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作者:許博爾(2006-04-03);推薦:徐業良(2006-04-05)

小型風力發電機遠端監測系統專利技術檢索與分析

本文首先針對小型風力發電機遠端監測系統作一簡介,以對其整體技術發展現況有所瞭解。接著本文就該系統的細部技術以專利技術為主、文獻探討為輔的方式進行更為詳細的介紹,希望藉此了解小型風力發電機遠端監測系統的專利狀況以及技術特點。同時本文並對現有技術其開發動向、運用手法與其達成效進行交叉分析,以期在舊有技術領域中看出可開發的新區域,藉以擬定技術研發與創新設計之切入點,建立有別於現有產品之市場與技術區隔。

1.         小型風力發電機遠端監測系統簡介

1.1 風力發電機遠端監測系統簡介

1為一般風力發電機遠端監測系統的組成,又可分為發電機運轉狀況監測系統與風場氣候環境監測系統。發電機運轉狀況監測系統主要是保護機組在設定的參數範圍內進行運轉,並透過該系統提升整體發電效率;而風場氣候環境監測系統,則以監測外在環境參數協助風力機運轉之控制,以延長風力發電機組使用年限。

當感測元件接收到感測元件傳來風場氣候環境或發電機運轉狀況監測訊號後,將訊號傳遞至訊號轉換器進行訊號源的轉換,以便於I/O控制器的處理;而感測元件亦可將訊號直接傳遞到I/O控制裝置,之後I/O控制裝置便可依據感測元件傳遞的訊號進行立即性的控制或後送至遠端監測中心。

致動器可以直接依據I/O控制裝置所傳遞的訊號產生動作,或是經過訊號轉換器處理過的訊號來進行動作。而在遠端監測的部份,經過I/O控制裝置傳遞的訊號可由顯示幕顯示感測元件所得的資訊並加以記錄,或靠控制器進行遠端的風力機控制。

1. 風力發電機遠端監測系統組成

1.2 風力發電機遠端監測技術簡介

風力發電機遠端監測系統重要技術包括感測元件、數據通訊、I/O控制裝置、與訊號處理等,以下即對監測系統中的重要技術作一簡介。

(1)    感測元件

在小型風力發電機遠端監測系統中,常用的感測元件有風速、風向、電流、電壓、與轉速感測器等。以風速計為例,常用的類型有風杯式、超音波、與熱線式風速計,如圖2所示。

2. 各式風速計。由左至右分別為風杯式、超音波、熱線式

風杯式風速計之原理是因風杯凹面較凸面受的風力為大,因而轉動,風杯式便藉由風杯的轉動速度測得風速大小。超音波風速計是利用超音波偵測氣流移動速率來計算風速之高精密儀器,三維超音波風速計可同時量測三個座標方向之氣流速度,計算三個座標方向氣流的合向量即可求出測試點風速大小與方向,準確度與精度皆優於一般風速計。熱線式風速計是以被電流加熱的金屬絲在流動的空氣使它散熱,利用散熱速率和風速的平方根成線性關係,再通過電子線路線性化(以便於刻度和讀數)即可製成,此種風速計在小風速時靈敏度較高,適用於對小風速測量。

(2)    訊號處理與I/O控制裝置

訊號的種類基本上可以分為類比與數位訊號,當訊號種類無法與I/O控制裝置或無線通訊配合時,就必須靠類比/數位訊號轉換器(A/D)或數位/類比訊號轉換器(D/A)來進行訊號的轉換,但因感測器的輸出訊號通常很小,所以在訊號轉換前通常會有一個運算放大器(Operational Amplifier)來做訊號的放大才可提高訊號的分解能力。

而在訊號被放大與轉換後,可傳遞至I/O控制裝置做進一步的控制,或傳輸到遠端監測中心儲存、顯示或控制,因此訊號會在I/O控制裝置做再次的處理。基本上,I/O控制裝置是以數位訊號處理器(DSPDigital Signal Processor)為主,與類比處理相較,數位方式可經由一般電路和裝置來執行複雜的計算和不受電路元件劣化的影響,DSP裝置具微處理器、可程式化功能,同時能做到高速且高精確度的積和運算。

(3)    數據通訊

數據通訊的種類繁多,可概分為有線與無線通訊技術。有線通訊主要用於大型的風力機,如以光纖或同軸電纜作為遠端監測的數據傳遞通道,但因有線通訊技術的維護費用較高和無線通訊技術的突破,使得目前逐漸以無線通訊技術作為數據通訊之主流技術。

而無線通訊可依傳輸媒介分為兩大類,利用光傳輸以及無線電波傳輸。由於小型風力發電機的監測範圍與障礙物的關係,無線電波的傳輸方式較適合監測系統的使用。無線電波又區分為展頻技術、窄頻微波、與藍芽(Bluetooth)等,一般熟知的無線網路即是以展頻技術為主,其優點有節省網路的建設成本、縮短網路建構時間、高移動性、與可靠度增加。

2.         小型風力發電機遠端監測系統專利檢索策略

本文對小型風力發電機遠端監測系統專利檢索的地區定為美國地區之專利資料。在小型風力發電機遠端監測系統的技術領域中,telemeterremote “monitor”“transfer”“transmit” 等詞彙為描繪遠端監測系統時常用的英文名稱,而風力發電機的英文辭彙則以“windmill”“wind power generator”“wind power”“wind turbine”等較為常見,因此本研究將以這些關鍵字及其他相關變化詞,在專利摘要(Abstract)、專利範圍(Claim)與參考文獻(References)中進行檢索,檢索日期自198611200611止。由於各國專利權人所申請之專利多在美國有對應之專利,因此初步檢索範圍限制在USPTO中已公告的專利,之後再依據其國際專利技術分類碼(IPC)與美國專利技術分類碼(UPC)將個別核心技術(如發電機控制裝置、風力機控制與控制裝置中的訊號處理等)以及各種類型的風力發電機監測系統方式作一有效分類。表1為小型風力發電機遠端監測系統專利檢索背景設定。

1. 小型風力發電機遠端監測系統美國專利檢索背景設定

搜尋公司

不限

搜尋地區

美國

搜尋年份

1986/01/01~2006/01/01

搜尋欄位

專利摘要(Abstract)、專利範圍(Claim)、參考文獻(References)

搜尋語言

英文

資料庫名稱

USPTO專利資料庫(主),Delphion專利資料庫(輔)

關鍵字

telemeter” , “remote” , “monitor” , “transfer” , “transmit”

“windmill” , “wind power generator” , “wind power” , “wind turbine”

檢索語法

ISD/(01/01/1986->01/01/2006) and

(ACLM/(telemeter$ or (remote$ and monitor$) or sensor$ or ((transfer$ or transmit$) and data)) or

ABST/(telemeter$ or (remote$ and monitor$) or sensor$ or ((transfer$ or transmit$) and data))) and

(ABST/("wind turbine" OR windmill OR "wind power generator") or

ACLM/("wind turbine" OR windmill OR "wind power generator"))

利用USPTODelphion專利資料庫交互檢索,並經由人工篩選後得到小型風力發電機遠端監測系統技術之美國公告專利共計243件,後續分析皆以已確認之美國公告專利為專利分析範圍。以下即針對此243件小型風力發電機遠端監測系統技術之美國公告專利進行技術分析。

3.     小型風力發電機遠端監測系統技術分析

根據國際專利分類(International Patent Class, IPC)與美國專利分類(United States Patent Classification, UPC)的交叉分析,可以歸納出應用面相似的重點技術。本節中主要是利用IPCUPC分類,對先前已搜尋、篩選出的小型風力發電機遠端監測系統技術之美國公告專利進行再次分類檢索,再利用專利分析方法和相關文獻對遠端監測系統之IPCUPC分類技術進行分析,其分析資料是以領域相近以及分類技術數量較多的分類號為其主要分析依據。

3.1 感測元件與訊號處理相關專利技術

專利號US5422826名稱為“Microcontroller based control system for use in a wind turbine”,其技術特徵是將多個監測訊號利用多個微處理器進行分散式的訊號處理,另外,該系統具有輸入與輸出的終端機,並經由邏輯電路的判斷來傳輸監測訊號與控制訊號,以操作風力發電機。

專利號US5332354名稱為“Wind turbine housing and apparatus”,該技術是將風向感測器與風力機轉子進風口排列呈直線,以感測器監測風向的變化來控制離心式的風力機運轉。

專利號US6966754引證US5332354的技術,名稱為“System and method for monitoring a wind turbine”此技術應用了視覺與聽覺的技術在風力機的運轉監測上,並將監測後的訊號傳遞至遠端的監控中心進行分析與控制。如圖3為該專利之技術代表圖,其中元件5與元件6代表攝影機。

3. US6966754技術代表圖

專利號US6785637名稱為“Method for monitoring wind power plants”,該技術是以聽覺的方法對風力機進行監測,利用一裝置監測風力機運轉的聲音,並比對運轉期間與預設的音頻是否超出預設值,之後便將訊號傳遞至遠端的監測中心進行處理。

在監測系統應用之專利技術中,可發現風力機的感測元件除習知的風速、風向、電流、電壓、與轉速等感測元件外,以聽覺或視覺的感測元件也有所運用,如攝影機、麥克風等,感測元件訊號的處理方式也在專利技術中有所發展。

3.2 控制裝置相關專利技術

以四階IPC分類與一階UPC分類的重點技術領域為再檢索策略,可得到共76件的專利技術應用在控制裝置上,表2IPCUPC分類技術中屬於控制裝置技術專利數量較多的分類號。其中四階IPC技術分類分別是以H02P9「用於取得所需輸出值之發電機的控制裝置」和F03D7「風力發動機之控制」的技術領域為主,而一階UPC的技術分類則是依322「電學;單一發電機系統」的技術領域為其核心。

2. 小型風力發電機遠端監測系統之控制裝置專利主要專利技術分類及內容

分類號

技術分類意義

專利件數

H02P9 (IPC)

用於取得所需輸出值之發電機的控制裝置

49

F03D7 (IPC)

風力發動機之控制

27

322 (UPC)

電學;單一發電機系統

66

根據此三項的重點技術領域並配合引證關係加以分析,可篩選出在控制裝置領域上較具代表性的專利技術,表3H02P9F03D7322分類中的專利交互引證前五名關係表,由此表的關係可以暸解在小型風力發電機遠端監測系統裡控制裝置的技術現況。

3. 小型風力發電機監測系統之控制裝置專利技術交互引證前六名

專利號

交互引證數

專利名稱

US5390068

16

Microprocessor based integrated generator set controller apparatus and method

US5083039

8

Variable speed wind turbine

US5225712

7

Variable speed wind turbine with reduced power fluctuation and a static VAR mode of operation

US5155375

7

Speed control system for a variable speed wind turbine

US4703189

7

Torque control for a variable speed wind turbine

US5289041

7

Speed control system for a variable speed wind turbine

專利號US5390068名稱為“Microprocessor based integrated generator set controller apparatus and method”,是以PID控制的方法來同時控制電流與電壓。此裝置用微控制器以監測發電機的電流波形並決定適當的傳輸訊號傳遞到發電機,進而控制發電機的效率;除此之外,該控制裝置亦可接受其他控制訊號的輸入與輸出進行控制。圖4為其控制流程圖。

專利號US5083039名稱為“Variable speed wind turbine”,該技術以多個感測器監測風力機之轉矩是否符合運轉目標,當轉矩未達預定的需求時,控制器會藉由2相或3相發電機的控制使轉矩達到預定的需求,反之轉矩過大時,控制器會經由2相或3相的發電機降低轉矩。

專利號US5225712名稱為“Variable speed wind turbine with reduced power fluctuation and a static VAR mode of operation”,此技術是經由電流感測器和風力機轉矩之監測來操作發電機的轉矩,並透過VAR(Visual-Aural Range)方法與充電放電比的控制使風力發電機的電能更為平順的輸出。

控制裝置相關專利技術中,風力機監測系統中的控制裝置大部分均有相關的感測器對於發電機運轉狀況(如轉子之轉矩)進行監測,並依據監測訊號對發電機進行立即性的調整,或將資訊封包進行遠端的傳遞。

3.3 監測系統之數據傳輸相關專利技術

風力機監測系統與遠端控制中心的數據相關專利技術中,以無線通訊為主要傳輸方法,以下針對數據傳輸之專利技術進行說明。

專利號US69705395名稱為“Remote operation system for air conditioning apparatuses, remote operating method for air conditioning apparatuses and base station for performing remote operation of air conditioning apparatuses”,該技術是將各感測元件的訊號儲存於各儲存器中,利用有線傳輸將各儲存器與各功能作一連結形成通訊平台,而該平台可利用有線的傳輸或網際網路傳輸的方式進行監測資料的讀取、控制,其中網際網路的傳輸方式更可藉由網頁讀取資料或控制,圖4為該技術之系統架構。

4. US69705395系統架構

專利號US6255942名稱為“Wireless communications platform”,此技術是將記憶體中的監測資料進行處理後,透過整合服務數位網路(Integrated Services Digital Network, ISDN)、其他無線方法、或衛星將其傳送出去,而其傳輸的資料可以是影像、聲音或資訊;該技術的應用範圍甚廣,只需配合不同的感測器即可進行遠距離的監測,圖5為其系統架構。

5. US6255942系統架構

4.     小型風力發電機遠端監測系統應用

6為台北科技大學之風力發電監測系統架構圖【陳朝龍、龍仁光、張瑞峰、鄭超元、高文秀,民九十三年】,依其功能區分可分為風況調查、網路傳輸、與網路控制等三個子系統部分。此系統的作動方式是先利用風況調查系統對整體監測參數進行監測並存於記錄器中,再透過網路傳輸系統將資料傳送至網路控制器存於伺服主機或網路之網頁,進行資料讀取與控制,而後續處理則可由伺服主機中儲存的資料進行統計分析。以下即就這三個子系統作更詳細的說明。

6. 台北科技大學之風力發電監測系統架構圖

(1)   風況調查子系統

風況調查子系統主要是由各項感測元件共同組成,如風速計和風向計,在經感測元件對監測參數進行資訊的收集後,便會將該資訊交由紀錄器來記錄,而除紀錄風向與風速外,記錄器也記錄風力發電機的輸出功率、溫度、及溼度,可以自動收集與儲存資料約6~12個月。記錄器並能透過RS-232直接連結電腦或數據機,用來更改設定與資料下載。

(2)   網路傳輸子系統

記錄器以RS-232連結數據機(Modem),利用數據機連接一無線寬頻路由器(Wireless Broadband Router)作為有線和無線網路的連接,並可透過路由器與集線器(Hub)的連結形成區域網路,其中有線的內部區域網路在乙太網路下,頻寬可達10Mbps;而以路由器來規劃整體網路架構可以節省IP位置、內建防火牆和分配IP及所對應之負載的資料傳輸與控制等。

(3)   網路控制子系統

網路控制系統是利用網路控制器來進行控制,其特色包含使用既設乙太網路、多人同時監看與即時設備反應等,IT功能則有網頁狀態顯示、網頁上操作與設定、警報電子郵件傳送與TCP/IP通訊協定等。基本上此系統中之網路控制器是一媒介,透過其傳輸上的設定將網頁上的設定傳送至風力發電機上,並將風力機的即時資訊作一顯示以及傳遞至伺服主機進行存放。

參考資料

陳朝龍、龍仁光、張瑞峰、鄭超元、高文秀,中小型風力與太陽能發電監控系統,機電整合雜誌,九十三年六月,p.112~118