本发明涉及一种利用不稳定动力源， 如海浪能、 风能等建设大规模发电站， 并能够稳定 发电的风力稳定发电系统。

背景技术

由于风力能量收集的稳定性差及单机功率较小 等因素， 导致人类至今无法较好地利用风 力能量进行大规模稳定发电。

发明内容

本发明的目的在于提供一种结构合理， 能有效利用风力能量大规模建设发电站， 并能稳 定发电的风力稳定发电系统。

本发明的技术方案如下： 它包括能量收集单元， 能量汇聚输出系统、 水轮机发电机组； 由所述的能量收集单元收集不稳定的动力源的 能量、 并转化成可往复直线运动的能量； 所述 的能量汇聚输出系统为将往复直线运动的能量 转化为具有特定压力的液体能量， 并驱动水轮 机发电机组发电； 所述的能量收集单元与能量汇聚输出系统连接 ， 所述的能量汇聚输出系统 与水轮机发电机组连接； 所述的能量收集单元包括风能收集单元。

所述的风能收集单元包括风叶、 垂直主轴、 水平转盘、 牛腿、 拉杆、 塔架， 所述的水平 转盘设置于塔架的顶端， 且与垂直主轴同轴设置； 由风叶动力驱动水平转盘转动， 所述的牛 腿的形状有如倒置的工业厂房内的行车立柱， 它包括凸出部分和立杆， 其凸出部分位于水平 转盘的上方， 牛腿的立杆部分安置于垂直设立的牛腿滑轨中 ， 所述牛腿的立杆部分的下方连 接有垂直拉杆； 在水平转盘的上表面的外沿对称设置有两个具 有一定宽度的坡道， 沿水平转 盘旋转方向， 坡道的上表面为由低到高逐渐增高的斜坡面， 两个坡道以水平转盘为中心对称 设置， 坡道长度对应于转盘中心角等于水平转盘的圆 周角被牛腿设置的个数等分。 所述的水 轮机发电机组包括一台或多台水轮发电机。

本发明具有结构简单， 控制简易， 利用淡水为介质， 循环运行， 能最大限度保护设备， 提高使用寿命和可靠性， 集中多台能量收集单元的能量集中发电， 能有效提高单机组功率， 集中发电设备， 利于管理、 维护， 海浪能收集单元与风能收集单元可共用基础设 施和空间资 源， 提高效益， 提高安全性， 大容积往复式水泵的固有缺点如： 笨重、 低速等在本发明系统 中不再是缺点， 而其高效， 适合长时间运行更适应本发明系统的功能需求 ， 本发明还可极大 简化风力发电系统的制造技术， 特别是发电形式的改变极大地简化了传统风力 发电系统的控 制技术， 对风速的变化有更大的适应能力， 在风叶的结构强度可承受范围内， 可对能量全额 接收， 而且由于本发明系统使用的是水轮机发电机组 ， 可从根本上解决传统风力发电系统电 力上网的低压穿越问题。

本发明系统也可以在浅海区沿海岸建设， 能有效吸收风力和海浪的能量， 形成对岸堤的 保护， 能有效降低自然灾害。 本发明系统也可以应用于大型的海上平台。

附图说明

图 1是本发明的平面分布结构示意图。

图 2是风能收集单元中水平轴式的双风叶的一种� �构示意图。

图 3是水平转盘的俯视图。

图 4是本发明的能量汇聚输出系统的一种实施例� �结构示意图。

图 5是本发明的能量汇聚输出系统的另一种实施� �的结构示意图。

图 6是本发明的往复式水泵的一种结构示意图。

图 7是本发明的海浪能量收集单元和往复式水泵� �合的结构示意图。

图 8是本发明的能量汇聚输出系统的第三种实施� �的结构示意图。

图 9是本发明的海浪能收集单元和往复式水泵组� �的另一种实施例的结构示意图。

标号说明： 1浮体、 2钢绳、 3滑轮、 3-1第一定滑轮、 3-2第二定滑轮、 3-3第三定滑轮、 3-4第四定滑轮、 4往复式水泵、 5汇流分配器、 6低压容器、 7溢流口、 8高压管道、 9有序 分流管道、 10低压回流管道、 11风叶、 12水平轴、 13主动伞形齿轮、 14被动伞形齿轮、 15 水平转盘、 16牛腿、 17拉杆、 18坡道、 19滚轮、 20定位滚轮、 21垂直主轴、 22负载物、 23控制箱、 24牛腿滑轨、 25滑轨、 26增压泄压阀、 27活塞杆、 28水轮机发电机、 29塔架、 30支撑平台、 31复位弹簧、 32溢流管、 33压缩空气进入管道、 38转动支架、 39定滑轮升降 控制组件。

具体实施方式

如图 1-7所示， 本发明包括能量收集单元， 能量汇聚输出系统、 水轮机发电机组； 由所 述的能量收集单元收集不稳定的动力源的能量 、 并转化成可往复直线运动的能量； 所述的能 量汇聚输出系统为将往复直线运动的能量转化 为具有特定压力的液体能量， 并驱动水轮机发 电机组发电； 所述的能量收集单元与能量汇聚输出系统连接 ， 所述的能量汇聚输出系统与水 轮机发电机组连接； 所述的能量收集单元包括风能收集单元。

实施例 1

所述的风能收集单元包括风叶 11、 垂直主轴 21、 水平转盘 15、 牛腿 16、 拉杆、塔架 29， 所述的水平转盘 15设置于塔架 29的顶端， 且与垂直主轴 21同轴设置； 由风叶 11动力驱动 水平转盘 15转动， 所述的牛腿 16的形状有如倒置的工业厂房内的行车立柱， 它包括凸出部 分和立杆， 其凸出部分位于水平转盘 15的外沿上方， 牛腿 16的立杆部分安置于垂直设立的 牛腿滑轨 24中， 所述牛腿 16的立杆部分的下方连接有垂直拉杆， 所述的水平转盘 15与被动 伞形齿轮 14固定连接成一体并同步转动； 在水平转盘 15的上表面的外沿对称设置有两个具 有一定宽度的坡道 18， 沿水平转盘 15旋转方向， 坡道 18的上表面为由低到高逐渐增高的斜 坡面， 两个对称的坡道 18以水平转盘 15为中心相互对称设置， 坡道 18长度对应于转盘中心 角等于水平转盘 15的圆周角被牛腿设置的个数等分。如， 当一个水平转盘对应设置 4个牛腿 时， 坡道 18的长度对应水平转盘 15的度数为 90° ； 当一个水平转盘对应设置 6个牛腿时， 坡道的长度对应水平转盘的度数为 60° 。

所述的水轮机发电机组包括一台或多台水轮发 电机。

所述的风叶 11为垂直轴形式时， 由风叶 11直接或经减速齿轮驱动水平转盘 15转动。 所述的风叶 11为水平轴形式时， 它还包括与水平轴同轴设置的主动伞形齿轮 13、 与主 动伞形齿轮 13啮合的被动伞形齿轮 14; 所述的水平转盘 15由被动伞形齿轮 14驱动转动， 所述的水平转盘设置于被动伞形齿轮 14的下方、 与垂直主轴 21同轴设置。

在牛腿 16的凸出部分的下表面上设置有滚轮 19，或者在坡道的上表面上设置有滚轮 19， 使得牛腿与水平转盘坡道之间为滚动摩擦。

牛腿 16与坡道的接触面为斜率相同的斜面； 沿水平转盘外围周边均匀设置有六个牛腿， 牛腿可沿牛腿滑轨 24上下滑动。 所述牛腿的立杆部分的下方连接有垂直拉杆 17， 在垂直拉 杆 17的周边设置有对垂直拉杆 17起定位作用的定位滚轮 20， 使得拉杆 17在做上下升降运 动的过程中不发生偏移， 并且有利于增强拉杆 17下落时的刚度； 所述的拉杆的下端与能量汇 聚输出系统中的往复式水泵的活塞杆 27连接。牛腿个数与往复式水泵个数一一对应� ��水平转 盘上的坡道也可以设置于水平转盘内沿， 此时牛腿设置于垂直主轴外沿， 推动水平转盘转动 的伞形齿轮设置于转盘的外沿。

在活塞杆 27上部外套设有复位弹簧 31， 在活塞杆 27的下端连接有可增减的负载物 22。 所述的主动伞形齿轮 13为两组， 驱动同一水平转盘 15转动， 驱动主动齿轮转动的风叶 11也对应设置两组， 前迎风面的风叶 11直径小于后迎风面的风叶 11 的直径， 两组风叶 11 的旋转方向相反。所述的主动伞形齿轮 13也可以设置为一组， 相应的风叶及水平轴也设置一 组。在塔架 29上方的垂直主轴 21的上方设置有机顶外壳， 两根带动主动伞形齿轮 13的水平 轴通过垂直主轴 21对称设置， 并穿透机顶外壳， 所述的机顶外壳和垂直主轴 21—起承载水 平轴， 机顶外壳可带动水平轴和风叶 11绕垂直主轴 21旋转， 改变迎风方向； 在机顶外壳下 沿的内侧设置有凸轨， 在塔架 29顶端设置有与凸轨相配合的凹轨， 使之既能保证机顶外壳能 绕垂直主轴 21旋转， 又能为水平轴和风叶 11提供足够的基座力矩： 机顶外壳外围的内下沿 还设有齿条， 整周设置， 形成圆形齿轮， 与塔架 29上端设置的控制箱的齿轮啮合， 该控制箱 由伺服电机、减速箱及制动系统组成， 沿塔架 29顶端圆周内壁设置多个， 以塔架中心对称设 置， 用于控制机顶外壳转向， 并为机顶外壳提供反向扭矩的支座应力。

本发明的风能收集单元可设置两个以上偶数个 牛腿， 每两个为一组， 以水平转盘 15的轴 心为中心对称设置， 同时升降， 以平衡塔架受力； 偶数个牛腿在水平转盘 15外沿均匀设置。

当水平转盘 15转动时， 坡道 18推动牛腿向上运动， 拉动牛腿及其下方的拉杆 17以及往 复式水泵活塞向上做功并压缩复位弹簧 31、 拉高负载物 22蓄能； 往复式水泵为双向做功式。 例如： 当水平转盘 15外沿设置 6个牛腿时， 当水平转盘转过 60度后， 前一组往复式水泵的 复位弹簧 31及负载物 22向下拉动活塞做功， 而水平转盘继续推动下一组牛腿向上拉动下一 组往复式水泵的活塞向上做功。牛腿的升降行 程应大于或等于坡道 18的垂直高度。所述的牛 腿的斜面的最低点位于水平转盘之上。 复位弹簧 31压缩行程等于或大于活塞杆 27的最大工 作行程。

所述的能量汇聚输出系统包括汇流分配器 5、 高压管道、 往复式水泵、 低压容器 6、 低压 回流管道 10、 有序分流管道 9; 所述的汇流分配器 5的壁面上设有一道或一道以上的高压管 道， 通过高压管道与多个往复式水泵的出水管连接 ； 所述的汇流分配器 5的顶端设置有溢流 口 7， 在溢流口 7外设置有低压容器 6; 在汇流分配器 5的下方设置有多条有序分流管道 9， 在所述的每道有序分流管道 9上都安装有水轮机发电机 28; 安装在每道有序分流管道 9上的 水轮机发电机 28的发电功率可以不同也可以相同； 水轮机发电机 28的出水口连接到低压容 器 6的底部； 在低压容器 6的壁面上连接有与往复式水泵的进水口连通� �低压回流管道 10。

所述的汇流分配器 5为带有水塔的汇流分配器 5， 所述的水塔为双层结构， 内层为高压 水塔， 高压水塔的顶端为溢流口 7， 外层是作为从高压水塔溢流的液体的溢流通道 ； 水塔与 往复式水泵之间的高度差形成的压力就是本发 明系统中高压管道的工作压力； 当高压水流量 多余时将溢出高压水塔， 并经溢流通道回流至低压容器 6。 采用该实施例结构方式产生的高 压稳定、 其高压管道的工作压力不可调整， 但水塔可以为系统调整发电总功率提供更多的 反 应和操作时间。

或者所述的汇流分配器 5为带有增压泄压阀 26和高压容器 8的汇流分配器 5， 此时溢流 口 7位于增压泄压阀 26的下方的汇流分配器 5的顶端， 在增压泄压阀 26外设置有与其相配 合的定位牛腿滑轨 24及对其起限位作用的限位卡。 增压泄压阀 26的结构及工作原理类似高 压锅的主排气阀， 当本发明系统高压压力达到一定值时， 推动增压泄压阀 26上浮， 多余流量 从溢流口溢出、 泄压， 使汇流分配器 5内维持于一个稳定压力值， 增压泄压阀 26可设计成可 在一定范围内调整重量的结构， 在一定程度上可调整本发明系统高压部分的工 作压力， 继而 达到调整往复式水泵活塞的做功阻力大小， 整个系统工作压力的加大， 有助于提高能量的转 化效率， 也能更好地适应浪大、 风大的变化， 但同时也提高了对系统的质量要求， 降低了灵 敏度， 反之工作压力减小， 可提高系统灵敏度， 更好地适应风小、 浪小的工况。

采用该实施例结构方式产生的高压稳定， 其高压管道的工作压力可调整。

能量汇聚输出系统采用水或其它液体作为传送 能量的媒介， 循环使用。

本发明还包括运行控制系统，所述的运行控制 系统设有对各能量收集单元的负载物 22的 重量、 增压泄压阀 26的重量以及水轮机发电机 28运行总功率进行监控和调整的装置； 所述 的运行控制系统还设有对汇流分配器 5的溢流量进行监控的装置。 通过监控汇流分配器 5的 溢流量大小和变化趋势来决定工作的水轮机发 电机 28的个数及总功率。

本发明所述的往复式水泵的活塞杆 27工作方向为垂直于水平面方向。

所述的汇流分配器 5在本发明中起到汇聚高压液体的作用， 同时又起到中和各高压液体 流的能量波动， 将汇流后的高压液体分配给多个水轮机发电机 组。水轮机发电机 28的数量及 功率大小根据电站设计规模需要设定， 以能方便组合成不同的总功率， 以及可以应对极端高 峰的状况。 低压容器 6为一大型半开放式容器，高压液体经有序分� �至各水轮机发电机 28做功释放 能量后，汇聚于低压容器 6中，低压容器 6底部设有过滤器， 防止杂物进入低压回流管道 10， 保证循环水的清洁， 低压容器 6经低压回流管道与各能量收集单元的进水口� �接。 实施例 2:

本发明所述的能量收集单元是海浪能收集单元 ， 所述的海浪能收集单元包括浮体 1、 钢 绳 2、 滑轮组 (详见申请号 201210337835. 7的 《浮体钢绳与齿条飞轮组海浪发电系统》）， 由 浮体 1、 钢绳 2和滑轮组将海浪的能量转化为往复的直线升� �运动的能量。 所述的浮体 1的 下方连接钢绳 2的一端， 钢绳 2通过滑轮组使得钢绳 2的另一端做垂直升降的运动。 所述钢 绳 2的另一端连接往复式水泵 4的活塞杆 27的上端。 所述的往复式水泵 4的活塞杆 27工作 方向为垂直于水平面方向。 实施例 3:

如图 8所示， 本实施例与实施例 1的区别在于： 所述的能量汇聚输出系统包括汇流分配 器 5、 高压管道、 往复式水泵 4、 低压容器、 低压回流管道、 有序分流管道 9; 所述的汇流分 配器 5的壁面上设有一道或一道以上的高压管道， 通过高压管道与多个往复式水泵 4的出水 管连接； 如图 8所示， 所述的汇流分配器 5的侧壁设置有溢流管 32， 溢流管 32的出水口为 溢流口 7，溢流口 7高于汇流分配器 5与溢流管 32的连通处，汇流分配器 5内上部存储空气、 下部存储水； 在溢流口 7外设置有低压容器 6; 在汇流分配器的下方设置有多条有序分流管 道， 在所述的每道有序分流管道上都安装有水轮机 发电机 28; 水轮机发电机 28的出水口连 接到低压容器的底部； 在低压容器的壁面上连接有与往复式水泵的进 水口连通的低压回流管 道； 低压容器经低压回流管道与各能量收集单元的 往复式水泵的进水口连接； 所述钢绳 2的 另一端连接往复式水泵的活塞杆 27的上端； 所述的往复式水泵的活塞杆 27工作方向为垂直 于水平面方向； 所述的能量汇聚输出系统采用水或其它液体作 为传送能量的媒介， 循环使用。

所述的汇流分配器 5为带有增压泄压阀 26和高压容器的汇流分配器， 增压泄压阀 26设 置于溢流口 7处， 在增压泄压阀 26外设置有与其相配合的定位滑轨 25及对其起限位作用的 限位卡。 增压泄压阀的结构及工作原理类似高压锅的主 排气阀， 当本发明系统高压压力达到 一定值时， 推动增压泄压阀上浮， 多余流量从溢流口溢出、 泄压， 使汇流分配器 5内维持于 一个稳定压力值， 增压泄压阀可设计成可在一定范围内调整重量 的结构， 在一定程度上可调 整本发明系统高压部分的工作压力， 继而达到调整往复式水泵 4活塞的做功阻力大小， 整个 系统工作压力的加大， 有助于提高能量的转化效率， 也能更好地适应浪大、 风大的变化， 但 同时也提高了对系统的质量要求， 降低了灵敏度， 反之工作压力减小， 可提高系统灵敏度， 更好地适应风小、 浪小的工况。 采用该实施例结构方式产生的高压稳定， 其高压管道的工作 压力可调整。 增压泄压阀的结构及工作原理也可以采用与空 气压缩机的压力控制阀相类似的 方案。

为了在汇流分配器 5的高压容器所存储的空气量较少时能及时便� �地进行空气补充， 可在汇 流分配器 5的高压容器下部设置压缩空气进入管道 33以补充空气或者利用往复式水泵 4进行 空气泵入。 实施例 4:

本发明所述的能量收集单元是海浪能收集单元 和风能收集单元。 其他同实施例 1和实施 例 2。 此时可以采用海浪能收集单元和风能收集单元 与同一个汇流分配器 5连接的结构方式， 也可以采用海浪能收集单元和风能收集单元均 各与一个汇流分配器 5连接的结构方式。 实施例 5:

本发明所述的滑轮组主要起导引钢绳以改变钢 绳 2拉力方向的作用。 如图 9所示， 所述 的定滑轮组包括第一定滑轮 3-1、 第二定滑轮 3-2、 第三定滑轮 3-3和第四定滑轮 3-4， 所述 的钢绳 2的一端连接浮体 1， 依序通过第一定滑轮 3-1、 第二定滑轮 3-2、 第三定滑轮 3-3和 第四定滑轮 3-4后， 其另一端与往复式水泵 4的活塞杆 27的上端连接， 将海浪对浮体的作用 力转化为对钢绳 2的拉力， 通过钢绳 2拉动往复式水泵 4的活塞杆 27做上下直线运动。

第一定滑轮 3-1设于浮体 1下方， 第二定滑轮 3-2和第三定滑轮 3-3固定安置于塔架 29 前方且位于浮体 1的上侧方， 第四定滑轮 3-4位于塔架 29的上端。拉住浮体 1的钢绳 2向下 延伸绕过第一定滑轮 3-1后斜向上延伸， 并在第二定滑轮 3-2和第三定滑轮 3-3导引下使位 于第三定滑轮 3-3和第四定滑轮 3-4的钢绳区段呈竖直延伸， 之后绕过第四定滑轮 3-4竖直 向下延伸并与往复式水泵 4的活塞杆 27连接。

第一定滑轮 3-1通过用钢筋砼制作的滑轮锚固架 24锚固于海底，第四定滑轮 3-4为可控 高度定滑轮， 第四定滑轮 3-4装于塔架 29的滑轮架中， 滑轮架上设置的导轮与塔架上部垂直 设立的导轨配合， 在滑轮架顶端连接有起重轮组以及通过起重轮 组控制滑轮架升降的升降卷 扬机， 通过调节滑轮架的高度以控制第四定滑轮 3-4的升降， 使本发明系统适应潮水高低变 化 （参见图 7)。 或者， 第一定滑轮 3-1固定于与塔架 29铰接连接的转动支架 38上， 转动支 架 38上设有控制第一定滑轮 3-1升降的定滑轮升降控制组件 39， 通过调节第一定滑轮 3-1， 使本发明系统适应潮水高低变化 （参见图 9)。 本发明还应于水平转盘外侧设置刹车系统， 以应对紧急停车或维护保养的需要， 也可以 用于极端大风时转速控制。

所述的水轮机发电机组为普通的依靠水力推动 旋转发电的机组， 设置有多台不同功率的 单机， 可根据需要组合成不同总功率的发电机组。 各发电机组以同步技术发电。

本发明系统运行原理的理论依据是： 不稳定动力源的动力不稳定， 其实质是做功功率大 小的无规则变化， 当高压部分的工作压力保持于一个相对稳定的 压力值时， 功率大小的变化 体现于介质流量的增减变化， 及时地监控流量的变化就能相应地调整发电总 功率的值， 使之 与来自于各个能量收集单元的总动力源的实际 功率匹配， 继而达到稳定发电的目的。

在本发明系统中， 各能量收集单元从低压回流管道 10将液体吸入往复式水泵 4中， 经往 复式水泵加压后送入高压管道， 并汇聚于汇流分配器 5中， 能量收集单元可以设置多个。

本发明系统运行过程， 控制系统根据流量确定开启水轮机发电单元中 的发电机组的总功 率并通过传感器监视汇流分配器 5中流量变化， 而调整发电机组的总功率， 使增压泄压阀 26 始终工作于有少量水流 （液体） 溢出的状态， 由于泄压阀门的泄压条件在本发明系统不主动 调整的情况下是固定的， 所以各水轮发电机无论功率大小都可调整至同 步转速， 并以同步发 电技术发电， 当主动调整增压泄压阀 26压载的重量时， 可以改变泄压的压力条件， 并达到改 变高压管道的工作压力。 改变各往复式水泵 4的活塞阻力， 此时应同时成比例调整各往复式 水泵 4的负载物 22重量的大小， 调整往复式水泵 4出水压力， 以适应浪大、 浪小及风大、 风 小的变化。

由于本发明系统在工作过程中难免有少许水量 泄露及蒸发， 故还应另外设置小型海水淡 化系统， 以补充系统的运行水量及其他所需。

本发明系统主要使用淡水为传递能量的媒介， 也可以使用其它液体做媒介。

所述的高压管道为耐高压主管道和分管道， 每一个往复式水泵 4的输出口经高压分管道 与高压主管道连接， 其间设有止回阀及维修闸阀， 高压主管道连接至汇流分配器 5。 一个汇 流分配器 5对应设置多个能量收集单元和往复式水泵 4， 所述的汇流分配器 5设置于发电厂 房里。 所述的汇流分配器 5是高压水流汇聚、 稳定调节和有序分配的交通枢纽。

如图 1所示， 由于能量收集单元的平面位置通常以发电厂房 为中心点， 沿海岸线布置， 故高压主管道至少设置有两条， 将两个不同方向的多个能量收集单元连接至汇 流分配器 5， 如海浪能收集单元与风能收集单元分别对应各 自的汇流分配器 5， 则至少需要四条高压主管 道， 高压主管道上可分段设置维修闸阀。 所述的增压泄压阀 26在不主动调整的情况下其重量固定， 因而固定了其泄压条件， 增压 泄压阀 26外测设有滑轨， 增压泄压阀可沿滑轨自由、 平稳的上升、 下落。

限位卡设置于滑轨顶端的增压泄压阀上升行程 的最高处， 以防止增压泄压阀脱落。

所述的低压容器 6下方设置有多个连接通道与各水轮机发电机 28 的出水口一一对应连 接， 中间设有垂直穿过的高压管道， 下接汇流分配器 5， 上接增压泄压阀 26。 低压容器 6前 部下方设有至少两个通道连接低压主管道， 连接两个不同方向的能量收集单元， 低压主管道 入口设有过滤网。

所述的低压回流管道 10包括低压主管道和低压分管道， 低压主管道的一端与低压容器 6 连接， 另一端沿能量收集单元延伸， 与高压主管道平行设置， 每一个能量收集单元的进水通 道经低压分管道与低压主管道连接， 其间设有必要的维修闸阀和止回阀门。

本发明系统中， 每套发电系统中应设置多台水轮机发电机 28， 以便于组合成不同总功率 的组合。 每台水轮机发电机 28单独与汇流分配器 5和低压容器 6连接， 水轮机发电机 28的 进水口经闸阀、 节流阀与汇流分配器 5连接， 出水口与低压容器 6连接。