專利名稱：利用風(fēng)力發(fā)電的系統(tǒng)及方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及風(fēng)力發(fā)電領(lǐng)域，特別是涉及一種利用風(fēng)力發(fā)電的系統(tǒng)以 及一種利用風(fēng)力發(fā)電的方法。
背景技術(shù)：
風(fēng)力是一種清潔的、永不枯竭的能源，利用風(fēng)力來發(fā)電是世界上快 速發(fā)展的一種發(fā)電方式。圖1是一種風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的框圖。如圖1所示， 該風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)包括風(fēng)車系統(tǒng)、齒輪箱以及異步發(fā)電機(jī)，其中，風(fēng)車系 統(tǒng)包括多個風(fēng)車，每個風(fēng)車將風(fēng)能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能后，通過一個齒輪箱傳 動至一個異步發(fā)電機(jī)，由異步發(fā)電機(jī)將機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電能。異步發(fā)電機(jī) 所產(chǎn)生的電聯(lián)入電網(wǎng)，再輸送至各個用戶家中。如果是家庭用的小型風(fēng) 力發(fā)電系統(tǒng)，異步發(fā)電機(jī)所產(chǎn)生的電可以直接連接至家庭的供電系統(tǒng)。
發(fā)電機(jī)是風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的核心部分。風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)所用的發(fā)電機(jī)通 常包括恒速恒頻發(fā)電機(jī)和變速恒頻發(fā)電機(jī)。恒速恒頻發(fā)電機(jī)的定槳距控 制系統(tǒng)通過失速控制來保持發(fā)電機(jī)的速度恒定，進(jìn)而保證輸出電壓的頻 率和幅值恒定。但是，定槳距控制系統(tǒng)所能適用的風(fēng)速范圍相對較小， 因此對風(fēng)能的利用率相對較低。
變速恒頻發(fā)電機(jī)能夠適用的風(fēng)速范圍較大，可以最大限度地捕捉風(fēng) 能，提高風(fēng)能的利用效率。變速恒頻發(fā)電機(jī)所使用的永磁同步電機(jī)或雙 饋電機(jī)是風(fēng)力發(fā)電的發(fā)展趨勢。但是，變速恒頻發(fā)電機(jī)的費(fèi)用遠(yuǎn)比恒速 恒頻發(fā)電機(jī)昂貴。
另外，恒速恒頻發(fā)電機(jī)和變速恒頻發(fā)電機(jī)都需要使用價格昂貴的逆 變器，并且逆變器在上述風(fēng)力發(fā)電的應(yīng)用中容易損壞。因此，上述風(fēng)力 發(fā)電系統(tǒng)不僅需要很高的設(shè)備成本，而且也需要很高的后期維護(hù)成本。中國專利申請200610026128.0公開了一種風(fēng)力水力聯(lián)合發(fā)電的方 法。該專利申請將風(fēng)力提水與水力發(fā)電相結(jié)合，利用現(xiàn)有的小型水電站， 在其大壩附近安裝一臺或多臺中揚(yáng)程灌溉型變扭矩泵滾子泵風(fēng)力提水 機(jī)，將水從下游提升到上游(包括多級提升)，再同正常發(fā)電的水一起 推動水輪機(jī)發(fā)電。由于水輪機(jī)、發(fā)電機(jī)以及輸變電設(shè)備都是水電站已有 的設(shè)備，所需增加的投入只有風(fēng)力提水機(jī)及相應(yīng)的提水管線，因此可以 降低設(shè)備成本。并且，該方案不需要上述恒速恒頻發(fā)電機(jī)和變速恒頻發(fā) 電機(jī)所用的逆變器，所以還降低了后期維護(hù)成本。
上述專利申請200610026128.0要求所使用的滾子泵的速度隨著風(fēng)速 的變化而變化。 一般而言，風(fēng)速的變化范圍大約在6米/秒到18米/秒， 所以滾子泵的速度也需要具有較大的變化范圍。當(dāng)滾子泵的速度變化較 大時，對滾子泵提水的穩(wěn)定性具有很大的不利影響。例如，由于滾子泵 在低速時無法提水，那么在風(fēng)速較低并導(dǎo)致滾子泵的轉(zhuǎn)速相應(yīng)也較低時， 滾子泵無法提水，從而導(dǎo)致該風(fēng)力水力聯(lián)合發(fā)電方法在低風(fēng)速時無法發(fā) 電。為了應(yīng)對風(fēng)速的變化，需要給滾子泵配備齒輪箱，并且要求所用齒 輪箱能夠適應(yīng)較大的風(fēng)速范圍。而這種齒輪箱的設(shè)備成本和后期維護(hù)成 本也非常高。

發(fā)明內(nèi)容
有鑒于此，本發(fā)明提出了一種利用風(fēng)力發(fā)電的系統(tǒng)，用以在任意風(fēng) 速時都能發(fā)電。本發(fā)明還提出了一種利用風(fēng)力發(fā)電的方法，用以在任意 風(fēng)速時都能發(fā)電。
為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供了一種利用風(fēng)力發(fā)電的系統(tǒng)，包括
至少一個風(fēng)車；
至少一個活塞泵，每個活塞泵通過一傳動機(jī)構(gòu)與一個所述風(fēng)車相連 接，所述活塞泵受所述風(fēng)車驅(qū)動而將水從低處提升至一高位水池；
至少一個水力發(fā)電設(shè)備，所述水力發(fā)電設(shè)備由從所述高位水池流下 的水帶動從而發(fā)電。
優(yōu)選地，所述活塞泵包括一個泵筒、 一個底閥和一個活塞，所述活
5塞具有一個止回閥，且所述活塞與所述傳動機(jī)構(gòu)相連接。
優(yōu)選地，所述活塞泵包括一個泵缸和一個活塞，所述活塞與所述傳
動機(jī)構(gòu)相連接；在所述活塞行程的一端，所述泵缸在所述活塞泵的入口
方向和出口方向分別連接有一個單向閥；在所述活塞行程的另一端，所
述泵缸在所述活塞泵的入口方向和出口方向分別連接有一個單向閥。
優(yōu)選地，所述傳動機(jī)構(gòu)包括一根杠桿和一個凸輪或偏心輪；所述凸
輪或偏心輪由風(fēng)車驅(qū)動，并帶動所述杠桿運(yùn)動；所述杠桿的一端與所述
活塞泵的活塞相連接。
在上述技術(shù)方案中，所述風(fēng)車通過傳動帶或齒輪驅(qū)動所述凸輪或偏心輪。
優(yōu)選地，所述活塞泵的活塞通過一活塞桿或者一軟繩與所述傳動機(jī) 構(gòu)相連接。
所述利用風(fēng)力發(fā)電的系統(tǒng)還包括一個方向調(diào)節(jié)裝置，用來調(diào)節(jié)所述
活塞桿或軟繩的方向。
所述利用風(fēng)力發(fā)電的系統(tǒng)包括多于一個的活塞泵，并且每個活塞泵
的提水時間與其它活塞泵錯開。
本發(fā)明還提供了一種利用風(fēng)力發(fā)電的方法，包括以下步驟 利用風(fēng)力驅(qū)動至少一個活塞泵，將水從低處提升至一高位水池； 使水從所述高位水池流下，并帶動至少一個水力發(fā)電設(shè)備發(fā)電。 優(yōu)選地，該方法采用多于一個活塞泵，并且每個活塞泵的提水時間
與其它活塞泵錯開。
從上述方案中可以看出，由于本發(fā)明用來提升水的活塞泵不存在由
于風(fēng)速過低而不能提水的情況，從而能夠在任何風(fēng)速時都能提升水，使
得在任何風(fēng)速時都能發(fā)電。本發(fā)明除了可以使用單作用活塞泵，還可以
使用雙作用活塞泵，從而進(jìn)一步能夠提高對風(fēng)能的利用率。
本發(fā)明還進(jìn)一步提出了一種獨(dú)特的傳動機(jī)構(gòu)，只在活塞泵的活塞上
升時利用風(fēng)力提升活塞，而在活塞下降時不利用風(fēng)力下壓活塞，從而減
少風(fēng)能浪費(fèi)，提高風(fēng)能的利用效率。
本發(fā)明還進(jìn)一步利用多于一個的活塞泵，并將各個活塞泵的提水時
間錯開，從而使得這些活塞泵的總提水量保持相對的穩(wěn)定，進(jìn)而使得水
力發(fā)電設(shè)備平穩(wěn)地運(yùn)行。


圖1為現(xiàn)有技術(shù)中風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖。
圖2為本發(fā)明實(shí)施例中利用風(fēng)力發(fā)電的系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖。
圖3為本發(fā)明實(shí)施例中一種示例性活塞泵的結(jié)構(gòu)示意圖。圖4為本發(fā)明實(shí)施例中另一種示例性活塞泵的結(jié)構(gòu)示意圖。圖5為本發(fā)明實(shí)施例中一種示例性傳動機(jī)構(gòu)的示意圖。
具體實(shí)施例方式
為使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和優(yōu)點(diǎn)更加清楚，以下舉實(shí)施例對本發(fā)明進(jìn)一步詳細(xì)說明。
圖2示出了本發(fā)明實(shí)施例的一種利用風(fēng)力發(fā)電的系統(tǒng)。如圖2所示，該利用風(fēng)力發(fā)電的系統(tǒng)包括至少一個風(fēng)車、至少一個活塞泵以及至少一個水力發(fā)電設(shè)備。
其中，每個活塞泵通過水管分別連接至低位水池和高位水池，并且每個活塞泵通過一傳動機(jī)構(gòu)與一個風(fēng)車相連接，從而使得風(fēng)車能夠驅(qū)動相應(yīng)的活塞泵將水從低位水池提升至高位水池。簡明起見，圖2中只示意性地顯示了一個活塞泵。
各個水力發(fā)電設(shè)備通過水管連接至高位水池。從高位水池流下的水帶動水力發(fā)電設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)從而發(fā)電。流過水力發(fā)電設(shè)備的水可以流入低位水池，以便循環(huán)使用，也可以排入其它地方。
本發(fā)明實(shí)施例中的高位水池可以是水池、水庫、水箱等能夠蓄水的設(shè)施，低位水池可以是水池、水庫、河流等，只要其能夠提供水源即可。低位水池和高位水池的高度差需要滿足水力發(fā)電的要求，在本實(shí)施例中優(yōu)選為100米左右。
圖3是本發(fā)明實(shí)施例中一種示例性活塞泵的示意圖。圖3所示的是一種單作用活塞泵，該單作用活塞泵包括一個泵筒、 一個底閥和一個活塞。其中，底閥和活塞位于泵筒中，并且底閥位于泵筒下部，活塞在底閥上方并且可以沿泵筒上下運(yùn)動?；钊ㄟ^一活塞桿與傳動機(jī)構(gòu)相連接，并且該活塞具有一個止回閥，該止回閥在活塞向下運(yùn)動的下沖程中打開，在活塞向上運(yùn)動的上沖程中關(guān)閉。底閥在活塞向上運(yùn)動的上沖程中打開，在活塞向下運(yùn)動的下沖程中關(guān)閉。
圖3左側(cè)顯示了該單作用活塞泵的下沖程的示意圖。在下沖程中，底閥關(guān)閉，活塞由于傳動機(jī)構(gòu)的作用或者由于活塞自身及傳動機(jī)構(gòu)的重力而向下運(yùn)動，活塞的止回閥打開，活塞和底閥之間的水通過止回閥進(jìn)入活塞上方的泵筒內(nèi)。
圖3右側(cè)顯示了該單作用活塞泵的上沖程的示意圖。在上沖程中，活塞由于傳動機(jī)構(gòu)的作用而向上運(yùn)動，帶動活塞上方的水也向上運(yùn)動，從而流入高位水池；在此過程中，底閥打開，底閥下方的水被吸入底閥與活塞之間的泵筒中。
如圖3所示的單作用活塞泵在風(fēng)力的驅(qū)動下不停地重復(fù)上述下沖程和上沖程，從而將水從低處(例如低位水池)提升至高位水池。無論風(fēng)速多快或者多慢，活塞泵都能夠提升水，這就使得在任何風(fēng)速下都有水被提升至高位水池，從而能夠持續(xù)地發(fā)電。
圖4為本發(fā)明實(shí)施例中另一種示例性活塞泵的結(jié)構(gòu)示意圖。該活塞泵為一種雙作用活塞泵。如圖4所示，該雙作用活塞泵包括一個泵缸、四個單向閥(圖中的單向閥i、單向閥2、單向閥3和單向閥4)和一個
活塞。在圖4所示的活塞泵中，活塞位于泵缸內(nèi)，通過一活塞桿與傳動機(jī)構(gòu)相連接，并且該活塞并不具有止回閥(與圖3所示活塞閥不同)。在活塞行程的一端(例如圖4所示活塞閥的上端)，泵缸在活塞泵的入口方向連接有一個單向閥2，在活塞泵的出口方向連接有一個單向閥1，并且單向閥1打開時允許水從泵缸流向出口方向，單向閥2打開時允許水從入口方向流入泵缸。在活塞行程的另一端(例如圖4所示活塞閥的下端)，泵缸在活塞泵的入口方向連接有一個單向閥4，在活塞泵的出口方向連接有一個單向閥3，并且單向閥3打開時允許水從泵缸流向出口方向，單向閥4打開時允許水從入口方向流入泵缸。
在活塞從下向上運(yùn)動的行程中，單向閥1、 4打開，單向閥2、 3關(guān)閉。低處的水經(jīng)過單向閥4被吸入泵缸中活塞下方的空間中；泵缸中活塞上方空間中的水經(jīng)過單向閥1被壓入水管，從而流入高位水池。在活塞從上向下的行程中，單向閥2、 3打開，單向閥1、 4關(guān)閉。低處的水經(jīng)過單向閥2被吸入泵缸中活塞下方的空間中；泵缸中活塞上方空間中的水經(jīng)過單向閥3被壓入水管，從而流入高位水池。
圖3所示的單作用活塞泵在上沖程中將水從低處吸入泵筒，在下沖程中將水從泵筒帶入高位水池，而圖4所示的雙作用活塞泵在兩個方向的沖程中都能將水從下游吸入泵缸以及將水從泵缸壓入高位水池。與圖3所示的單作用活塞泵相比，圖4所示的雙作用活塞泵提高了效率，也提高了風(fēng)能的利用率。
本發(fā)明中的風(fēng)車和活塞泵之間可以使用現(xiàn)有的各種傳動機(jī)構(gòu)來連接，在此不一一贅述。本發(fā)明優(yōu)選地可以采用本發(fā)明新提出的如圖5所示的一種傳動機(jī)構(gòu)。圖5所示的傳動機(jī)構(gòu)包括一個偏心輪(也可以是凸輪)、 一根杠桿。偏心輪通過傳動帶或齒輪與風(fēng)車相連接，由風(fēng)車驅(qū)動而旋轉(zhuǎn)。杠桿的一端為支點(diǎn)，另一端與活塞泵的活塞相連接。杠桿與活塞的連接可以采用活塞桿或軟繩(例如鋼絲繩、鐵鏈等)，在圖5所示實(shí)施例中優(yōu)選地采用軟繩。并且，圖5中還包括了一個方向調(diào)節(jié)裝置，用來調(diào)節(jié)活塞桿或軟繩的方向，從而帶動活塞沿著合適的方向運(yùn)動。偏心輪在風(fēng)車的驅(qū)動下帶動杠桿運(yùn)動，即在一段時間內(nèi)，偏心輪帶動杠桿向上抬起，杠桿帶動活塞向上運(yùn)動，從而完成活塞的一個沖程；在另一端時間內(nèi)，在杠桿和活塞的重力作用下，活塞向下運(yùn)動，從而完成活塞的另一個沖程。
與傳統(tǒng)的傳動機(jī)構(gòu)相比，圖5所示的傳動機(jī)構(gòu)只有在活塞向上運(yùn)動的沖程中需要風(fēng)車驅(qū)動，這樣可以減少對風(fēng)能使用，降低風(fēng)能的浪費(fèi)，提高風(fēng)能的利用效率。
更進(jìn)一步，本發(fā)明實(shí)施例可以采用多于一個的活塞泵，并且將每個活塞泵的提水時間與其它活塞泵的提水時間錯開，從而使得在每一時刻都有一個或多個活塞泵將水提升入高位水池中，從而使得這些活塞泵的總提水量保持相對的穩(wěn)定，穩(wěn)定進(jìn)入高位水池的水流，進(jìn)而保證水力發(fā)電設(shè)備的平穩(wěn)運(yùn)行。
根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的利用風(fēng)力發(fā)電的方法包括如下步驟預(yù)先設(shè)置前面所述的利用風(fēng)力發(fā)電的系統(tǒng)；在運(yùn)行過程中，利用風(fēng)力帶動風(fēng)車，風(fēng)車通過傳動機(jī)構(gòu)驅(qū)動至少一個活塞泵，將水從低處提升至高位水池，并且在運(yùn)行過程中，水從所述高位水池流下，帶動至少一個水力發(fā)電設(shè)備發(fā)電。水力發(fā)電設(shè)備產(chǎn)生的電能通過電網(wǎng)傳送給用戶，或者直接傳送給用戶。
本發(fā)明實(shí)施例的利用風(fēng)力發(fā)電的方法優(yōu)選地采用如圖3或圖4所示的活塞泵。另外，該方法還可以采用現(xiàn)有的各種傳動機(jī)構(gòu)，或者優(yōu)選地采用如圖5所示的傳動機(jī)構(gòu)。
在一個優(yōu)選實(shí)施方式中，該方法采用多于一個的活塞泵，并且設(shè)置每個活塞泵的提水時間與其它活塞泵的提水時間錯開，從而使得在每一時刻都有一個或多個活塞泵將水提升入高位水池中，從而保證平穩(wěn)地發(fā)電。
以上所述僅為本發(fā)明的較佳實(shí)施例而己，并不用以限制本發(fā)明，凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)，所作的任何修改、等同替換、改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。
權(quán)利要求
1、一種利用風(fēng)力發(fā)電的系統(tǒng)，包括至少一個風(fēng)車；至少一個活塞泵，每個活塞泵通過一傳動機(jī)構(gòu)與一個所述風(fēng)車相連接，所述活塞泵受所述風(fēng)車驅(qū)動而將水從低處提升至一高位水池；至少一個水力發(fā)電設(shè)備，所述水力發(fā)電設(shè)備由從所述高位水池流下的水帶動從而發(fā)電。
2、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的利用風(fēng)力發(fā)電的系統(tǒng)，其特征在于，所述活 塞泵包括一個泵筒、 一個底閥和一個活塞，所述活塞具有一個止回閥，且所 述活塞與所述傳動機(jī)構(gòu)相連接。
3、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的利用風(fēng)力發(fā)電的系統(tǒng)，其特征在于，所述活 塞泵包括一個泵缸和一個活塞，所述活塞與所述傳動機(jī)構(gòu)相連接；在所述活塞行程的一端，所述泵缸在所述活塞泵的入口方向和出口方向 分別連接有一個單向閥；在所述活塞行程的另一端，所述泵缸在所述活塞泵 的入口方向和出口方向分別連接有一個單向閥。
4、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的利用風(fēng)力發(fā)電的系統(tǒng)，其特征在于，所述傳 動機(jī)構(gòu)包括一根杠桿和一個凸輪或偏心輪；所述凸輪或偏心輪由風(fēng)車驅(qū)動， 并帶動所述杠桿運(yùn)動；所述杠桿的一端與所述活塞泵的活塞相連接。
5、 根據(jù)權(quán)利要求4所述的利用風(fēng)力發(fā)電的系統(tǒng)，其特征在于，所述風(fēng) 車通過傳動帶或齒輪驅(qū)動所述凸輪或偏心輪。
6、 根據(jù)權(quán)利要求1或4所述的利用風(fēng)力發(fā)電的系統(tǒng)，其特征在于，所述活塞泵的活塞通過一活塞桿或者一軟繩與所述傳動機(jī)構(gòu)相連接。
7、 根據(jù)權(quán)利要求6所述的利用風(fēng)力發(fā)電的系統(tǒng)，其特征在于，還包括 一個方向調(diào)節(jié)裝置，用來調(diào)節(jié)所述活塞桿或軟繩的方向。
8、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的利用風(fēng)力發(fā)電的系統(tǒng)，其特征在于，所述利 用風(fēng)力發(fā)電的系統(tǒng)包括多于一個的活塞泵，并且每個活塞泵的提水時間與其 它活塞泵錯開。
9、 一種利用風(fēng)力發(fā)電的方法，包括利用風(fēng)力驅(qū)動至少一個活塞泵，將水從低處提升至一高位水池； 使水從所述高位水池流下，并帶動至少一個水力發(fā)電設(shè)備發(fā)電。
10、根據(jù)權(quán)利要求9所述的方法，其特征在于，該方法采用多于一個活 塞泵，并且每個活塞泵的提水時間與其它活塞泵錯開。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種利用風(fēng)力發(fā)電的系統(tǒng)，包括至少一個風(fēng)車；至少一個活塞泵，每個活塞泵通過一傳動機(jī)構(gòu)與一個所述風(fēng)車相連接，所述活塞泵受所述風(fēng)車驅(qū)動而將水從低處提升至一高位水池；至少一個水力發(fā)電設(shè)備，所述水力發(fā)電設(shè)備由從所述高位水池流下的水帶動從而發(fā)電。本發(fā)明還提供了一種利用風(fēng)力發(fā)電的方法。由于本發(fā)明用來提升水的活塞泵不存在由于風(fēng)速過低而不能提水的情況，從而能夠在任何風(fēng)速時都能提升水，使得在任何風(fēng)速時都能發(fā)電。
文檔編號F03D9/02GK101639049SQ20081013533
公開日2010年2月3日 申請日期2008年7月31日 優(yōu)先權(quán)日2008年7月31日
發(fā)明者晶 克, 吳學(xué)智, 姚吉隆, 趙研峰 申請人:西門子(中國)有限公司