风力提水发电装置设计

风力提水发电装置设计

摘要：项目旨在建立一套模仿实地运营的完整发电系统，使风能的利用更具高

效实用性，采用储水蓄能方式，使不连续的能量变得可控，最终使能量连续均匀

地释放。解决了新能源发电技术成熟但受自然资源影响的问题，并契合了众多海岛、河岸（有风、有水源和建设条件）地区的特殊用电需求，此类地区比如钓鱼岛、黄岩岛往往缺少或不便于构建电网，供电质量完全由发电机决定。项目所构

建的系统避免了以往风力发电模式对电网构成的波动，减少了电网变频器和较大

电机的使用，节约成本。能量缓冲装置成本较低，效果显著，实现了由不稳定输

出向稳定能源输出的过程。该系统包括柔性叶片风能转换装置，改良H型D式垂

直轴风机、阻力型垂直轴风机、传感器、控制开关、LED灯、水库、水轮发电机、水泵。风机与水泵相连，水泵正常工作，水泵提水至水库中，水库中水从下方流出，驱动水轮发电机发电；当水位低于水位传感器时，控制开关控制风机与水泵

断开，控制水轮发电机停止工作。

关键词：风力提水；柔性叶片；电能平稳输出

背景及意义

目前新能源(风电）利用技术成熟，但仍然受到自然资源的影响。能量有波

动性、随机性、不稳定性；

发电机组输出功率的不稳定、不连续会对电网和负荷造成影响，频率也会有

变化，因此往往需要变频器，这直接增加了成本。且风力发电时间短，电机设备

利用率低、效率低、损耗大。

基于上述风力发电存在的存储利用问题，我们提出了利用能量转换起缓冲过

渡作用的风力发电方案。

风能发电弃风率高、利用率低的问题亟待解决。本系统联合风力提水和水力

发电的技术，利用柔性叶片转换风能，能提高风机的启动转矩，提高电力系统对

可再生能源的消纳能力，利用抽水蓄能的特点，使不连续的能源变得可控，电能

平稳输出，同时增加电力系统惯性。在对电能质量要求较高的场合有很好的应用

前景。在不方便安装电网变频器的场合，能实现平稳输出电能的风力提水发电系

统也将具有很好的发展前景，同时也节约了成本。

采用蓄能方式，让不连续的能量变得可控，达到连续、平稳输出的效果；

该方案使得大功率风机在短时间内积累的能量（如在实际生活中风机在24

小时内真正发电时间只有两三个小时）能够连续、均匀地释放，由此可使用功率

较小的电机发电，大大降低了电机成本，减少了电机生产耗能；

该方案可实现电能连续、平稳输出，且频率、功率可控，因此不需要配置变

频器，减少了这一投入成本；

该方案在众多海岛、河岸等（有风、有水源和建设条件）地区，可因地制宜

地进行建设，且海岛等地区在用电需求方面有特殊性，规模不需很大。如钓鱼岛、黄岩岛等地区往往缺少或者不便于构建电网，供电质量完全由发电机供电质量决定。因此在不需配备变频器、且减少电机的情况下实现连续、平稳供电很有意义。

装置介绍

总体设计思路

为了解决风力发电，存在的风能利用率低，并网电能质量差，稳定性不好的

缺点，提出一种新型的风力提水发电系统，包括风机（柔性叶片风能转换装置，

改良H型D式垂直轴风机，阻力型垂直轴风机）、传感器、控制开关、LED灯、

水库、水轮发电机、水泵。工作原理是：风机与水泵相连，水泵正常工作，水泵

提水至水库中，水库中水从下方流出，驱动水轮发电机发电；当水位低于水位传

感器时，控制开关控制风机与水泵断开，控制水轮发电机停止工作。

单元设计

系统由4部分组成，风能转换装置、风力提水装置、水力发电装置、智能控

制装置。

风能转换装置包括柔性叶片风能转换装置，改良H型D式垂直轴风机，阻

力型垂直轴风机。

风力提水装置是由风力带动转轴，通过变速装置将水从地势低的地方抽上来，依现阶段的技术，已经可以达到很高的效率了。模型中采用的是离心抽水装置，

实际中可根据实际情况采用更合理的风力提水装置。首先是风力发电系统的启动。当风速达到风力发电机的启动速度时风轮启动。起初由于风速较小，发电机的输

出功率低，不能达到水泵的启动条件，这时可以先对蓄电池进行充电。随着风速

的增加,风力发电机的输出功率增大。当满足水泵启动要求时,水泵开始工作。当

风速增大到风力机的抗最大风速时，安全系统使风力机停机，水泵停止工作。这

样可以延长该系统的使用寿命。在这种情况下，若仍然需要进行提水，则蓄电池

可以作为电源，为水泵提供电能驱动水泵提水。

水力发电的基本原理是利用水位落差，配合水轮发电机产生电力，也就是利

用水的位能转为水轮的机械能，再以机械能推动发电机，而得到电力。

智能控制装置由传感器，控制器，控制开关，LED灯组成。水位传感器与控

制器相连，控制器与控制开关、LED灯相连，当水位低于水位传感器时，控制开

关控制水轮发电机停止工作。

性能测试与分析

完成研制后，进行了试验测试，其中垂直风机启动风速为1.5米/秒，额定风速为10米/秒，切入风速为2.5m/s，切出风速为18m/s，额定转速为350r/m。

水泵的扬程为10m，流量为1.5m3/h，口径为25mm，额定功率为370W。

尺寸：26*13.5cm。

该系统降低风力发电的损耗，等效提高了风能利用率，使风能的利用更具高

效实用性；

该系统避免了以往风力发电模式对电网构成的波动，减少了电网变频器和较

大电机的使用，节约了成本；

该系统能量缓冲装置建造成本较低，且效果显著，实现了由不稳定输出向稳

定能源输出的过渡；

该系统应用广泛，对于海岛等有特殊的供电需要的地区，可因地制宜地进行

建设；在没有水库、河流的地区，也可以建设封闭式的风力抽水发电装置。

该系统风力抽水部分的风机采用柔性叶片，该叶片使风机的启动转矩提高，

并且通过根据风速改变受风面形状，增加了风能的捕获量和转化量。

应用前景分析

随着不可再生能源的急剧减少和环境污染的加重，新能源发电技术应用愈加

广泛。其中风能发电弃风率高、利用率低的问题亟待解决。第一，本系统联合风

力提水和水力发电的技术，可以将风能充分利用，提高电力系统对可再生能源的

消纳能力，在弃风严重的地区有很好的发展前景。第二，本系统利用抽水蓄能的