CN102255354B - 具有制氧、制水和风光互补发电功能的小型化装备系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种具有制氧、制水和风光互补发电功能的小型化装备系统，包括方舱、风光互补发电系统、逆变器、交流负载模块、直流负载模块、蓄电池组和总控主机；风光互补发电系统包括风力发电系统和光伏发电系统以及与它们连接的风光互补控制器；交流负载模块包括小型制氧系统、小型制水系统和通用交流接口；直流负载模块包括该装备系统的直流负载和通用直流接口；逆变器的输入端与风光互补控制器的输出端连接，逆变器的输出端与交流负载模块和直流负载模块连接；风光互补控制器与蓄电池组连接；总控主机采集有关数据，处理后输出控制信号至光伏发电系统、风力发电系统、交流负载模块和直流负载模块。本发明设备集成度高。

Description

具有制氧、制水和风光互补发电功能的小型化装备系统

技术领域

本发明属于机电一体化技术领域，尤其涉及具有制氧、制水和风光互补发电功能的小型化装备系统。

背景技术

在高海拔地区、野外勘察工地、孤岛等无人区域作业时，受环境的影响通常会面临无电少电，通讯不畅，饮用水缺乏(高原地区还会出现缺氧)等困难，目前的解决方案多采用大型发电机组或固定安装式风光互补发电系统、以及大功率大容量大体积的制氧和制水设备，由于上述设备相对分散，功能相互独立，对协调控制和集中管理带来了的较大困难和不便；同时考虑到上述大型设备体积和质量较大，在野外搬运不便，一定程度上也缩小了作业人员的活动范围。

传统的移动发电车通常采用柴油发电机组发电，然而燃料输送困难，成本高，消耗大，污染高，噪音大，且在行进过程中需搭载多个油罐或建立相应的补给线路，因此已无法适应低碳的可持续发展要求，而固定安装式风光互补发电系统，虽然采用可持续清洁能源提供电力，但其移动性较差，体积较大，目前多数只用于通信和照明，未延伸到其他领域。此外，根据专利WO/2009/045349可知，针对前述问题提出的现有可移动风光互补电源系统，主要包括光伏发电系统，风力发电系统和移动组件，上述设备可装载至拖车或其他移动部件上，由于上述光伏发电系统中采用折叠式光伏板，风力发电系统采用扇叶型分机，移动组件采用拖车式框架类车体，因此存在设备体积较大，设备集成难度高等，地形适应能力弱，装载主箱体通用性差等不足。

现有的制水和制氧设备相对成熟，但由于占地面积大、耗电量大等问题的制约，上述设备所需电力主要靠城市电网供电和燃料发电机组提供，而发电量较低的小型太阳能和风力发电系统很难提供充足可靠的电力供应。

综合上述问题，在偏远地区作业时，现有设备的不足主要表现为：1、缺乏小型制氧、制水系统以及满足我国移动电站要求的风光互补电源系统；2、没有可集成风光互补电源和制氧、制水系统的一体化设备。

发明内容

本发明的目的是提供一种具有制氧、制水和风光互补发电功能的小型化装备系统。

为实现上述目的，本发明所采取的技术方案是：一种具有制氧、制水和风光互补发电功能的小型化装备系统，包括方舱、风光互补发电系统、逆变器、交流负载模块、直流负载模块、蓄电池组和总控主机；

所述风光互补发电系统包括风力发电系统和光伏发电系统以及与它们连接的风光互补控制器；

所述交流负载模块包括小型制氧系统、小型制水系统和通用交流接口；

所述直流负载模块包括该装备系统的直流负载和通用直流接口；

所述逆变器的输入端与所述风光互补控制器的输出端连接，所述逆变器的输出端与所述交流负载模块连接；所述直流负载模块与所述风光互补控制器的输出端连接；

所述风光互补控制器与所述蓄电池组连接；

所述风力发电系统、所述小型制氧系统、所述小型制水系统、所述风光互补控制器、所述蓄电池组、所述逆变器和所述总控主机集成在所述方舱内；

所述风力发电系统包括风机头及其装卸储放装置和工作支撑架；所述工作支撑架为电动套筒式伸缩架；

所述光伏发电系统包括可重叠组合式光伏板和支撑电缸；所述支撑电缸设置在所述可重叠组合式光伏板的下方，下端与所述方舱的底板通过转动副连接，上端通过转动副连接在所述可重叠组合式光伏板的支撑架的下表面中心处；所述支撑架与所述方舱的顶部一侧铰接；

所述总控主机采集来自所述风光互补控制器、所述逆变器、所述小型制氧系统和所述小型制水系统的通信端口以及开关量输入端口和模拟量输入端口的数据，处理后输出控制信号至光伏发电系统、风力发电系统、交流负载模块和直流负载模块。

所述风机头装卸储放装置包括底座，所述底座的一侧设有固定支架，另一侧设有风机头储放支腿；所述工作支撑架和所述风机头储放支腿位于所述固定支架的同侧，且所述工作支撑架较所述风机头储放支腿距离所述固定支架更远；所述固定支架包括与所述底座垂直固接的两根导向柱，所述固定支架的中部设有与其转动连接的丝杠，所述丝杠与所述底座垂直，其两侧各有一根所述导向柱，所述丝杠与锥齿轮组通过螺纹连接，所述锥齿轮组与摇把连接；所述丝杠上设有与其螺纹连接的滑板，所述滑板与所述导向柱滑动连接，所述滑板内侧设有与所述底座平行的气动推杆，所述气动推杆与所述风机头之间设有可拆连接；所述滑板位于所述锥齿轮组之上。

所述可重叠组合式光伏板为推拉式；所述推拉可重叠组合式光伏板包括上层推拉式光伏板、中间层固定光伏板、下层推拉式光伏板和所述支撑架，所述中间层固定光伏板固接在所述支撑架上，所述上层推拉式光伏板和所述下层推拉式光伏板通过两侧设置在所述支撑架上的滑道与所述支撑架连接。

所述方舱为阶梯型；所述光伏发电系统置于阶梯型方舱下级台阶的上表面；所述风力发电系统置于所述阶梯型方舱上级台阶面的下方。

本发明具有的优点和积极效果是：结构新颖、紧凑，运输方便，设备集成度高，自动化程度高，简化了大型设备和控制系统，降低了制造和运输成本，可有效解决偏远地区，野外军事营站，哨所和岛屿作业人员所遇到的缺水、缺电、缺氧等各项问题。

附图说明

图1为本发明中一次设备的设备组成逻辑图；

图2为本发明收缩后的整体结构透视图；

图3为本发明展开后的整体结构示意图

图4、图5和图6为本发明中风力发电系统的结构示意图；

图7为本发明中光伏发电系统的结构示意图；

图8为本发明中光伏发电系统中的推拉可重叠组合式光伏板的结构示意图；

图9为本发明中二次设备的控制系统原理图。

图中：1、阶梯型方舱，2、蓄电池组，3、风力发电系统，4、光伏发电系统，5、风光互补控制器，6、逆变器，7、小型制氧系统，8、小型制水系统，9、底座，10、摇把，11、锥齿轮组，12、丝杠，13、导向柱，14、滑板，15、气动推杆，16、风机头储放支腿，17、风机头，18、工作支撑架，19、推拉可重叠组合式光伏板，20、支撑电缸，21、上层推拉式光伏板，22、中间层固定光伏板，23、下层推拉式光伏板，24、支撑架，25、风光互补控制器通信端口，26、逆变器通信端口，27、小型制氧系统通信端口，28、小型制水系统通信端口，29、总控主机，30、8路开关量输入，31、8路开关量输出，32、12路模拟量输入。

具体实施方式

为能进一步了解本发明的发明内容、特点及功效，兹例举以下实施例，并配合附图详细说明如下：

请参阅图1～图9，本发明一种具有制氧、制水和风光互补发电功能的小型化装备系统，包括阶梯型方舱1、风光互补发电系统、逆变器6、交流负载模块、直流负载模块、蓄电池组2和总控主机29；风光互补发电系统包括风力发电系统3和光伏发电系统4以及与它们连接的风光互补控制器5；交流负载模块包括小型制氧系统7、小型制水系统8和通用交流接口；直流负载模块包括该装备系统的直流负载和通用直流接口；逆变器6的输入端与风光互补控制器5的输出端连接，逆变器6的输出端与交流负载模块连接；直流负载模块与风光互补控制器5的输出端连接；风光互补控制器5与蓄电池组2连接；风力发电系统3、小型制氧系统7、小型制水系统8、风光互补控制器5、蓄电池组2、逆变器6和总控主机29集成在阶梯型方舱1内；光伏发电系统4置于阶梯型方舱下级台阶的上表面；风力发电系统3置于阶梯型方舱1上级台阶面的下方；外形规整，便于运输。风力发电系统3包括风机头17及其装卸储放装置和工作支撑架18；风机头装卸储放装置包括底座9，底座9的一侧设有固定支架，另一侧设有风机头储放支腿16；工作支撑架18和风机头储放支腿16相对固定支架同侧设置，工作支撑架18较风机头储放支腿16距离固定支架更远；固定支架包括与底座9垂直固接的两根导向柱13和与它们固接的上下连接板，固定支架的中部设有与其转动连接的丝杠12，丝杠12与底座9垂直，其两侧各有一根导向柱13，丝杠12与锥齿轮组11通过螺纹连接，锥齿轮组11与摇把10连接；丝杠12上设有与其螺纹连接的滑板14，滑板14与导向柱13滑动连接，滑板14内侧设有与底座9平行的气动推杆15，气动推杆15与风机头17之间设有可拆连接；滑板14位于锥齿轮组11之上。风机头储放支腿16上设有连接法兰；用于与风机头17底部的法兰连接。工作支撑架18为电动套筒式伸缩架，顶部设有用于与风机头底部法兰连接的法兰。

风力发电系统的工作原理为：

非工作状态，风机头固定在风机头储放支腿上，滑板位于风机头之下，气动推杆处于收缩位，电动套筒式伸缩架处于收缩位；整个风力发电系统封闭在阶梯型方舱1内。

工作状态，开始工作之前，打开阶梯型方舱的风机系统舱门，松开风机头，摇动摇把通过丝杠驱动滑板上升至风机头位置，气动推杆伸出，并与风机头进行固定连接后，继续摇动摇把通过丝杠驱动滑板上升至电动套筒式伸缩架的收缩位，气动推杆再次伸出，将风机头置于电动套筒式伸缩架上的安装位，进行固定连接，风机头固定后，驱动电动套筒式伸缩架伸出，使风机头处于发电工作位。

光伏发电系统4包括推拉可重叠组合式光伏板19和支撑电缸20。所述推拉可重叠组合式光伏板19包括两列三层光伏板，中间层固定光伏板22与支撑架24固定连接，上层推拉式光伏板21和下层推拉式光伏板23通过两侧设置在支撑架24上的滑道与支撑架24连接，以使它们可沿相反方向拉出并锁止或推进并锁止；支撑架24与阶梯型方舱1的顶部一侧铰接；支撑电缸20设置在推拉可重叠组合式光伏板19的下方，下端与阶梯型方舱1的底板通过转动副连接，上端通过转动副连接在支撑架24的下表面中心处。推拉可重叠组合式光伏板19可通过支撑电缸20调节其迎光角度。上层推拉式光伏板21和下层推拉式光伏板23推进后与所述中间层固定光伏板22重叠。

风力发电系统3位于阶梯型方舱1的一侧，小型制氧系统7和小型制水系统8位于阶梯型方舱1的另一侧，蓄电池组2位于阶梯型方舱1的中部，通过各系统在阶梯型方舱1内的平衡布置，可保证阶梯型方舱质量分布均匀，其重心近似位于阶梯型方舱1中心位置，可有效保证设备运输途中的安全。阶梯型方舱1满足军用交流移动电站规范，阶梯型方舱1表面设置有方舱门，风机系统舱门，配电门，进气门，此外阶梯型方舱1还可进行防水和防沙处理。小型制氧系统7和所述小型制水系统8采用交流220V电压的小功率设备，为市销产品。

所述总控主机采集来自所述风光互补控制器、逆变器、小型制氧系统和小型制水系统的通信端口以及开关量输入端口和模拟量输入端口的数据，处理后输出控制信号至光伏发电系统、风力发电系统、交流负载模块和直流负载模块，以控制它们的启停及工作状态。

请参阅图9和图1，总控主机29所涉及的风光互补发电和制氧、制水之间的优化控制，可通过如下两个步骤实现：

一、数据采集

1、总控主机29直接通过自身配置的8路开关量输入30和12路模拟量输入32分别采集交流负载模块和直流负载模块的开关状态和外部风速及光照度；

2、总控主机29通过与风光互补控制器通信端口25通讯间接采集蓄电池组2端电压、充电电流、放电电流，计算出蓄电池组容量；通过与逆变器通信端口26通讯采集交流输出总回路功率、电流、电压；通过与小型制氧系统通信端口27通讯采集制氧流量、氧含量，由制氧时间和氧流量的乘积计算储氧量；通过与小型制水系统通信端口28通讯采集净化水出水量，由净化水流速和净化时间计算储水量。

二、控制管理

1、整个装备系统总开关闭合后，风力发电系统5随即启动，同时总控主机29采集外部光照度并与系统预设的基本光照度进行比较，当光照度大于预设数值时，尝试启动小型制氧系统7和小型制水系统8，并跟踪蓄电池组2放电电流，当所述放电电流大于设置数值时表明光资源不足，光伏发电系统4发电能力受限，通过8路开关量输出31切断小型制氧系统7和小型制水系统8的控制回路；当检测蓄电池组2无放电电流或放电电流小于预设值(例如10A)时，通过8路开光量输出31自动保持小型制氧系统7和小型制水系统8持续运行，并跟踪放电电流和氧气储量、净化水储量变化。

2、开启制氧、制水功能时，蓄电池组2的电能只在电机启动时做短时电能补充以及制氧、制水系统运行期间因光风资源闪变而进行的电能补充，不能作为交流负载系统的主供电源；

3、整个运行过程中，总控主机29经逆变器通信端口26持续对交流负载模块的电流按照20ms一个周波进行电流值的采集，当连续五个周波的电流值大于预设最大许可电流值时，通过8路开关量输出31跳开对应输出回路的开关，以实现针对电流突变的侦听和对应输出回路的控制；

4、总控主机29将检测风速级别并与预设的系统最大可承受风速级别进行比较，当风速大于预设风速级别并经过短时间延时(大约10秒)，通过8路开关量输出31对风力发电系统3电动套筒式伸缩架的内置驱动电机进行反转操作以降低风机头17的高度，同时判断光伏发电系统4的工作状态，若已启动并处在工作状态，则通过8路开关量输出31对光伏发电系统4中的支撑电缸20进行反转控制以减小推拉可重叠组合式光伏板19的迎光角度，自动实现对发电设备的保护使其免受大风、强风损坏；当检测的风速级别已恢复到预设风速级别之下连续1小时时，则通过8路开关量输出31对支撑电缸20和电动套筒式伸缩架内置的驱动电机进行正转输出操作，以使推拉可重叠组合式光伏板19迎光发电、风力发电系统3迎风发电。

上述流程控制管理流程并无严格流程顺序，实际运行中将进行同步检测和控制。

本发明与现有技术相比，其不同点在于：

1)集成了风光互补发电系统、小型化制氧系统和小型化制水系统的一体化设备；

2)风力发电系统采用装卸装置可完成对风机头的快速安装和拆卸；

3)阶梯型方舱按照军用交流移动电站规范设计；

4)采用自适应优化控制管理解决发电量、制氧量和制水量的平衡和制约问题。

本发明结构新颖、紧凑，运输方便，设备集成度高，自动化程度高，简化了大型设备和控制系统，降低了制造和运输成本，可有效解决偏远地区，野外军事营站，哨所和岛屿作业人员所遇到的缺水、缺电、缺氧等各项问题。

尽管上面结合附图对本发明的优选实施例进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，并不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可以作出很多形式，这些均属于本发明的保护范围之内。

Claims (3)

1.一种具有制氧、制水和风光互补发电功能的小型化装备系统，其特征在于，包括方舱、风光互补发电系统、逆变器、交流负载模块、直流负载模块、蓄电池组和总控主机；

所述风光互补发电系统包括风力发电系统和光伏发电系统以及与它们连接的风光互补控制器；

所述交流负载模块包括小型制氧系统、小型制水系统和通用交流接口；

所述直流负载模块包括该装备系统的直流负载和通用直流接口；

所述逆变器的输入端与所述风光互补控制器的输出端连接，所述逆变器的输出端与所述交流负载模块连接；所述直流负载模块与所述风光互补控制器的输出端连接；

所述风光互补控制器与所述蓄电池组连接；

所述风力发电系统、所述小型制氧系统、所述小型制水系统、所述风光互补控制器、所述蓄电池组、所述逆变器和所述总控主机集成在所述方舱内；

所述风力发电系统包括风机头及其装卸储放装置和工作支撑架；所述工作支撑架为电动套筒式伸缩架；

所述光伏发电系统包括可重叠组合式光伏板和支撑电缸；所述支撑电缸设置在所述可重叠组合式光伏板的下方，下端与所述方舱的底板通过转动副连接，上端通过转动副连接在所述可重叠组合式光伏板的支撑架的下表面中心处；所述可重叠组合式光伏板的支撑架与所述方舱的顶部一侧铰接；

所述总控主机采集来自所述风光互补控制器、所述逆变器、所述小型制氧系统和所述小型制水系统的通信端口以及开关量输入端口和模拟量输入端口的数据，处理后输出控制信号至光伏发电系统、风力发电系统、交流负载模块和直流负载模块；

所述风机头装卸储放装置包括底座，所述底座的一侧设有固定支架，另一侧设有风机头储放支腿；所述工作支撑架和所述风机头储放支腿位于所述固定支架的同侧，且所述工作支撑架较所述风机头储放支腿距离所述固定支架更远；所述固定支架包括与所述底座垂直固接的两根导向柱，所述固定支架的中部设有与其转动连接的丝杠，所述丝杠与所述底座垂直，其两侧各有一根所述导向柱，所述丝杠与锥齿轮组通过螺纹连接，所述锥齿轮组与摇把连接；所述丝杠上设有与其螺纹连接的滑板，所述滑板与所述导向柱滑动连接，所述滑板内侧设有与所述底座平行的气动推杆，所述气动推杆与所述风机头之间设有可拆连接；所述滑板位于所述锥齿轮组之上。

2.根据权利要求1所述的具有制氧、制水和风光互补发电功能的小型化装备系统，其特征在于，所述可重叠组合式光伏板为推拉式；所述推拉可重叠组合式光伏板包括上层推拉式光伏板、中间层固定光伏板、下层推拉式光伏板和所述可重叠组合式光伏板的支撑架，所述中间层固定光伏板固接在所述可重叠组合式光伏板的支撑架上，所述上层推拉式光伏板和所述下层推拉式光伏板通过两侧设置在所述可重叠组合式光伏板的支撑架上的滑道与所述可重叠组合式光伏板的支撑架连接。

3.根据权利要求1所述的具有制氧、制水和风光互补发电功能的小型化装备系统，其特征在于，所述方舱为阶梯型；所述光伏发电系统置于阶梯型方舱下级台阶的上表面；所述风力发电系统置于所述阶梯型方舱上级台阶面的下方。

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