CN103423097A - 一种风水互补发电系统 - Google Patents

Abstract

本申请提供一种风水互补发电系统，包括：风力机、传动机构和储能装置，其中，储能装置进一步包括：蓄水池、水箱、取水器和水轮，所述水轮，通过传动机构被风力机带动从而转动；所述取水器，均匀排布于水轮的圆周上，并通过汇流管道与水箱相连，随着水轮的转动取水器不断浸入水源取水并携带着水脱离水源，随着水轮的继续转动取出的水受重力驱动由所述取水器沿着汇流管道汇入所述水箱；所述水箱，固定于水轮的圆周的中心位置，将汇入的水通过输水管道输送到蓄水池储存。所述系统能将风能仅由机械结构直接转化为水的势能，减低了能量转化的设备和环境要求，简单高效、节能环保，降低风力机维护成本，提高储能环节取水、汇流的效率。

Description

一种风水互补发电系统

技术领域

本申请涉及机电领域，尤其涉及一种风水互补发电系统。

背景技术

风能(wind energy)是因空气流做功而提供给人类的一种可利用的能量，属于可再生能源。空气流具有的动能称风能。空气流速越高，动能越大。人们可以用风车把风的动能转化为旋转的动作去带动发电机，以产生电力，方法是通过传动轴，将风力机叶轮的旋转动力传送至发电机。风能虽然对大多数国家而言还不是主要的能源，但在1999年到2005年之间已经成长了四倍以上。

风能利用存在一些限制及弊端，首要的就是风速不稳定，产生的能量大小不稳定。具体而言，风力大的时候，产生的电力多，可能导致电网无法消纳，甚至对风力机产生损害；而风力小甚至无风力的时候则会产生很大的电力缺口，导致电网内的电力不足，并对电网安全造成极大的不利影响。这种弊端导致了对风力使用的不便。

上述风能使用的问题产生了风能转化及存储的技术，现有技术的技术方案一般为：在风能过剩时，使用风力机将将风能转化为电能，用所述电能用水泵将水抽至高处存储，其中，风能转化为电能，再由电能转化为水的势能；在风能不足时，将所述存储的水从高处泄流，水的势能由水轮机转化为电能。然而上述技术方案存在若干不足：首先，当风速超过风力机额定风速时，风力机仅能输出额定功率，必须通过变桨距弃风来保护风电机组安全，这样导致了风能的浪费；其次，须使用电能用水泵将水的势能升高，在无电能和无水泵的情况下无法工作；最后，由于其能量转化过程为风能—电能—水的势能的过程，转化过程较复杂，效率低。

发明内容

针对上述现有技术的技术方案存在的问题，本申请要解决的技术问题是，提供一种风水互补发电系统，可将风速超过风力机额定风速时的风能转化为水的势能；在无需电能、水泵的情况下，使风能可转化为水的势能；减少风能转化为水的势能的中间环节，直接由机械结构将风能转化为水的势能，并确保其高效；设置控制装置及与其配合的模块，依据风速情况、电网需求等指标合理控制风能转化为水的势能，及水的势能转化为风能。

根据本申请，提供一种风水互补发电系统，包括：风力机、传动机构和储能装置，其中，所述储能装置，进一步包括：蓄水池、水箱、取水器和水轮，其中，所述水轮，通过所述传动机构被所述风力机带动从而转动；所述取水器，均匀排布于所述水轮的圆周上，并通过汇流管道与水箱相连，随着所述水轮的转动所述取水器不断浸入位于所述水轮下方的水源取水并携带着水脱离水源，随着水轮的继续转动取出的水受重力驱动由所述取水器沿着汇流管道汇入所述水箱；所述水箱，固定于所述水轮的圆周的中心位置，将汇入的水通过输水管道输送到蓄水池储存。

根据本申请实施例的风水互补发电系统，所述风力机还可以进一步包括：风能接收装置和发电机，其中，所述风能接收装置，利用风力驱动并通过所述传动机构带动所述发电机工作，还通过所述传动机构带动所述水轮转动；所述发电机，输出电能到电网。

根据本申请实施例的风水互补发电系统，所述风水互补发电系统还可以包括：风速仪及控制装置；所述控制装置，通过所述风速仪监测到当前风速超过额定风速时，控制所述传动机构保持所述风能接收装置与所述发电机和水轮的联动；或者电网调度限制风水互补发电系统电力上网时，控制所述传动机构使所述风能接收装置和水轮的联动。

根据本申请实施例的风水互补发电系统，所述储能装置还可以包括：泄流阀与水轮机，所述水轮机位于蓄水池的下方并通过泄流管道与所述蓄水池相连，所述泄流阀安装在所述泄流管道上；所述泄流阀开启，储存在所述蓄水池中的水受重力驱动由所述蓄水池沿所述泄流管道流入下方的所述水轮机；所述水轮机利用水流驱动发电，并输出电能到所述电网，同时将水流排出到所述水源。

根据本申请实施例的风水互补发电系统，所述风水互补发电系统还可以包括：风速仪及控制装置；所述控制装置，通过风速仪监测到当前风速小于切入风速时，控制所述泄流阀开启；通过风速仪监测到所述发电机输出的电能小于所述电网所需要的电能时，控制所述泄流阀开启。

根据本申请实施例的风水互补发电系统，所述风水互补发电系统中，所述取水器沿所述水轮转动轨迹的切线方向可以具有一的延伸结构，所述延伸结构具有一侧开口、另一侧封闭的腔体，所述开口侧指向所述水轮转动轨迹的切线方向。

根据本申请实施例的风水互补发电系统，所述风水互补发电系统中，随所述水轮转动，所述取水器的开口侧可以没入所述水源地水位线以下，水可以沿所述开口侧进入所述腔体；随所述水轮继续转动，所述取水器的开口侧可以探出水面，所述腔体内的水可以受重力驱动涌向所述封闭侧从而被留存在所述腔体内。

根据本申请实施例的风水互补发电系统，所述风水互补发电系统中，在水被留存在所述腔体内后，随所述水轮转动，由所述汇流管道处于水平姿态开始，留存在所述腔体内的水可以受重力驱动由所述取水器沿着所述汇流管道汇入所述水箱。

根据本申请实施例的风水互补发电系统，所述风水互补发电系统中，所述汇流管道可以按照所述取水器至水箱的之间的直线连接进行设置。

根据本申请实施例的风水互补发电系统，所述风水互补发电系统中，可以设置所述水轮与位于所述水轮下方的水源之间的距离，以保证所述取水器随所述水轮转动到最底部时没入所述水源的水位线以下。

本申请的上述技术方案可以获得的有益的效果是：能将风能仅由机械结构直接转化为水的势能，因而简单高效，并减低了能量转化的设备、环境要求；能在控制装置的控制下，存储原本浪费的风能源，在需要时弥补风力发电的不足，节能环保，同时也能避免过高转速对发电机的损伤，降低维护成本；并能通过合理的结构设置，提高储能环节取水、汇流的效率。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本申请的进一步理解，构成本申请的一部分，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。在附图中：

图1是本申请实施例的一种风水互补发电系统结构示意图；

图2是本申请实施例的一种水轮121与取水器122的连接方式结构图。

图3是本申请实施例的一种取水器122与水箱123以及汇流管道124的连接方式结构图。

具体实施方式

本申请的主要思想在于，风力较大的时候，将一部分风能通过机械连接转化为水的势能，以便在风能较小甚至无风的时候，通过水力发电以弥补风力发电的不足。并且，在风能转化为水的势能的机械结构中，合理地安排取水器的结构以及取水器和水管、水轮、水箱连接结构，以使得风能转化为水的势能的高效率。

为使本申请的目的、技术方案和优点更加清楚，以下结合附图及具体实施例，对本申请作进一步地详细说明。

参考图1，图1是本申请实施例的一种风水互补发电系统100结构图，包括：风力机110、传动机构130和储能装置120，其中，所述储能装置120，进一步包括：蓄水池126、水箱123、取水器122和水轮121，详述如下：

所述水轮121，通过所述传动机构130被所述风力机110带动从而转动。具体而言，所述水轮121可与所述传动机构130连接并联动，驱动所述取水器122转动，所述水轮121的形状并不局限于轮形，其可以为轮、也可以为转轴、杆、齿轮、链、皮带、缆等等组件或任意组件其组合，其功能为使取水器122作圆周转动，例如，如图2所示：若水轮121有一转动的轴，则取水器可由杆与所述轴相连以被所述轴驱动；若如图1所示，水轮121为一轮，则取水器122可直接连接在轮缘上。还可以有其他驱动方式及连接方式，本申请对此不作限制。

所述取水器122，可以有若干个，可均匀排布于所述水轮121的圆周上，并通过汇流管道124与水箱123相连，随着所述水轮121的转动所述取水器122不断浸入位于所述水轮121下方的水源190取水并携带着水脱离水源190，随着水轮121的继续转动，当达到一定高度时，取出的水受重力作用由所述取水器122沿着汇流管道124汇入所述水箱123。

具体而言，取水器122可以装载水，可以是水槽、水桶等有开口的水容器，本申请不作限制。取水器均匀地排布在所述水轮121上，所述“均匀”可以包括各取水器之间至转动轴心的角度均匀；或取水器之间的距离均匀；或取水器相对于转动轴心对称等等，这样的结构在于保证取水器122在转动过程中的力学平衡性。所述汇流管道124可以为直线管道或弧线管道、或折线管道等等，本申请不加限制。优选的，如图1所示，可使用直线管道，其可使取水器中的水较最快速地进入水箱。取水器122可以在水轮121的驱动下运动至较低处进入水源190的水面的下方取水，然后继续被水轮121驱动，并运动到较高处，增加取得的水的势能，当取水器122到达一定高度，取水器重的水在重力作用下由取水器122沿着汇流管道124汇入所述水箱123。所述取水器122中的水流出后，取水器可以继续运动到较低处重新载入水，构成一个循环。

所述水箱123，固定于所述水轮121的圆周的中心位置，将汇入的水通过输水管道125输送到蓄水池储存。具体而言，圆周的中心位置包括取水器122转动的圆周的圆心附近，还包括取水器122转动的圆周所围绕的轴线上的其他各个点附近。水箱123的结构可以使水只能从汇流管道124进入水箱123，而无法从水箱123流出汇流管道124。例如，可以在汇流管道124进入水箱123的位置设置单向阀门，并控制水箱水位不超过预先设定水位以使的取水器122的水汇入水箱123。例如，如图1所示，若设定取水器122与圆周的中心同高时水进入水箱，则可设定水箱123水位保持低于圆周中心，这样当取水器122与圆周的中心同高时，水能顺利流入水箱123。

取水器通过汇流管道124与水箱123相连的方式一般为直接相连，但也可以间接相连，例如，如图3所示：由汇流管道124将取水器的水引导至水箱附近或上方，水可在脱离汇流管道124后冲入或坠入水箱123。

优选的，风力机包括风能接收装置111和发电机112，所述风能接收装置111，利用风力驱动并通过所述传动机构130带动所述发电机112工作，还通过所述传动机构130带动所述水轮转动，所述发电机112，输出电能到电网180。具体而言，所述风能接收装置111由风力驱动产生运动，一般而言，风能接收装置111由符合空气动力学的风轮或者若干风叶组成，当有空气流动时，风轮或风叶即会转动。风能接收装置111还可以包括一个偏航装置（图中未示出），能随风向改变风能接收装置的方向以产生最大的运动量，这种对风装置可采用尾舵，或利用风向传感元件以及伺服电机组成的传动机构改变风能接收装置111的方向。

传动机构130与所述风能接收装置111连接并传递所述风能接收装置111产生的运动。具体而言，所述传动机构130可以为轴承、链条、皮带、齿轮箱等传动机构件，本申请不作限制。所述传动机构130一端与风能接收装置111相连，获得来自风能接收装置111的运动，另一端与发电机112相连，带动发电机112工作，即可以使发电机112输出电能到电网180；传动机构130的另一端还可以与下文所述储能装置120的水轮121直接或间接以机械方式相连，将来自风能接收装置111的运动以机械方式传递到所述水轮121，这样的连接方式，可以使风能接收装置接收的风能由机械结构直接转化为水的势能。

优选的，所述风水互补发电系统100还包括风速仪150及控制装置160。所述控制装置160，通过所述风速仪150监测到当前风速超过额定风速时，或电网调度限制风水互补发电系统电力上网时，控制所述传动机构130保持所述风能接收装置111与所述发电机112和水轮121的联动。

具体而言，当当前风速小于额定风速时，发电机112尚未达到额定功率，风能全部用于转化为电能，因此控制装置160控制所述传动机构130可不将所述风能接收装置111与水轮121的联动；当当前风速大于额定风速时，风能已经不能完全转化为电能或过高的风速已对发电机有所损伤，此时控制装置160控制所述传动机构130保持所述风能接收装置与所述发电机和水轮的联动，其效果是，一部分风能通过水轮121转化为水的势能，存储了原本浪费了的能量；同时还能减低风能接收装置的转速，避免了过高的风速产生的过高转速对发电机的损伤。

当当前风速尚未超过电网180所需要的最大电能额度对应的风速门限时，捕获的风能全部用于转化为电能，电能浪费相对较少，因此控制装置160控制所述传动机构130可不将所述风能接收装置111与水轮121的联动；而当当前风速超过电网180所需要的最大电能额度对应的风速门限时，发电机无法将捕获的风能完全转化为电能不得不进行弃风，导致风能浪费较多，此时控制装置160控制所述传动机构130使所述风能接收装置111和水轮121联动，即可以减低风能接收装置111的转速，将一部分发电机无法转化的风能通过水轮121转化为水的势能，存储了原本浪费了的能量。此外，当风速高于风水互补发电系统正常工作的安全风速后，可以由控制系统将风能接收装置111与发电机112和/或储能装置120断开，并使用制动装置(图中未示出)减低风能接收装置111的转速，以确保本系统的安全。

优选的，所述风水互补发电系统100的所述储能装置还包括：泄流阀127与水轮机128，所述水轮机128位于蓄水池126的下方（所述下方为重力势能相对较低的位置）并通过泄流管道129与所述蓄水池126相连，所述泄流阀127安装在所述泄流管道129上；所述泄流阀127开启，储存在所述蓄水池126中的水受重力驱动由所述蓄水池126沿所述泄流管道129流入下方的所述水轮机128；所述水轮机128利用水流驱动发电，并输出电能到所述电网180，同时将水流排出到所述水源190。

优选的，所述风水互补发电系统，通过风速仪150监测到当前风速小于切入风速时，控制所述泄流阀127开启；通过风速仪监测到所述发电机112输出的电能小于所述电网180所需要的电能时，控制所述泄流阀开启。

具体而言，当当前风速小于切入风速时，风力机110尚未开始有风力发电产生的电能功率输出，此时，为了弥补风力发电的不足，控制装置160控制所述泄流阀127开启，储存在所述蓄水池126中的水受重力驱动由所述蓄水池126沿所述泄流管道129流入下方的所述水轮机128；所述水轮机128利用水流驱动发电，并输出电能到所述电网180，同时将水流排出到所述水源190，这样由水产生的电能弥补了风力发电的不足。另一种情况是，虽然风力机可正常发电，但由于电网180需求的电能较大，仅凭风力机发电无法满足电网180的需求，此时，控制系统控制所述泄流阀127开启，由水轮机产生电能来满足电网180的需求。

优选的，所述风水互补发电系统的所述取水器122沿所述水轮121转动轨迹的切线方向具有一延伸结构，所述延伸结构具有一侧开口、另一侧封闭的腔体，所述开口侧指向所述水轮转动轨迹的切线方向。

具体而言，如图1所示，以图中运动到最低处的取水器122例，取水器沿着正左侧有一个延伸结构，所述延伸结构为一个柱形腔体，柱形腔体左侧有一开口，另一侧封闭（仅有汇流管道124与水箱123相连），柱形腔体的开口朝向正左侧，由于水轮121顺时针作圆周运动，在此位转动的切线方向即为正左侧，所以延伸结构为沿着水轮121转动方向，柱形腔体开口朝向即为所述水轮121转动轨迹的切线方向。这种结构可以使得取水器122取水速度较快，避免了取水器在离开水面时取得的水没有装满取水器的情况，提高了取水的效率。以上图1的例子仅为本申请的实施例而已，并不用于限制本申请，对于本领域技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。

优选的，随所述水轮121转动，所述取水器122的开口侧没入所述水源190的水位线以下，水沿所述开口侧进入所述腔体；随所述水轮121继续转动，所述取水器122的开口侧探出水面，所述腔体内的水受重力驱动涌向所述封闭侧从而被留存在所述腔体内。这种结构使得取水器122在水面以下时可以顺利高效地取水，在离开水面后，由于取水器122角度的变化，可以留存住已经取到的水，此结构和运动的配合简单高效，提升了取水的效率。

优选的，所述风水互补发电系统在水被留存在所述腔体内后，随所述水轮121转动，由所述汇流管道124处于水平姿态开始，留存在所述腔体内的水受重力驱动由所述取水器122沿着所述汇流管道124汇入所述水箱123。具体而言，如图1所示，当水被留存在取水器122的腔体后，当取水器运动到与水箱123同等高度，汇流管道124处于水平位置，此时开始，取水器内的水受重力驱动由所述取水器122沿着所述汇流管道124汇入所述水箱123。这样的结构可使得水在势能升高后，不借助人工力量流入水箱，存储了水的势能，并且使得取水器放空，可以准备下一次进入水面用于取水。

优选的，所述汇流管道124按照所述取水器至水箱的之间的直线连接进行设置，直线连接的设置可以保证当汇流管道124水平姿态开始，取水器的水就可以全部进入水箱；而如果汇流管道不是直线连接，则当汇流管道水平姿态开始，取水器内的水虽可向水箱方向流动，但有可能仍留存于汇流管道124内，须汇流管道124继续运动到特定角度后，所有的水才能汇入水箱123。因此，这种直线连接的设置可以提升水进入水箱的速度。

所述风水互补发电系统的水轮位置和水源位置应合理地配置，应确保所述取水器随所述水轮转动到最底部时没入所述水源的水位线以下。

本领域内的技术人员应明白，本申请的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本申请可采用完全硬件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本申请可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质（包括但不限于磁盘存储器、CD-ROM、光学存储器等）上实施的计算机程序产品的形式。

以上所述仅为本申请的实施例而已，并不用于限制本申请，对于本领域的技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的权利要求范围之内。

Claims (10)

1.一种风水互补发电系统，其特征在于，包括：风力机、传动机构和储能装置，其中，

所述储能装置，进一步包括：蓄水池、水箱、取水器和水轮，其中，

所述水轮，通过所述传动机构被所述风力机带动从而转动；

所述取水器，均匀排布于所述水轮的圆周上，并通过汇流管道与水箱相连，随着所述水轮的转动所述取水器不断浸入位于所述水轮下方的水源取水并携带着水脱离水源，随着水轮的继续转动取出的水受重力驱动由所述取水器沿着汇流管道汇入所述水箱；

所述水箱，固定于所述水轮的圆周的中心位置，将汇入的水通过输水管道输送到蓄水池储存。

2.如权利要求1所述一种风水互补发电系统，其特征在于，所述风力机，进一步包括：风能接收装置和发电机，其中，

所述风能接收装置，利用风力驱动并通过所述传动机构带动所述发电机工作，还通过所述传动机构带动所述水轮转动；

所述发电机，输出电能到电网。

3.如权利要求2所述一种风水互补发电系统，其特征在于，所述风水互补发电系统，还包括：风速仪及控制装置；

所述控制装置，通过所述风速仪监测到当前风速超过额定风速时，控制所述传动机构保持所述风能接收装置与所述发电机和水轮的联动；或者电网调度限制风水互补发电系统电力上网时，控制所述传动机构使所述风能接收装置和水轮的联动。

4.如权利要求1所述一种风水互补发电系统，其特征在于，所述储能装置，还包括：泄流阀与水轮机，所述水轮机位于蓄水池的下方并通过泄流管道与所述蓄水池相连，所述泄流阀安装在所述泄流管道上；

所述泄流阀开启，储存在所述蓄水池中的水受重力驱动由所述蓄水池沿所述泄流管道流入下方的所述水轮机；

所述水轮机利用水流驱动发电，并输出电能到所述电网，同时将水流排出到所述水源。

5.如权利要求4所述一种风水互补发电系统，其特征在于，还包括：风速仪及控制装置；

所述控制装置，通过风速仪监测到当前风速小于切入风速时，控制所述泄流阀开启；通过风速仪监测到所述发电机输出的电能小于所述电网所需要的电能时，控制所述泄流阀开启。

6.如权利要求1所述一种风水互补发电系统，其特征在于，

所述取水器沿所述水轮转动轨迹的切线方向具有一的延伸结构，所述延伸结构具有一侧开口、另一侧封闭的腔体，所述开口侧指向所述水轮转动轨迹的切线方向。

7.如权利要求6所述一种风水互补发电系统，其特征在于，

随所述水轮转动，所述取水器的开口侧没入所述水源地水位线以下，水沿所述开口侧进入所述腔体；随所述水轮继续转动，所述取水器的开口侧探出水面，所述腔体内的水受重力驱动涌向所述封闭侧从而被留存在所述腔体内。

8.如权利要求7所述一种风水互补发电系统，其特征在于，

在水被留存在所述腔体内后，随所述水轮转动，由所述汇流管道处于水平姿态开始，留存在所述腔体内的水受重力驱动由所述取水器沿着所述汇流管道汇入所述水箱。

9.如权利要求1或8所述一种风水互补发电系统，其特征在于，

所述汇流管道按照所述取水器至水箱的之间的直线连接进行设置。

10.如权利要求1所述一种风水互补发电系统，其特征在于，

设置所述水轮与位于所述水轮下方的水源之间的距离，以保证所述取水器随所述水轮转动到最底部时没入所述水源的水位线以下。

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