利用风力发电的系统及方法.pdf

本发明公开了一种利用风力发电的系统，包括：至少一个风车；至少一个活塞泵，每个活塞泵通过一传动机构与一个所述风车相连接，所述活塞泵受所述风车驱动而将水从低处提升至一高位水池；至少一个水力发电设备，所述水力发电设备由从所述高位水池流下的水带动从而发电。本发明还提供了一种利用风力发电的方法。由于本发明用来提升水的活塞泵不存在由于风速过低而不能提水的情况，从而能够在任何风速时都能提升水，使得在任何风速时都能发电。

1、  一种利用风力发电的系统，包括：
至少一个风车；
至少一个活塞泵，每个活塞泵通过一传动机构与一个所述风车相连接，所述活塞泵受所述风车驱动而将水从低处提升至一高位水池；
至少一个水力发电设备，所述水力发电设备由从所述高位水池流下的水带动从而发电。

2、  根据权利要求1所述的利用风力发电的系统，其特征在于，所述活塞泵包括一个泵筒、一个底阀和一个活塞，所述活塞具有一个止回阀，且所述活塞与所述传动机构相连接。

3、  根据权利要求1所述的利用风力发电的系统，其特征在于，所述活塞泵包括一个泵缸和一个活塞，所述活塞与所述传动机构相连接；
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别连接有一个单向阀；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别连接有一个单向阀。

4、  根据权利要求1所述的利用风力发电的系统，其特征在于，所述传动机构包括一根杠杆和一个凸轮或偏心轮；所述凸轮或偏心轮由风车驱动，并带动所述杠杆运动；所述杠杆的一端与所述活塞泵的活塞相连接。

5、  根据权利要求4所述的利用风力发电的系统，其特征在于，所述风车通过传动带或齿轮驱动所述凸轮或偏心轮。

6、  根据权利要求1或4所述的利用风力发电的系统，其特征在于，所述活塞泵的活塞通过一活塞杆或者一软绳与所述传动机构相连接。

7、  根据权利要求6所述的利用风力发电的系统，其特征在于，还包括一个方向调节装置，用来调节所述活塞杆或软绳的方向。

8、  根据权利要求1所述的利用风力发电的系统，其特征在于，所述利用风力发电的系统包括多于一个的活塞泵，并且每个活塞泵的提水时间与其它活塞泵错开。

9、  一种利用风力发电的方法，包括：
利用风力驱动至少一个活塞泵，将水从低处提升至一高位水池；
使水从所述高位水池流下，并带动至少一个水力发电设备发电。

10、  根据权利要求9所述的方法，其特征在于，该方法采用多于一个活塞泵，并且每个活塞泵的提水时间与其它活塞泵错开。

利用风力发电的系统及方法
技术领域
本发明涉及风力发电领域，特别是涉及一种利用风力发电的系统以及一种利用风力发电的方法。
背景技术
风力是一种清洁的、永不枯竭的能源，利用风力来发电是世界上快速发展的一种发电方式。图1是一种风力发电系统的框图。如图1所示，该风力发电系统包括风车系统、齿轮箱以及异步发电机，其中，风车系统包括多个风车，每个风车将风能转化为机械能后，通过一个齿轮箱传动至一个异步发电机，由异步发电机将机械能转化为电能。异步发电机所产生的电联入电网，再输送至各个用户家中。如果是家庭用的小型风力发电系统，异步发电机所产生的电可以直接连接至家庭的供电系统。
发电机是风力发电系统的核心部分。风力发电系统所用的发电机通常包括恒速恒频发电机和变速恒频发电机。恒速恒频发电机的定桨距控制系统通过失速控制来保持发电机的速度恒定，进而保证输出电压的频率和幅值恒定。但是，定桨距控制系统所能适用的风速范围相对较小，因此对风能的利用率相对较低。
变速恒频发电机能够适用的风速范围较大，可以最大限度地捕捉风能，提高风能的利用效率。变速恒频发电机所使用的永磁同步电机或双馈电机是风力发电的发展趋势。但是，变速恒频发电机的费用远比恒速恒频发电机昂贵。
另外，恒速恒频发电机和变速恒频发电机都需要使用价格昂贵的逆变器，并且逆变器在上述风力发电的应用中容易损坏。因此，上述风力发电系统不仅需要很高的设备成本，而且也需要很高的后期维护成本。
中国专利申请200610026128.0公开了一种风力水力联合发电的方法。该专利申请将风力提水与水力发电相结合，利用现有的小型水电站，在其大坝附近安装一台或多台中扬程灌溉型变扭矩泵滚子泵风力提水机，将水从下游提升到上游(包括多级提升)，再同正常发电的水一起推动水轮机发电。由于水轮机、发电机以及输变电设备都是水电站已有的设备，所需增加的投入只有风力提水机及相应的提水管线，因此可以降低设备成本。并且，该方案不需要上述恒速恒频发电机和变速恒频发电机所用的逆变器，所以还降低了后期维护成本。
上述专利申请200610026128.0要求所使用的滚子泵的速度随着风速的变化而变化。一般而言，风速的变化范围大约在6米/秒到18米/秒，所以滚子泵的速度也需要具有较大的变化范围。当滚子泵的速度变化较大时，对滚子泵提水的稳定性具有很大的不利影响。例如，由于滚子泵在低速时无法提水，那么在风速较低并导致滚子泵的转速相应也较低时，滚子泵无法提水，从而导致该风力水力联合发电方法在低风速时无法发电。为了应对风速的变化，需要给滚子泵配备齿轮箱，并且要求所用齿轮箱能够适应较大的风速范围。而这种齿轮箱的设备成本和后期维护成本也非常高。
发明内容
有鉴于此，本发明提出了一种利用风力发电的系统，用以在任意风速时都能发电。本发明还提出了一种利用风力发电的方法，用以在任意风速时都能发电。
为了实现上述目的，本发明提供了一种利用风力发电的系统，包括：
至少一个风车；
至少一个活塞泵，每个活塞泵通过一传动机构与一个所述风车相连接，所述活塞泵受所述风车驱动而将水从低处提升至一高位水池；
至少一个水力发电设备，所述水力发电设备由从所述高位水池流下的水带动从而发电。
优选地，所述活塞泵包括一个泵筒、一个底阀和一个活塞，所述活塞具有一个止回阀，且所述活塞与所述传动机构相连接。
优选地，所述活塞泵包括一个泵缸和一个活塞，所述活塞与所述传动机构相连接；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别连接有一个单向阀；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别连接有一个单向阀。
优选地，所述传动机构包括一根杠杆和一个凸轮或偏心轮；所述凸轮或偏心轮由风车驱动，并带动所述杠杆运动；所述杠杆的一端与所述活塞泵的活塞相连接。
在上述技术方案中，所述风车通过传动带或齿轮驱动所述凸轮或偏心轮。
优选地，所述活塞泵的活塞通过一活塞杆或者一软绳与所述传动机构相连接。
所述利用风力发电的系统还包括一个方向调节装置，用来调节所述活塞杆或软绳的方向。
所述利用风力发电的系统包括多于一个的活塞泵，并且每个活塞泵的提水时间与其它活塞泵错开。
本发明还提供了一种利用风力发电的方法，包括以下步骤：
利用风力驱动至少一个活塞泵，将水从低处提升至一高位水池；
使水从所述高位水池流下，并带动至少一个水力发电设备发电。
优选地，该方法采用多于一个活塞泵，并且每个活塞泵的提水时间与其它活塞泵错开。
从上述方案中可以看出，由于本发明用来提升水的活塞泵不存在由于风速过低而不能提水的情况，从而能够在任何风速时都能提升水，使得在任何风速时都能发电。本发明除了可以使用单作用活塞泵，还可以使用双作用活塞泵，从而进一步能够提高对风能的利用率。
本发明还进一步提出了一种独特的传动机构，只在活塞泵的活塞上升时利用风力提升活塞，而在活塞下降时不利用风力下压活塞，从而减少风能浪费，提高风能的利用效率。
本发明还进一步利用多于一个的活塞泵，并将各个活塞泵的提水时间错开，从而使得这些活塞泵的总提水量保持相对的稳定，进而使得水力发电设备平稳地运行。
附图说明
图1为现有技术中风力发电系统的结构示意图。
图2为本发明实施例中利用风力发电的系统的结构示意图。
图3为本发明实施例中一种示例性活塞泵的结构示意图。
图4为本发明实施例中另一种示例性活塞泵的结构示意图。
图5为本发明实施例中一种示例性传动机构的示意图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，以下举实施例对本发明进一步详细说明。
图2示出了本发明实施例的一种利用风力发电的系统。如图2所示，该利用风力发电的系统包括：至少一个风车、至少一个活塞泵以及至少一个水力发电设备。
其中，每个活塞泵通过水管分别连接至低位水池和高位水池，并且每个活塞泵通过一传动机构与一个风车相连接，从而使得风车能够驱动相应的活塞泵将水从低位水池提升至高位水池。简明起见，图2中只示意性地显示了一个活塞泵。
各个水力发电设备通过水管连接至高位水池。从高位水池流下的水带动水力发电设备运转从而发电。流过水力发电设备的水可以流入低位水池，以便循环使用，也可以排入其它地方。
本发明实施例中的高位水池可以是水池、水库、水箱等能够蓄水的设施，低位水池可以是水池、水库、河流等，只要其能够提供水源即可。低位水池和高位水池的高度差需要满足水力发电的要求，在本实施例中优选为100米左右。
图3是本发明实施例中一种示例性活塞泵的示意图。图3所示的是一种单作用活塞泵，该单作用活塞泵包括一个泵筒、一个底阀和一个活塞。其中，底阀和活塞位于泵筒中，并且底阀位于泵筒下部，活塞在底阀上方并且可以沿泵筒上下运动。活塞通过一活塞杆与传动机构相连接，并且该活塞具有一个止回阀，该止回阀在活塞向下运动的下冲程中打开，在活塞向上运动的上冲程中关闭。底阀在活塞向上运动的上冲程中打开，在活塞向下运动的下冲程中关闭。
图3左侧显示了该单作用活塞泵的下冲程的示意图。在下冲程中，底阀关闭，活塞由于传动机构的作用或者由于活塞自身及传动机构的重力而向下运动，活塞的止回阀打开，活塞和底阀之间的水通过止回阀进入活塞上方的泵筒内。
图3右侧显示了该单作用活塞泵的上冲程的示意图。在上冲程中，活塞由于传动机构的作用而向上运动，带动活塞上方的水也向上运动，从而流入高位水池；在此过程中，底阀打开，底阀下方的水被吸入底阀与活塞之间的泵筒中。
如图3所示的单作用活塞泵在风力的驱动下不停地重复上述下冲程和上冲程，从而将水从低处(例如低位水池)提升至高位水池。无论风速多快或者多慢，活塞泵都能够提升水，这就使得在任何风速下都有水被提升至高位水池，从而能够持续地发电。
图4为本发明实施例中另一种示例性活塞泵的结构示意图。该活塞泵为一种双作用活塞泵。如图4所示，该双作用活塞泵包括一个泵缸、四个单向阀(图中的单向阀1、单向阀2、单向阀3和单向阀4)和一个活塞。在图4所示的活塞泵中，活塞位于泵缸内，通过一活塞杆与传动机构相连接，并且该活塞并不具有止回阀(与图3所示活塞阀不同)。在活塞行程的一端(例如图4所示活塞阀的上端)，泵缸在活塞泵的入口方向连接有一个单向阀2，在活塞泵的出口方向连接有一个单向阀1，并且单向阀1打开时允许水从泵缸流向出口方向，单向阀2打开时允许水从入口方向流入泵缸。在活塞行程的另一端(例如图4所示活塞阀的下端)，泵缸在活塞泵的入口方向连接有一个单向阀4，在活塞泵的出口方向连接有一个单向阀3，并且单向阀3打开时允许水从泵缸流向出口方向，单向阀4打开时允许水从入口方向流入泵缸。
在活塞从下向上运动的行程中，单向阀1、4打开，单向阀2、3关闭。低处的水经过单向阀4被吸入泵缸中活塞下方的空间中；泵缸中活塞上方空间中的水经过单向阀1被压入水管，从而流入高位水池。
在活塞从上向下的行程中，单向阀2、3打开，单向阀1、4关闭。低处的水经过单向阀2被吸入泵缸中活塞下方的空间中；泵缸中活塞上方空间中的水经过单向阀3被压入水管，从而流入高位水池。
图3所示的单作用活塞泵在上冲程中将水从低处吸入泵筒，在下冲程中将水从泵筒带入高位水池，而图4所示的双作用活塞泵在两个方向的冲程中都能将水从下游吸入泵缸以及将水从泵缸压入高位水池。与图3所示的单作用活塞泵相比，图4所示的双作用活塞泵提高了效率，也提高了风能的利用率。
本发明中的风车和活塞泵之间可以使用现有的各种传动机构来连接，在此不一一赘述。本发明优选地可以采用本发明新提出的如图5所示的一种传动机构。图5所示的传动机构包括一个偏心轮(也可以是凸轮)、一根杠杆。偏心轮通过传动带或齿轮与风车相连接，由风车驱动而旋转。杠杆的一端为支点，另一端与活塞泵的活塞相连接。杠杆与活塞的连接可以采用活塞杆或软绳(例如钢丝绳、铁链等)，在图5所示实施例中优选地采用软绳。并且，图5中还包括了一个方向调节装置，用来调节活塞杆或软绳的方向，从而带动活塞沿着合适的方向运动。偏心轮在风车的驱动下带动杠杆运动，即：在一段时间内，偏心轮带动杠杆向上抬起，杠杆带动活塞向上运动，从而完成活塞的一个冲程；在另一端时间内，在杠杆和活塞的重力作用下，活塞向下运动，从而完成活塞的另一个冲程。
与传统的传动机构相比，图5所示的传动机构只有在活塞向上运动的冲程中需要风车驱动，这样可以减少对风能使用，降低风能的浪费，提高风能的利用效率。
更进一步，本发明实施例可以采用多于一个的活塞泵，并且将每个活塞泵的提水时间与其它活塞泵的提水时间错开，从而使得在每一时刻都有一个或多个活塞泵将水提升入高位水池中，从而使得这些活塞泵的总提水量保持相对的稳定，稳定进入高位水池的水流，进而保证水力发电设备的平稳运行。
根据本发明实施例的利用风力发电的方法包括如下步骤：预先设置前面所述的利用风力发电的系统；在运行过程中，利用风力带动风车，风车通过传动机构驱动至少一个活塞泵，将水从低处提升至高位水池，并且在运行过程中，水从所述高位水池流下，带动至少一个水力发电设备发电。水力发电设备产生的电能通过电网传送给用户，或者直接传送给用户。
本发明实施例的利用风力发电的方法优选地采用如图3或图4所示的活塞泵。另外，该方法还可以采用现有的各种传动机构，或者优选地采用如图5所示的传动机构。
在一个优选实施方式中，该方法采用多于一个的活塞泵，并且设置每个活塞泵的提水时间与其它活塞泵的提水时间错开，从而使得在每一时刻都有一个或多个活塞泵将水提升入高位水池中，从而保证平稳地发电。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。