集风式风力发电方法与设备 本发明涉及一种风力发电的方法以及设备，特别是一种集风式风力发电方法与设备。
由于火力发电对环境产生巨大的污染，并且煤炭以及石油等能源的全球储备量有限，而核能发电又有安全危害上的隐忧，同时水力发电供给量又不能满足需求，因此全世界都在寻求新的替代能源。包括利用太阳能、风能、潮汐能量、地热、原生质、海水温差、海水盐分浓度、沼气等等的发电技术中，洁净的绿色能源—风能—的开发利用越来越受到重视。1920年代，人们开始利用风车大规模发电。1931年，在前苏联之Crimean Balaclava地方建造了一座100KW容量的风力发电机，这是最早商业化的风力发电机。目前世界上最大装置为位于美国华盛顿州Goldendale地方的三具MOD-2风力机，每具风力机叶片长300英尺，在风速20mph下(约每秒8.94公尺)，可产生2.5MW电力，足供2000-3000户住家使用。据德国联邦风能协会统计，德国截至2000年底，共装设风力机9375台，共发电6113MW，占总发电量的2.5％，居世界首位。在2000年一年内，德国由于受再生能源法的奖励影响，装机数目增加1496台，增加发电量1668MW。最近台湾的台塑集团在台湾云林县麦寮地区新建了四座传统的风力发电机，每座机器高度50公尺，风扇半径40公尺，运转风速每秒5公尺到15公尺，每部机器发电量660KW，四部机器2640KW，总投资约5亿新台币。根据台湾《经济部能源委员会》的评估，如果风力发电要达到核四厂270万KW的装机容量，需要大约360平方公里的土地，约占台湾土地面积的百分之一。
大自然中的气流，主要是以水平方向移动，垂直的对流运动并不旺盛。因此传统的风力发电设备，大部份的风叶轮都成垂直状设置，并且朝向气流方向，都是利用自然风直接地推动风扇，经由齿轮箱变速，使轮轴部份的发电装置产生电力。传统水平轴式风扇发电装置，有以下几个主要缺点：(一)受风截面积有限，产生的电力受限；(二)传统风扇的极限效率只有59.26％；(三)风轮由齿轮箱变速带动电刷发电，摩擦损耗巨大；(四)大型风叶轮碰到台风来袭时非常容易被吹毁；(五)驱动风叶轮的自然风速有限，发电量受到限制；(六)所需基地截面积很大；(七)风速微弱时无法启动风扇；(八)受边界层效应影响，大型风扇的转动不稳定。
由于这些缺点，使得传统风力发电设备的经济效益不佳，推广因此受到限制。
本发明的目的包括以下所列各项：(一)提供一种具有集风装置，可以汇集大量风能，并且可以调整集风方向与截面积，进而控制发电量的集风式风力发电方法与设备。(二)提供一种具备广大集风截面积的风力发电设备。(三)提供一种低机械损耗的风力发电方法与设备。(四)提供一种不怕台风袭击的风力发电方法与设备。(五)提供一种即使自然风速微弱，也可产生强劲驱动气流，维持风轮运转的风力发电方法与设备。(六)提供一种发电量巨大，具有高效益的风力发电方法与设备。(七)提供一种风能转换成电能时，最大效率不受传统风扇极限效率59.26％限制的风力发电方法与设备。(八)提供一种顺应边界层效应的风力发电方法与设备。
依据流体力学原理可知：“风扇或风轮的发电功率，与空气密度成正比，与风扇或风轮的受风面积成正比，而与作用在风扇或风轮上的气流速度的三次方成正比。”因此，如果要增加风轮或风扇的发电量，有以下三种方法：
1.增加空气密度。这在实务上并不可行。
2增加风扇或风轮的受风面积。这正是目前所使用的方法，设法尽量加大风扇的半径。
3.提升作用在风扇或风轮上的气流速度。这是本发明所使用的方法，也是最有效的方法。
由于传统的风力发电方法是利用自然气流来驱动风扇发电，为了提升发电功率，便以增加风扇或风轮的受风面积的方法来提高发电量，因此风扇的半径越来越大，而支撑用的铁塔也越来越高，但是发电量仍然有限。另外，由于大气的边界层效应，使得风的水平速度会随着高度而变化，同时风速也会不规则的脉动，风扇在转动时会产生不规则且不均衡的作用力。因为传统的风扇是由齿轮箱变速后带动电刷发电，风速超过15-20公尺以后，齿轮箱会因转速过快而产生高热，而且风扇叶片结构也容易损坏，所以风扇必须停止运转。
另一方面，根据流体力学原理可以证明：传统风扇的极限效率只有59.26％，再加上齿轮箱的机械效率大约是70％以下，使得风能转换成电能时的效率，最多只有40％左右。
如上所述，风扇或风轮的发电功率，与作用在风扇或风轮上的气流速度的三次方成正比，因此提高发电量最有效的方法，是增加作用在风扇或风轮上的气流速度。举例而言：如果驱动气流的速度增加了20倍，在理论上，发电量便可增加8000倍；如果驱动气流的速度增加了30倍，发电量便增加27000倍；可以想像，发电量将非常的惊人。
由于传统风扇无法高速运转，因此如果要以增加作用在风扇或风轮上的气流速度来提高发电量，便必须建构一种完全不同于传统的风轮系统以及感应生电的发电装置，同时也必须建构一种控制风轮驱动气流速度的方法与设备。此外，为了增加气流的速度，必须建构一种集风装置，或是利用发电塔的塔体结构，以便汇集自然气流中的质量、能量与动量。为了避免受大气边界层效应的影响，必须建构一种构造新颖的风力发电塔。在另一方面，为了使风力发电的极限效率不受59.26％的限制，必须建构一种崭新的风轮系统以及发电装置。本发明所建构的风轮，其轴心是垂直的，并且由多根风桨做环状排列而成，风桨上有发电装置。本发明系基于上述的流体力学原理以及思维，而创作发明的一种特殊的风力发电方法与设备。
本发明的发明目的是这样实现的：本发明所提供的一种集风式风力发电方法，是利用集风装置或发电塔的塔体结构来汇集风能，以增加作用在风轮上的气流速度，使枢设于发电塔上的风轮快速转动，经由风轮或发电塔上的发电装置而产生强大感应电流，以遽增发电量的一种集风式风力发电方法；上述的风轮，其虚拟的轴心与发电塔的虚拟轴心重合，并与地表成垂直。
本发明有以下四种不同的实施方案：
1.建构两个发电塔、一风轮装置以及一发电装置，将风轮装置枢设于发电塔上，发电装置则安装在该风轮与发电塔上，当风轮转动时可产生感应电流；该二塔，塔体间的净距离不超过风轮直径的二倍，其中一个发电塔固定不动，另一个发电塔具有可移动式的基座；两个塔体的迎风面之间形成一个漏斗状的气流通道，使得该二塔的塔体具有集风的功能，宛如一个虚拟的集风装置；气流通道两侧塔体上的风轮呈左右对称布置，当两侧的风轮受到气流的作用后，会分别的以逆时针或顺时针的方向顺着气流转动，经由发电装置即可产生感应电流；移动其中一发电塔的相对位置，就可以改变上述气流通道中气流的速度并控制风力发电量。
2.建构一集风装置，集风装置的受风口截面积大于出风口截面积，可以汇集风能；另外建构一发电塔、一风轮装置以及一发电装置，将风轮装置枢设于发电塔上，发电装置则安装在该风轮与发电塔上，当风轮转动时可产生感应电流；将上述的发电塔设置于集风装置的出风口处，以出风口处的气流来驱动发电塔上的风轮转动发电；调控集风装置出风口处气流的强弱，即可以控制风力发电量。
3.建构两个发电塔、一风轮装置以及一发电装置，将风轮装置枢设于发电塔上，发电装置则安装在该风轮与发电塔上，当风轮转动时可产生感应电流；塔体间的净距离不超过风轮直径的二倍，其中一个发电塔固定不动，另一个发电塔具有可移动式的基座；两个塔体的迎风面之间形成一个漏斗状的气流通道，使得塔体具有集风的功能，宛如一个虚拟的集风装置；气流通道两侧塔体上的风轮呈左右对称布置，当两侧的风轮受到气流的作用后，会分别的以逆时针或顺时针的方向顺着气流转动，经由发电装置即可产生感应电流；另外建构一集风装置，集风装置的受风口截面积大于出风口截面积，可以汇集风能；将集风装置设于两个发电塔迎风面的前方，使集风装置的出风口接近于上述的漏斗状气流通道的受风口，可以增加集风效果；调控集风装置出风口处的气流速度，就可以控制风力发电量。
4.在一区域内，以群组的方式，混合实施上述的三种集风式风力发电方法。
上述四种实施方案中，建构集风装置的方法是：建构一种具有受风口与出风口的装置，其受风口的截面积相对大于出风口截面积，以便汇集自然气流中的质量、动量与能量，这种集风装置具有固定式或可移动式的基座，可以改变集风方向、受风口截面积、出风口截面积以及其几何形状；上述的受风口以及出风口的横截面，可以是闭合的或非闭合的几何形状。利用移动其相对位置、旋转其方向或改变其几何形状等方法，可调整其集风方向与截面积，进而可控制出风口处驱动气流的速度；采取改变其出风口截面积的方法，也可以控制出风口气流的速度；单独或同时实施上述的几种方法，即可达到调控发电量的目的。
在一个发电塔上，可以装设数十个甚至上百个水平风轮，风轮的轴心与发电塔的轴心重合，与地表成垂直。当某一层风轮需要维修时，可以启动风轮煞车装置，以停止风轮的运动。当强烈台风来袭之前，可以将一塔的所有风叶轮全部刹车锁死，并且移动到另一固定式塔体的背风侧，以避免风轮运转过快，产生庞大的超载电力而危及整个发电设备。
上述的风轮装置，完全有别于传统的任何一种风扇构造，系采用冲动式轮机(Impulse turbines)的原理，配合发电塔的构造所建构的崭新的风轮系统，包括：至少三个集风杯、至少三支集风杯支持杆、一环状轴承、二环状梁、至少三个支持轮、一环状导轨、至少三个煞车装置、一防尘装置；首先将环状轴承安装在发电塔的塔体上，并使环状轴承的虚拟轴心与塔体的虚拟轴心重合；在集风杯支持杆的一端安装集风杯，使集风杯与支持杆构成一支风桨，至少三支风桨做环状排列并枢设于上述的环状轴承上，风桨下方设置二个环状梁，将风桨固定在二个环状梁上，其中一支环状梁下方设有至少三个支持轮，并且相对的设有一环状导轨；另一支环状梁没有支持轮，但其下方设有至少三个煞车装置，当必要时可以启动煞车装置，停止风轮运动，并且将风轮锁死；使环状梁、环状导轨、环状轴承、发电塔塔体四者虚拟的轴心重合；上述集风杯的凹面迎向气流，集风杯的背面则有针状或锥状的突风装置，以减低风轮转动时的空气阻力。采用这种冲击方式的风轮具有较低的比速(Specific speed)，相类似原理已经广泛的被运用在水力发电以及火力发电，其机械效率通常都高于85％以上，大约是传统风扇效率的2到3倍。风轮也可采用高比速螺旋桨式的装置，但其发电效率较差。
风轮直径D、集风杯直径d、比速Ns三者之间的关系为：D/d＝(30-90)/Ns；最佳的是，D/d＝54/Ns，比速Ns最佳是在2-6之间。
上述之发电塔，包括：一个圆柱壳状的塔体，塔体上有若干突出的悬臂环片，至少一上述的风轮被水平枢设于塔上；至少一发电装置、一屋顶、一升降设备及其支持装置、一控制系统、一避雷装置，一测量风速、风压、温度的装置，一接地装置，每一层风轮至少一维修用猫道，一固定式或可移动式的塔体基座；上述风轮的导轨以及煞车装置则安装在塔体的悬臂环片上；塔体从上而下可以安装若干个风轮，每个风轮单独的随着气流转动而产生感应电流；塔体的底部是圆柱壳状、抛物线或双曲线的回转壳体。
上述的发电装置产生感应电流的方法是：将磁极单元与电枢单元(线圈回路)，分别的装置在发电塔以及风轮的相对位置上，当风轮快速转动时，大截面积的线圈回路切割磁场，使得磁通量发生很大的变化，而产生巨大的感应电流。由于采用感应发电，能量损耗率非常低微，发电效率将远超过传统任何一种的风力发电设备。若采用磁浮风轮的技术，发电效率更佳。上述的发电装置包括以下两种实施的形式：1.至少一个固定在发电塔上的磁极单元，以及至少一个装设在风轮上的电枢单元(线圈回路装置)。2.至少一个固定在发电塔上的电枢单元(线圈回路装置)，以及至少一个装设在风轮上的磁极单元。
上述的发电塔以及集风装置较佳的建筑材料为：超高强度的混凝土RPC(reactive powder concrete)，或发明人所研发的超高强度的活性粉末矽钢RPCS(reactive powder complex steel)，或其他高性能的防腐蚀材料。RPCS其强度在180Mpa以上，具备不腐蚀、寿命至少超过一百年、不龟裂、表面光滑细致低风阻、不渗漏、耐候性佳、抗振效果良好等等高性能，性能类似金属。
上述的集风杯，可采用平面板、凹凸板、曲面壳、螺旋形，以及其他具备良好受风功能的形状构造。其铸造材料较佳的是钛合金、炭纤维复合材料、玻璃纤维复合材料、不锈钢或其他高强度材料。集风杯较佳的方式是采用双杯式设计，其回风角度在120度到180度之间，回风角度最佳的是在173度到176度之间。集风杯背面有一种锥状或针状的突风装置，当风轮旋转时，可减少空气的阻力。
本发明较佳的实施方法为上述的第一种方案：首先建构两个发电塔，塔体间的净距离不超过风轮直径的二倍，其中一个发电塔固定不动，另一个发电塔具有可移动式的基座；两个塔体的迎风面之间形成一个漏斗状的气流通道，使得塔体具有集风的功能，宛如一个虚拟的集风装置；气流通道两侧塔体上的风轮呈左右对称布置，当两侧的风轮受到气流的作用后，会分别的以逆时针或顺时针的方向顺着气流转动，经由发电装置即可产生感应电流；移动其中一发电塔的相对位置，就可以改变上述气流通道中气流的速度，并且可以控制风力发电量。双塔之间至少设有一层支持装置，用以抵抗因为狭缝效应产生的塔体偏压，其上装设风速计以及风压计，可将计测资料传输到控制室。
依据1991年6月台湾《经济部能源委员会》出版的(替代能源技术专辑)风力机(Wind Turbine)一书第23页所载，台湾西部地区全年平均风速在每秒5-6公尺的区域，其面积为1602平方公里。本发明若以双塔集风的方式实施，其所需的适合面积约为500M*500M，只有0.25平方公里。
本发明提供的风力发电方法及设备，可以汇集并利用大量的风能，在风速微小的情况下仍然可以维持运转，并且无须担心受到台风的袭击。本发明的实施，可以提供取之不尽、用之不竭的干净能源，使后世子孙免于遭受污染以及核能安全的危害。由于本发明的方法与设备汇集了大量的风能，并且提升了设备的总体效能，因此所产生的庞大电力，将远超过传统任何一种风力发电方法与设备。
为了获得最佳的集风效果，本发明之集风式风力发电设备，最好设置在平坦的海岸、草原、台地之上。另外，可利用巨型储热槽及热交换发电设备或其他蓄电设备等，将离峰电力储存利用，以增加输出电力的稳定性。
下面结合附图详细说明本发明集风式风力发电方法及设备的较佳实施例。
图一集风式风力发电方法第一种实施例的示意图
图1A第一种实施例的平面示意图
图1B第一种实施例的流线示意图
图1C第一种实施例发电塔移动方向调整发电量的示意图
图1D第一种实施例发电塔移动方向避免飓风时产生超载电流的示意图
图1E第一种实施例当风向改变时发电塔调整集风方向的示意图
图二集风式风力发电方法第二种实施例的示意图
图2A第二种实施例的示意图
图2B第二种实施例当风向改变时集风装置调整集风方向的示意图
图三集风式风力发电方法第三种实施例的示意图
图3A第三种实施例的示意图
图3B第三种实施例当风向改变时集风装置调整集风方向的示意图
图3C第三种实施例当飓风时集风装置作为发电塔防风罩的示意图
图四集风式风力发电方法第四种实施例的示意图
图五控制集风装置出风口气流速度的四种方法示意图
图5A改变集风装置方向以控制出风口气流速度的方法示意图
图5B改变集风装置受风口截面积以控制出风口气流速度的方法示意图
图5C改变集风装置出风口截面积以控制出风口气流速度的方法示意图
图5D改变集风装置几何形状以控制出风口气流速度的方法示意图
图六双塔集风式风力发电设备实施例的正视图
图七双塔集风式风力发电设备实施例的剖视图
图7A双塔集风式风力发电设备实施例的剖视图
图7B双塔集风式风力发电设备实施例的移动式基座平面示意图
图八风轮装置实施例的示意图
图九集风杯以及发电装置实施例的示意图
图9A集风杯以及发电装置实施例的剖视图
图9B集风杯实施例的剖视图
图9C环状梁、导轨、支持轮、刹车装置实施例的剖视图图中的元件代号：集风装置10 受风口11 出风口12 发电塔20 屋顶21塔体结构22 移动式基座23 悬臂环片24 避雷装置25内柱壳30 升降设备31 猫道32风速计40 风压计41 塔体间支持装置42风轮50 风桨51 集风杯52 回风角54 支持杆55集风杯背面突风装置53 环状梁60 支持轮61 导轨62刹车装置63 防尘装置64 感应式发电装置70
本发明的集风式风力发电方法与设备，有以下各种实施的方法：
1.如图一所示，用双塔集风的方式实施：建造两个发电塔20，两塔上的风轮50成左右对称布置，两塔距离很近使塔体具有集风的功能，利用塔体间狭缝的气流来推动风轮50发电。
2.如图二所示，可以用一集风装置10及单一发电塔20的方式实施：建构一集风装置10，在此装置的出风口12处设置风力发电塔20，塔上设有风轮50，风轮50转动时由发电装置70产生感应电流。
3.如图三所示，用一集风装置10及双塔集风的方式实施：利用第1种方法，另外在两个塔体的迎风侧建造一个大的集风装置10，利用集风装置10来增加集风发电的效果。
4.如图四所示：在一区域内，以群组的方式实施上述的3种方法。
如图五所示，是本发明集风装置10控制出风口风速的四种方法，包括：改变集风方向(图5A)、改变受风口11截面积(图5B)、改变出风口12截面积(图5C)以及改变集风装置的几何形状(图5D)等方法；
图六以及图七所示，是本案之较佳实施例，是双塔集风式风力发电设备，塔体本身兼具集风装置10的功能。图八所示，是风轮装置50的实施例；图九所示，是集风杯52与发电装置70的实施例。
本发明之较佳的实施例，其方法如图一所示，其设备部份如图六以及图七所示，包括：至少二直立的柱状发电塔20，一可调整集风方向和截面积进而控制发电量之集风装置10，二个塔体结构22，一支持装置42设于两座塔体间，至少一风轮50被枢设于上述两个发电塔的塔体结构22之上，风轮50至少有一感应式发电装置70。
发电塔20本身是虚拟的集风装置10，塔体20可以是任意的回转曲面体，较佳的是两个半径巨大且高耸的圆柱形发电塔，其一为固定式塔体20，另一为可沿着环向移动的塔体20。双塔间的距离只有塔体直径的数十分之一，水平气流受到两个塔体20的拦截后，流经塔体20间的狭缝，风速急遽的增强，因此产生巨大推力，推动水平风轮50，利用低损耗的发电装置70而产生极其巨大的电力。由于边界层效应以及自然气流脉动效应的影响，气流的水平速度随着高度而发生变化，为了充分运用自然风力，两个圆塔从上到下，可装置数十个或上百个各自独立的水平环状风轮50。
塔体20顶部具有一个飞碟状的屋顶21，提供作为观光、避雨、餐厅、控制室等使用，其上设有避雷装置25。筒状的塔体支持部22内缘贴附着不锈钢钣，并且连接到地层深处，以防止漏电或雷击时产生电击意外。塔内设有升降设备31，可以直通塔体的屋顶21，提供人员、机具、设备、物料等的运输之用。升降设备31直径数公尺，其外部是具有开孔的管状支撑结构，较佳的是采用超高强度的活性粉末矽钢RPCS，或超高强活性粉混凝土RPC等材料来建造。升降设备31与塔体支持装置22之间，设置猫道32，做为维修时人员与设备的运输通道。
双塔之间至少设有一层支持装置42，用以抵抗因为狭缝效应产生的塔体偏压，其上装设有风速计40以及风压计41，可将狭缝间的各项计测资料传输到控制室。支持装置42具有伸缩功能，可以随着塔体20间的距离而改变长度。
双塔之一为固定式建筑，另一塔以固定塔为中心，其下方设置巨大的移动式基座23，以巨型齿轮和油压装置驱动塔体20，使得塔体20可以移动，而达到调整集风方向，改变塔体间狭缝中驱动风速，以控制发电量的目的。
如图六、图七及图八所示，风轮50被枢设于发电塔塔体22的外缘，由多支风桨51呈环状排列装置而成，较佳的铸造材料是钛合金。风桨51具有一个集风杯52，及一个支持杆55。集风杯52较佳的是采用双杯式的设计以增加稳定性，为了取得最大效益，集风杯52回风角度54在173度到176度之间。集风杯52的背面设置一个圆锥状的突风装置53，以有效地减低逆风时的阻力。集风杯支持杆55，较佳的是一长而扁平的钛合金构造，支持杆55的一端装置集风杯52，另一端枢设于集风塔支持部22外缘的轴承处，支持杆55中间装设有大截面积的感应式发电装置70。各支集风杯支持杆55之间有一环状梁60，环状梁60具有支持与稳定风轮运动的作用，环状梁60设置有支持轮61以及多个刹车装置63，其下方对应的设有环状导轨62，接近塔体外缘处另设有防尘装置64，可以防止空气中的尘埃堆积，影响到发电装置70的效能，风轮50的虚拟轴心与塔体20虚拟轴心相重合，与地表成垂直。
风轮50直径D、集风杯52直径d、比速Ns三者之间的关系为：D/d＝30-90/Ns，最佳的是D/d＝54/Ns，比速Ns最佳是在2-6之间。
当某一层风轮50需要维修时，可以启动刹车装置63，以停止风轮50的运动。如图二所示，当强烈台风来袭之前，可以将一塔的所有风轮50全部刹车锁死，并且移动到另一固定式塔体20的背风侧，以避免风轮运转过快，而产生过大的超载电力危及整个发电设备。
感应式发电装置70具备一磁极单元以及一电枢单元，分别装设于每一风桨51的支持杆55部位以及塔体悬臂环片24上。风轮50快速旋转时，大截面积的线圈回路切割磁场，使得磁通量发生很大变化，而产生巨大的感应电流。
本发明的较佳实施例是双塔集风式风力发电方法与设备，其理论上的发电量，以流体力学原理推算结果如下：
离地面高度h公尺处，风轮的发电量为，(FU)h＝ρQUVr(1-COSθ)双塔的总发电量W为：W＝2×∑H(FU)h其中：∑H＝沿着塔体高度H范围内求取总和H＝塔体装设风轮的范围D＝发电塔直径d＝塔体间狭缝的净距离ρ＝空气密度Q＝作用在集风杯上的气流量θ＝集风杯的回风角A＝集风杯的受风面积ζ＝风轮发电的机械效率＝风轮切线速度与狭缝风速的比例系数h＝离地面的高度α＝地表的粗糙度系数V10＝离地面高度10公尺处的水平风速Vh＝离地面高度h公尺处的水平风速＝V10(h/10)αVS＝二塔体间的狭缝风速＝Vh(1+D/d)Q＝作用于集风杯的气流量＝VSAη
在上述图示以及说明中，举出了本发明实施方法与设备的示意图，以及一些本发明较佳的实施例，并且以理论推估以及简要的计算结果，说明了本发明在产业上的具体可行性及利用价值。但这些实施例不应限制本发明的专利保护范围。任何相关知识或技能者，若利用本发明方法与设备的主要特征进行若干细节上的变化，均应含括与本发明的专利保护范围。