专利名称：风力发电系统及其方法
技术领域：
本发明是涉及一种风力发电系统及其方法，该风力发电系统是利用管路收缩以集中风的能量来推动能量收纳构件的旋转叶片，并且利用距离地面越远气压越低的原理诱引发电系统排出气流。
背景技术：
如一般产业界所认知的，风力发电适用于风力资源丰富的地区，如荷兰、德国、美国及中国大陆新疆等地皆设有风力发电的设备，台湾每年风力发电的潜能约为180兆瓦小时(TWh)。1999年台湾全年的电力消耗量147TWh，台朔重工在麦寮将装置四座640kW的风力发电厂，另外在澎湖装置四台600kW的风力发电厂。
风力发电最迷人的地方，就是发电量跟风速的三次方成正比。因为空气分子的动能正比于速度的二次方，而空气流量的多寡又与速度成正比，由此得到三次方正比的结论。完整一点，风所蕴藏能量的公式可以写成(风所蕴藏的能量)＝(0.393)×(风吹拂时间)×(空气密度)×(叶片直径的二次方)×(平均风速的三次方)由此推论，如果风的速度每秒一米时带有一个单位的能量，则风速每秒两米时带有八个单位的能量，每秒四米时带有64单位的能量，到了每秒十米时将带有1000单位的能量。另外重要的一点，风力发电量还正比于风车叶片直径的平方，也就是说，叶片直径30米的风车，其发电量是直径3米者的100倍。若以六级风，平均风速12米/秒，十五层楼高、旋转叶片直径45米的中大型风车来估算风所蕴藏的能量流率(功率)＝(0.393)×(1.25千克/米3)×(2025米2)×(1728米3/秒3)＝1720000千克·米2/秒3＝1.72百万瓦风车提取风的动能，将这动能转换成电能的百分比，称之为风车的发电效率。从能量的观点来看，平均速度每秒10米的风，在通过流线型的风车叶片之后，a)若平均速度降为每秒9米，则风的动能减少为原来的0.9的平方＝0.81倍，即表示风动能的(1-0.81)19％为风车所提取所以，风车的效率为19％；b)若平均速度降为每秒8米，则风的动能将减少为原来0.8的平方＝0.64倍，风车的效率为(1-0.64)36％。
c)若平均速度降为每秒7米，则风的动能将减少为原来0.7的平方＝0.49倍，风车的效率为(1-0.49)＝51％。
风车的效率和叶片数目、叶栅排数有关，站在流体力学机翼及螺桨理论的角度来看，经过良好流场设计的风车叶片，单排(栅)三叶片风车的机械效率，估计可达b)项的水准，即为36％。所以，若建造单排三叶片风车的发电系统，估算每座的发电量＝1.72百万瓦×36％＝0.62百万瓦＝620KW。
由于地面的边界层效应，传统的风车其高度在60米以上才具有经济效益，且其叶片长度往往为10米左右，在安装及维修时具有相当的困难度，因此有必要加以改善。
请参考图1为公知的利用热气流上升及气流对流原理而设计的烟囱式风力发电系统1，其具有一可隔热的外墙18，内部设有叶片14，其主轴16连接发电机12，当热风从进气口10进入后由下往上吹时，即可带动叶片14旋转进而带动发电机发电；而当空气升到顶盖11时即向空中四方排出。
上述的烟囱式风力发电系统1虽然具新的创意较传统的风车安装容易且易于维修，仍然存在着发电量不稳定及功率较低等实用上的问题，因此有必要研发出一种，易于安装及维修且发电量又稳定的风力发电系统，使得风力发电成为普遍而廉价的发电方法。
但是，风力资源的应用须配合大自然的运行规律，及物理原理的运用，因为风力不像水力，可以建筑水坝来加以蓄积能量，也不像火力或核能，地点设置较有弹性，因此必须找出风力资源丰富地点，于该地适当高度的空中设置能量收纳结构，且其安装较传统的风车构造方便，而且维修容易，因此研发出本发明来达成上述的需求。
发明内容
本发明的主要目的在于，提供一种风力发电系统及其方法，利用管路收缩以集中风的能量来推动能量收纳构件的旋转叶片，并且利用距离地面越远气压越低的原理诱引发电系统排出气流，旋转叶片带动发电机产生电能，达成发电功效，从而使得风力发电不但能够具商业运转的效能，且可以有极佳的可维修性及易于安装，运转成本较传统的风车为低，可以提供低成本高品质的风力发电效果。
为了达成上述目的，本发明可通过如下措施实现一种风力发电系统，可将风力动能转化为电能，其包含一集风缩管构件，设置有两端，其第一端用于风力输入，第二端用于风力传出，且第一端截面积比第二端的截面积大，以增加第二端的风速；一能量收纳构件，设置有两端，分别为入口端与出口端，该入口端与该集风缩管构件的第二端相连，可将由该集风缩管构件第二端吹入风的部分能量以机械动能形式收纳，而出口端则将经过能量收纳的风排出；一诱引式排风构件，设置有两端，分别为诱引端与排风端，该诱引端与该能量收纳构件的出口端相连，并且将诱引端传入的风传送到该排风端排除；一发电机是机械性连接该能量收纳构件，可将该能量收纳构件传来的机械动能转换为电能；其中该诱引式排风构件的排风端是位于空气压力较低的适当高度空中，且其高度较该集风缩管构件的第一端的高度高出一特定的垂直距离；通过集风缩管构件收纳风流并增加风速，以推动能量收纳构件，进而带动发电机产生电能，达成发电功效。
所述的风力发电系统进一步设置一导引风向构件于该集风缩管构件的第一端，可以将吹入的风向调整较为一致。
所述的风力发电系统进一步设置一流量调节构件于该集风缩管构件的第一端，可以对应吹入风量大小调节流量。
所述的风力发电系统进一步设置一离心环构件于该集风缩管构件的第二端，利用离心作用使得风中所含的灰尘及杂物去除。
所述的能量收纳构件包含一外壳；一主轴，设于外壳内，且可以旋转；多个叶片，与该主轴相连；通过风吹动叶片使主轴旋转而收纳风的动能。
所述的风力发电系统进一步设置一入口风量调节构件于该能量收纳构件的入口端，用以实时控制入口的风量。
所述的风力发电系统进一步设置一出口风量调节构件于该能量收纳构件的出口端，用以配合该入口风量调节构件实时控制出口的风量。
所述的风力发电系统进一步设置一变速齿轮箱于该能量收纳构件之中，其中该变速齿轮箱具有一输入轴及一输出轴，且该输入轴与该能量收纳构件的主轴相连接。
所述的发电机具有一发电旋转轴，用以接收动能以转为电能，且该发电旋转轴与该变速齿轮箱的输出轴相连接。
所述的风力发电系统进一步包含一流量控制单元，可以分别控制该入口风量调节构件与该出口风量调节构件，使得风量在一预定的范围内，而发电功率稳定。
所述的风力发电系统进一步包含多个维修孔，分别设于集风缩管构件、能量收纳构件及诱引式排风构件，以达成定期维修的需求。
所述的风力发电系统进一步包含一建筑构件，且该建筑构件上设置多个该集风缩管构件、多个该能量收纳构件、多个该诱引式排风构件、及多个该发电机，并且在该建筑构件上进一步包含一独立型能量收纳构件，用于高空收纳风能量；及高空发电机；其中该独立型能量收纳构件，是于一特定的高度设置，且不使用该集风缩管构件及该诱引式排风构件用以导引空气流动来帮助能量收纳；其中该独立型能量收纳构件是与高空发电机机械性连接，以将该独立型能量收纳构件收纳的能量转为电能；通过将该能量收纳构件与该独立能量收纳构件设于该同一建筑构件，使得低高度空中的风能与中、高高度空中的风能可以同时接收，并转换成电能。
一种风力发电方法，是利用以上所述的风力发电系统，该风力发电方法至少包括下列步骤将风引入该集风缩管构件；风干该集风缩管构件中得以压缩聚集于一小面积中流通使得风能量聚集程度达到一特定状况；将风引入该能量收纳构件；于该能量收纳构件中，风将部份能量传输给该能量收纳构件；将该能量收纳构件收纳的动能传到该发电机，并且发电机将动能转换成为电能；及将部份能量已被收纳的风经由诱引式排风构件引导到一距特定垂直高度差的空中排出。
所述的将风引入该能量收纳构件前，尚且包括一步骤将风中的灰尘及杂物去除。
所述的能量收纳构件具有风量调节装置，在风引入该能量收纳构件前，尚且包括一步骤通过利用该风量调节装置，使得风量控制在一定范围内，而使风的能量固定在一定范围之内。
本发明的优点在于本发明提供一种风力发电系统及其方法，利用管路收缩以集中风的能量来推动能量收纳构件的旋转叶片，并且利用距离地面越远气压越低的原理诱引发电系统排出气流，旋转叶片带动发电机产生电能，达成发电功效，从而使得风力发电不但能够具商业运转的效能，且可以有极佳的可维修性及易于安装，运转成本较传统的风车为低，可以提供低成本高品质的风力发电效果。本发明可大量设于具有风力资源的地区，若能配合具有一定高度差的山地则建造成本则更省，本发明的建造及发电成本较公知为低且适合于多风力资源及具有山地的地区。
本发明还将结合附图对实施例作进一步详述。
图1为公知烟囱式风力发电系统的截面构造图；图2为本发明风力发电系统构造图；图3为本发明能量收纳构件的一较佳实施例；图4为本发明风力发电系统的另一较佳实施例。
附图标记说明烟囱式风力发电系统1 进气口 10顶盖 11 发电机 12叶片 14 主轴 16外墙 18 集风缩管构件 20第一端22 第二端 24
离心环26 维修孔 28能量收纳构件 30 叶片31入口端32 主轴33出口端34 外壳35入口风量调节构件 36 出口风量调节构件38诱引式排风构件40 诱引端 42排风端44 发电机 50变速齿轮箱60 高度H长度 L 距离D高空发电机70 独立型能量收纳构件 72顶盖 76 建筑构件80具体实施方式
为将本发明原理做一清楚明白的说明，应先从本发明的外观构造区分出其与公知技艺不同之处及其所利用的技术原理，本发明的原理是在于使风经过面积渐缩的管路使得能量集中且风速加快而易于能量收纳，如此一来在中低高度的空气流动区亦能借由加速与集中空气能量的原理，使得能量收纳构件的叶片能够更加方便地接收高速而直接的风能；除此而外，因为高度越高的空中其空气压力越低，本发明进一步将能量被部份收纳的风以空气压力差诱引到高空排出。并且本发明可以将多个风力收纳管路共同架设在一构造物之上，推动多个发电系统，以获得更大的能量输出。
请先参考图2，图2为本发明风力发电系统构造图，以下将说明本发明的构造及其运作方式，风首先由集风缩管构件20的第一端22吹入，由于第一端22截面积比第二端24的截面积大，故第二端24的风速将会增加，假设第一端24开口为矩形，其长度为10米且宽度为20米，则其面积为200平方米，又假设第二端24为圆形，其半径为1米则其面积为3.14平方米，因此当风速为3m/s吹入集风缩管构件20且速度的摩擦损耗为40％时，第二端的风速应为3×200×60％÷3.14＝114米/秒，请继续参考图3，当风吹入能量收纳构件30后，即推动其中的叶片31，在此可引用本说明书中前述的发电功率计算公式，假设空气密度为1.25千克/立方米叶片直径为1米，风一次推动3个叶片，且整体发电效率为36％则此时发电功率可由以下概算为0.393×1.25千克/立方米×1平方米×(114米/秒)3＝780千瓦。
在此补充说明能量收纳构件30的构造，其设置有两端，分别为入口端32与出口端34，该入口端32与该集风缩管构件20的第二端24相连，可将由该集风缩管构件20第二端24吹入风的部份能量以机械动能形式收纳，而出口端则将经过能量收纳的风排出。
须知能量收纳构件30收纳的动能须传给发电机50，而该发电机50是机械性连接该能量收纳构件30的主轴33，可将该能量收纳构件传来的机械动能转换为电能；为求保护发电机50，变速齿轮箱60可设置于该能量收纳构件之中，其中该变速齿轮箱60具有一输入轴及一输出轴，且该输入轴与该能量收纳构件的主轴33相连接，而输出轴则机械性地与发电机50相连接。
当经过能量收纳的风流入诱引式排风构件40，则由于诱引端42与该能量收纳构件30的出口端34相连，并且具有来自排风端44的低空气压牵引，可将诱引端传入的风传送到排风端44排除；其中该诱引式排风构件40的排风端44是位于空气压力较低的适当高度H空中，且其高度较该集风缩管构件的第一端的高度高出一特定的垂直距离，如高度H为150米。
为求风向的流动顺畅及减少紊流，可设置一导引风向构件于该集风缩管构件20的第一端，可以为平板式的叶片排列，可以将吹入的风向调整较为一致。
为防止如台风等风灾时对发电系统可能的破坏，进一步设置一流量调节构件于该集风缩管构件20的第一端，可以对应吹入风量大小调节流量，其功能或形式可如一般阀类。
为防止如尘沙等对对发电系统可能的破坏，可进一步设置一离心环构件26于该集风缩管构件20的第二端，利用离心作用使得风中所含的灰尘及杂物去除。
请参考图3，其中该能量收纳构件包含一外壳；一主轴，设于外壳内，且可以旋转；多个叶片，与该主轴相连；借由风吹动叶片使主轴旋转而收纳风的动能。
请参考图2，可进一步设置一入口风量调节构件36于该能量收纳构件30的入口端32，用以实时控制入口的风量；配合诱引风流及维修方便，可设置一出口风量调节构件38于该能量收纳构件30的出口端34，并可用以配合该入口风量调节构件36实时控制出口的风量。
本发明可再包含一流量控制单元可由电子软件及硬件构成，可以分别控制该入口风量调节构件36与该出口风量调节构件38，使得风量在一预定的范围内，而发电功率稳定。
前述的变速齿轮箱60可设于该能量收纳构件30之中，其中该变速齿轮箱60具有一输入轴及一输出轴，且该输入轴与该能量收纳构件的主轴33相连接；且该发电机50具有一发电旋转轴，用以接收动能以转为电能，且该发电旋转轴与该变速齿轮箱的输出轴相连接。
为求定期维修发电系统，本发明可进一步包含多个维修孔28，分别设于集风缩管构件20、能量收纳构件30及诱引式排风构件40，以达成定期维修的需求。
为求进一步使本发明能够达成密集而大量的发电效果，请参考图4为本发明更进一步的实施例，其中本发明进一步包含一建筑构件80，且该建筑构件80上设置多个该集风缩管构件20、多个该能量收纳构件30、多个该诱引式排风构件40、及多个该发电机50，并且在该建筑构件上进一步包含一独立型能量收纳构件72，用于中高空收纳风能量如40到100米高度的空中；及高空发电机70；其中该独立型能量收纳构件72，是于一特定的高度设置，且不使用该集风缩管构件20及该诱引式排风构件40用以导引空气流动来帮助能量收纳；其中该独立型能量收纳构件72是与高空发电机70机械性连接，以将该独立型能量收纳构件72收纳的能量转为电能，并可再设一顶盖76以防落尘；借由将该能量收纳构件与该独立能量收纳构件设于该同一建筑构件80，使得低高度空中的风能与中、高高度空中的风能可以同时接收，并转换成电能。
在此并以方法步骤来描述本发明风力发电方法将风引入该集风缩管构件20；风于该集风缩管构件20中得以压缩聚集于一小面积中流通使得风能量聚集程度达到一特定状况；将风引入该能量收纳构件30；于该能量收纳构件30中，风将部份能量传输给该能量收纳构件30；将该能量收纳构件30收纳的动能传到该发电机50，并且发电机50将动能转换成为电能；及将部份能量已被收纳的风经由诱引式排风构件40引导到一距特定垂直高度差的空中排出。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，并非拘限本发明的专利范围，故凡应用本发明说明书及图式内容所为的等效结构变化，均包含于本发明的范围内。
权利要求
1.一种风力发电系统，可将风力动能转化为电能，其特征在于，其包含一集风缩管构件，设置有两端，其第一端用于风力输入，第二端用于风力传出，且第一端截面积比第二端的截面积大，以增加第二端的风速；一能量收纳构件，设置有两端，分别为入口端与出口端，该入口端与该集风缩管构件的第二端相连，可将由该集风缩管构件第二端吹入风的部分能量以机械动能形式收纳，而出口端则将经过能量收纳的风排出；一诱引式排风构件，设置有两端，分别为诱引端与排风端，该诱引端与该能量收纳构件的出口端相连，并且将诱引端传入的风传送到该排风端排除；一发电机，机械性连接该能量收纳构件，可将该能量收纳构件传来的机械动能转换为电能；其中该诱引式排风构件的排风端是位于空气压力较低的高空中，且其高度较该集风缩管构件的第一端的高度高；通过集风缩管构件收纳风流并增加风速，以推动能量收纳构件，进而带动发电机产生电能，达成发电功效。
2.如权利要求1所述的风力发电系统，其特征在于进一步设置一导引风向构件于该集风缩管构件的第一端。
3.如权利要求2所述的风力发电系统，其特征在于进一步设置一流量调节构件于该集风缩管构件的第一端。
4.如权利要求1所述的风力发电系统，其特征在于进一步设置一离心环构件于该集风缩管构件的第二端。
5.如权利要求1所述的风力发电系统，其特征在于所述的能量收纳构件包含一外壳；一主轴，设于外壳内，且可以旋转；多个叶片，与该主轴相连；通过风吹动叶片使主轴旋转而收纳风的动能。
6.如权利要求5所述的风力发电系统，其特征在于进一步设置一入口风量调节构件于该能量收纳构件的入口端。
7.如权利要求6所述的风力发电系统，其特征在于进一步设置一出口风量调节构件于该能量收纳构件的出口端。
8.如权利要求5所述的风力发电系统，其特征在于进一步设置一变速齿轮箱于该能量收纳构件之中，其中该变速齿轮箱具有一输入轴及一输出轴，且该输入轴与该能量收纳构件的主轴相连接。
9.如权利要求8所述的风力发电系统，其特征在于所述的发电机具有一发电旋转轴，用以接收动能以转为电能，且该发电旋转轴与该变速齿轮箱的输出轴相连接。
10.如权利要求7所述的风力发电系统，其特征在于进一步包含一流量控制单元，可以分别控制该入口风量调节构件与该出口风量调节构件。
11.如权利要求7所述的风力发电系统，其特征在于进一步包含多个维修孔，分别设于集风缩管构件、能量收纳构件及诱引式排风构件，以达成定期维修的需求。
12.如权利要求7所述的风力发电系统，其特征在于进一步包含一建筑构件，且该建筑构件上设置多个该集风缩管构件、多个该能量收纳构件、多个该诱引式排风构件、及多个该发电机，并且在该建筑构件上进一步包含一独立型能量收纳构件，用于高空收纳风能量；及高空发电机；其中该独立型能量收纳构件，不使用该集风缩管构件及该诱引式排风构件用以导引空气流动来帮助能量收纳；其中该独立型能量收纳构件是与高空发电机机械性连接，以将该独立型能量收纳构件收纳的能量转为电能。
13.一种风力发电方法，该风力发电方法至少包括下列步骤将风引入该集风缩管构件；风干该集风缩管构件中得以压缩聚集于一小面积中流通使得风能量聚集程度达到一特定状况；将风引入该能量收纳构件；于该能量收纳构件中，风将部份能量传输给该能量收纳构件；将该能量收纳构件收纳的动能传到该发电机，并且发电机将动能转换成为电能；及将部份能量已被收纳的风经由诱引式排风构件引导到一距特定垂直高度差的空中排出。
14.如权利要求13所述的风力发电方法，其特征在于所述的将风引入该能量收纳构件前，尚且包括一步骤将风中的灰尘及杂物去除。
15.如权利要求13所述的风力发电方法，其特征在于所述的能量收纳构件具有风量调节装置，在风引入该能量收纳构件前，尚且包括一步骤通过利用该风量调节装置，使得风量控制在一定范围内，而使风的能量固定在一定范围之内。
全文摘要
本发明涉及一种风力发电系统及其方法，该风力发电系统是利用管路收缩以集中风的能量来推动能量收纳构件的旋转叶片，并且利用距离地面越远气压越低的原理诱引发电系统排出气流；其包含一集风缩管构件；一能量收纳构件；一诱引式排风构件；一发电机；借由集风缩管构件收纳风流并增加风速，以推动能量收纳构件，进而带动发电机产生电能，达成发电功效。
文档编号F03D1/06GK1548714SQ0312376
公开日2004年11月24日 申请日期2003年5月20日 优先权日2003年5月20日
发明者刘晟耀, 张木全, 游张松 申请人:刘晟耀, 张木全, 游张松