(fēng)力發(fā)電機(jī)的風(fēng)車慣量較小，相對(duì)的啟動(dòng)較為容易。但是，目前各國(guó)所采用1KW以上的風(fēng)力發(fā)電機(jī)多采外轉(zhuǎn)式。

風(fēng)力發(fā)電機(jī)主要應(yīng)用風(fēng)能發(fā)電，所以風(fēng)車是受風(fēng)主體，因此風(fēng)車的設(shè)計(jì)與風(fēng)能應(yīng)用有緊密的關(guān)連性。如圖1所示的風(fēng)車，大致上是以一葉輪連接風(fēng)葉，葉片為長(zhǎng)帶型三葉式，葉輪的面積僅占風(fēng)車主體極小的一部份，風(fēng)葉與葉輪的比例懸殊，風(fēng)車的掃掠面積主要由風(fēng)葉所構(gòu)成，所以要增加風(fēng)葉擷取風(fēng)能的能力，以增加葉片長(zhǎng)度為主要手段。按照結(jié)構(gòu)力學(xué)，長(zhǎng)帶型的風(fēng)葉其結(jié)構(gòu)強(qiáng)度并不穩(wěn)定，受風(fēng)時(shí)容易發(fā)生彎曲的現(xiàn)象，且受風(fēng)搖晃的情形較為嚴(yán)重，造成切風(fēng)不穩(wěn)定的情形。除此之外，在上述風(fēng)車的掃掠面積中，三風(fēng)葉之間的空間占了絕大多數(shù)的比例，大部份的風(fēng)會(huì)從風(fēng)葉之間的空間穿過而沒有作用在風(fēng)葉上。總的來說，該等型式的風(fēng)車具有擷取風(fēng)能的能力以及利用率不佳的問題，所以應(yīng)設(shè)置在風(fēng)性良好、風(fēng)期長(zhǎng)、平均風(fēng)速大、風(fēng)力強(qiáng)勁且持續(xù)的地區(qū)，無法達(dá)到低風(fēng)速起動(dòng)的目標(biāo)。

風(fēng)力發(fā)電機(jī)是否容易被啟動(dòng)，除了風(fēng)車結(jié)構(gòu)之外，發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)子慣量以及頓轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩也是決定因素之一。

關(guān)于轉(zhuǎn)子慣量，以J＝1/4GD²關(guān)系式分析〔G為轉(zhuǎn)子重量(KG)，D為轉(zhuǎn)子直徑(m)〕，可證轉(zhuǎn)子直徑?jīng)Q定轉(zhuǎn)子慣量，相同重量的圓柱轉(zhuǎn)子，轉(zhuǎn)子直徑愈小者，轉(zhuǎn)子慣量愈小，愈容易啟動(dòng)。所以，內(nèi)轉(zhuǎn)子式發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)子直徑小于外轉(zhuǎn)式的轉(zhuǎn)子直徑，因此較容易被啟動(dòng)。換言之，當(dāng)風(fēng)車負(fù)載高慣量的轉(zhuǎn)子，會(huì)使風(fēng)車不易受風(fēng)啟動(dòng)。

關(guān)于頓轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩，永磁發(fā)電機(jī)或電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)子有一種沿著某一特定方向與定子對(duì)齊的趨勢(shì)，由此趨勢(shì)會(huì)產(chǎn)生一種振蕩轉(zhuǎn)矩，稱為齒槽轉(zhuǎn)矩或頓轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩(coggingtorgue)。對(duì)永磁電機(jī)而言，頓轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩對(duì)風(fēng)車旋轉(zhuǎn)的始動(dòng)風(fēng)速有直接的影響力，高頓轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩的發(fā)電機(jī)會(huì)有頓點(diǎn)，低速起轉(zhuǎn)不順，相對(duì)的風(fēng)車的起動(dòng)風(fēng)速必需拉高。

以上的分析可知，需要設(shè)計(jì)一較佳功能的風(fēng)力發(fā)電機(jī)必需解決低風(fēng)速起動(dòng)不易、風(fēng)能利用率不佳等問題。接下來，再對(duì)于上述風(fēng)力發(fā)電機(jī)的電壓輸出的問題做進(jìn)一步的討論。