CN102394504A

CN102394504A - 智能综合发电系统

Info

Publication number: CN102394504A
Application number: CN2011102999948A
Authority: CN
Inventors: 段英宏
Original assignee: Tianjin University of Science and Technology
Current assignee: State Grid Tianjin Electric Power Co Ltd; State Grid Corp of China SGCC
Priority date: 2011-09-29
Filing date: 2011-09-29
Publication date: 2012-03-28
Anticipated expiration: 2031-09-29
Also published as: CN102394504B

Abstract

本发明涉及一种智能综合发电系统，其主要技术特点是：单片机分别通过I/O接口与太阳能供电支路、风力供电支路、蓄电池供电支路、负载端电压电流检测电路及负载端启停开关相连接，太阳能供电支路、风力供电支路及蓄电池供电支路输出端通过相应的继电开关电路与负载相连接，太阳能供电支路、风力供电支路的输出端分别连接到蓄电池支路上为蓄电池充电。本发明通过实时检测各个供电支路的电能状态来切换不同的供电形式，完成各个供电装置与负载的协调控制，同时，还可将太阳能及风能发电装置为蓄电池充电，保证了系统稳定工作，延长了供电时间，具有工作稳定、重量轻、高效节能、负载效应好、动态性能好、工作可靠及输出稳定等特点。

Description

智能综合发电系统

技术领域

本发明属于发电技术领域，尤其是一种智能综合发电系统。

背景技术

我国是个能源短缺的国家，在工农业生产、城市建设及家庭中每天都要消耗着大量的电力资源。传统的电力发电主要采用火力发电形式，不仅浪费大量的煤炭资源，而且还会造成严重的环境污染，风力发电、太阳能发电是一种节能减排的新型发电形式，但是，风力发电、太阳能发电方式均受各自环境的影响，使用任何一种发电形式在使用过程中都会受到很多限制，难以保证供电系统的正常工作，因此，单一的风力发电、太阳能发电形式还不能得到普及应用。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种设计合理、能够将风力机太阳能发电有效地结合在一起的智能综合发电系统。

本发明解决其技术问题是采取以下技术方案实现的：

一种智能综合发电系统，包括单片机、太阳能供电支路、风力供电支路、蓄电池供电支路、负载端电压电流检测电路及负载端启停开关，单片机分别通过I/O接口与太阳能供电支路、风力供电支路、蓄电池供电支路、负载端电压电流检测电路及负载端启停开关相连接，太阳能供电支路、风力供电支路及蓄电池供电支路输出端通过相应的继电开关电路与负载相连接，太阳能供电支路、风力供电支路的输出端分别连接到蓄电池支路上为蓄电池充电。

而且，所述的太阳能供电支路、风力供电支路、蓄电池供电支路的输出端还连接有逆变器进行直交流转换。

而且，所述的太阳能供电支路包括太阳能发电装置、太阳能电压电流检测电路、太阳能DC/DC电路、太阳能调压及稳压电路、太阳能充电电路、太阳能充电电路开关、太阳能支路继电开关，太阳能发电装置一端通过太阳能电压电流检测电路与单片机相连接，太阳能发电装置另一端依次与太阳能DC/DC电路、太阳能调压及稳压电路相连接，太阳能调压及稳压电路一输出端通过太阳能支路继电开关与负载相连接为负载供电，太阳能调压及稳压电路另一输出端通过太阳能充电电路、太阳能充电电路开关与蓄电池相连接，太阳能调压及稳压电路提供稳定的直流电源与单片机相连接为其供电，太阳能充电电路、太阳能充电电路开关还分别与单片机相连接并在单片机的控制下为蓄电池充电。

而且，所述的太阳能发电装置由太阳能板及开关连接构成。

而且，所述的风力供电支路包括风力发电装置、风力发电电压电流检测电路、风力DC/DC电路、风力调压及稳压电路、风力充电电路、风力充电电路开关、风力支路继电开关，风力发电装置一端通过风力电压电流检测电路与单片机相连接，风力发电装置另一端依次与风力DC/DC电路、风力调压及稳压电路相连接，风力调压及稳压电路一输出端通过风力支路继电开关与负载相连接为负载供电，风力调压及稳压电路另一输出端通过风力充电电路、风力充电电路开关与蓄电池相连接，风力充电电路、风力充电电路开关还分别与单片机相连接并在单片机的控制下为蓄电池充电。

而且，所述的风力发电装置由风力机和永磁同步发电机连接构成。

而且，所述的蓄电池供电支路包括蓄电池、蓄电池电量检测电路、蓄电池电路开关，蓄电池通过蓄电池电量检测电路与单片机相连接，蓄电池通过蓄电池电路开关与负载相连接，蓄电池还分别与风力充电电路开关及太阳能充电电路开关相连接并在单片机的控制下由风力供电支路及太阳能供电支路为其充电。

本发明的优点和积极效果是：

本发明有效地将风力发电装置、太阳能发电装置及蓄电池与单片机结合在一起，通过实时检测各个供电支路的电能状态来切换不同的供电形式，完成各个供电装置与负载的协调控制，同时，还可以将太阳能及风能发电装置为蓄电池充电，这样可以保证系统稳定工作，延长供电时间，具有工作稳定、重量轻、高效节能、负载效应好、动态性能好、工作可靠及输出稳定等特点。可广泛应用于低伏数照明灯、小功率电机等低功率直流设备和交流小功率用电设备。

附图说明

图1是本发明的系统连接示意图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明实施例做进一步详述：

一种智能综合发电系统，如图1所示，本发电系统包括单片机、太阳能供电支路、风力供电支路、蓄电池供电支路、负载端电压电流检测电路及负载端启停开关，单片机分别通过I/O接口与太阳能供电支路、风力供电支路、蓄电池供电支路、负载端电压电流检测电路及负载端启停开关相连接。本系统会根据负载情况、日照强度情况、风力大小情况、蓄电池能量情况来选择不同的供电装置，所有的切换过程均由系统自动完成。太阳能供电支路、风力供电支路除了给负载供电外，当蓄电池电量不足时，风力供电支路和太阳能供电支路还可以给蓄电池充电，这样可以保证系统稳定工作，延长供电时间。本系统主要用于低伏数照明灯、小功率电机等低功率直流设备供电，本系统还可以在各供电支路的输出端连接逆变器，通过逆变器将直流电转变为交流电为交流小功率用电设备供电，可供家庭常用低功率电器负载使用。下面对三个供电支路分别进行说明：

太阳能供电支路包括太阳能发电装置、太阳能电压电流检测电路、太阳能DC/DC电路、太阳能调压及稳压电路、太阳能充电电路、太阳能充电电路开关、太阳能支路继电开关，太阳能发电装置一端通过太阳能电压电流检测电路与单片机相连接，太阳能发电装置另一端依次与太阳能DC/DC电路、太阳能调压及稳压电路相连接，太阳能调压及稳压电路一输出端通过太阳能支路继电开关与负载相连接为负载供电，太阳能调压及稳压电路另一输出端通过太阳能充电电路、太阳能充电电路开关与蓄电池相连接，太阳能充电电路、太阳能充电电路开关还分别与单片机相连接并在单片机的控制下为蓄电池充电，太阳能调压及稳压电路提供稳定的直流电源与单片机相连接为其供电。在本实施例中，太阳能发电装置由太阳能板及开关构成，太阳能板输出直接与太阳能DC/DC电路相连，该DC/DC电路采用了SEPIC拓扑DC/DC电路，主要由开关管、电感、SEPIC耦合电容、输出电容、二极管连接组成。为了使太阳能得到高效利用，单片机通过太阳能电压电流检测电路不断检测太阳能板输出的电压和电流，根据电压和电流的数值，计算出太阳能输出功率，并利用最大功率点跟踪控制算法来调节DC/DC电路输出，从而达到最大功率点跟踪，在太阳能输出电压在不低于4.5v的情况下，采用该算法均可将DC/DC电路的电压值调至12V至14V之间，然后经调压及稳压电路，得到12V的稳定电压输出，再经过5V稳压芯片及3.3v稳压芯片变成5V及3.3V，以给系统中所用芯片供电。当单片机检测到太阳能供电支路电能过低时，则利用太阳能支路继电开关切断太阳能供电支路；当系统检测到符合给负载供电条件时，太阳能支路继电开关闭合，太阳能支路给负载供电。太阳能调压及稳压电路稳压后的12V电压经充电电路及太阳能充电电路开关与蓄电池相连，在单片机检测到蓄电池能量较低且符合充电条件时，太阳能充电电路开关闭合，由太阳能支路给蓄电池充电，该充电电路主要由UC3909及外围电路组成，可以按蓄电池四阶段充电电流对蓄电池进行充电。

风力供电支路包括风力发电装置、风力发电电压电流检测电路、风力DC/DC电路、风力调压及稳压电路、风力充电电路、风力充电电路开关、风力支路继电开关，风力发电装置一端通过风力电压电流检测电路与单片机相连接，风力发电装置另一端依次与风力DC/DC电路、风力调压及稳压电路相连接，风力调压及稳压电路一输出端通过风力支路继电开关与负载相连接为负载供电，风力调压及稳压电路另一输出端通过风力充电电路、风力充电电路开关与蓄电池相连接，风力充电电路、风力充电电路开关还分别与单片机相连接并在单片机的控制下为蓄电池充电。在本实施例中，风力发电装置主要包括风力机和永磁同步发电机，风力机使用微型垂直轴风力发电机，采用阻力型风杯及风力机设计，具有启动性能好、启动风速低、稳定低速运行的优点，为了不引起紊流，在叶片中心开一个小孔，用于引导风的流向；发电机采用永磁同步发电机，该发电机启动力矩小，以达到低启动风速的目标。风力DC/DC稳压电路可以稳定提升不可控整流输出电压至DC12V。风力充电电路采用DC-DC变换芯片搭建，放电电路采用Boost电路。在单片机内置有能量管理功能，不断对蓄电池端电压、太阳能电能、风力机发出的能量、负载所需的能量情况进行判断，以此切换系统的工作方式，完成各个供电装置与负载的协调控制。

蓄电池供电支路包括蓄电池、蓄电池电量检测电路、蓄电池电路开关，蓄电池通过蓄电池电量检测电路与单片机相连接，蓄电池通过蓄电池电路开关与负载相连接，蓄电池还分别与风力充电电路开关及太阳能充电电路开关相连接并在单片机的控制下由风力供电支路及太阳能供电支路为其充电。

在本发明中，蓄电池起着能量的存储和调节电能的作用，在风力、太阳能充足时，两者发出过剩的电能存储于蓄电池中，当系统发电量不足时，蓄电池向负载补充电能。单片机可根据风力、太阳能的发电量大小及负荷的变化，不断对蓄电池的工作状态进行切换和调节，使其在充电、放电或浮充电等状态下交替运行，从而保证发电系统工作的连续性和稳定性。由于铅酸蓄电池在运行的过程中，不能过度充电和过度放电，为了保护蓄电池，控制器通过检测蓄电池电荷的状态，可以发出对蓄电池继续放电、减少放电量或停止放电的指令。

本发电系统的单片机完成对各供电支路的电能检测，并根据各支路电能情况及负载情况切换供电支路，其切换方法如下：

1、太阳能发电量较弱，风力发电不能正常工作，即风速较低或太高，风力发电机不能发电或转速过高，关闭风力发电。若蓄电池端电压较低，则系统关机。

2、太阳能发电量较弱，风力发电不能正常工作，即风速较低或太高，风力发电机不能发电或转速过高，关闭风力发电，若蓄电池端电压正常且可以带动负载，则蓄电池放电，向负载供电；

3、太阳能发量较弱，风速较高，风力发电机可以发电，但是负载需要的能量大于风力发电机发出的能量，且蓄电池端电压正常，则蓄电池与风力发电机同时向负载供电；若负载需要的能量小于风力发电机发出的能量，则由风力发电机供电。若风力发电及蓄电池共同工作也带不动负载，则切断部分负载。

4、太阳能发电量较强，风速较高，风力发电机可以发电，但是负载需要的能量大于太阳能和风力发电机发出的能量，蓄电池端电压较低，切断部分负载，并由太阳能和风能共同给蓄电池充电。

5、太阳能发电量较强，风速较高，风力发电机可以发电，两者发出的电能足够负载使用且有多余能量，若蓄电池端电压较低，则由二者向负载供电，同时向蓄电池充电；若蓄电池端电压较高，不需要充电，则由风能和太阳能共同向负载供电，多余电能通过卸荷电阻消耗。若风能和太阳能共同工作也带不动负载，则让太阳能、风能、蓄电池三者同时供电。单片机还可以根据负载情况，在某一种发电方式能够单独带动负载时，适时关闭另一种发电方式。

6、太阳能发电量较强，风速太高，风力发电机转速过高或过低，则关闭风力发电，此时若蓄电池端电压较低，负载所需能量小于太阳能能量且有余，则由太阳能向负载供电，同时给蓄电池充电，若负载所需能量大于太阳能能量，则停止部分负载，且视停后负载情况，在能量够的情况下，太阳能给蓄电池充电。

7、太阳能发电量较强，风速太高或过低，风力发电机转速过高或不能发电，则关闭风力发电，若蓄电池端电压较高，负载所需能量小于太阳能能量且有余，则由太阳能向负载供电，多余电能通过卸荷电阻消耗。若负载所需能量大于太阳能能量，则由太阳能和蓄电池共同给负载供电。

需要强调的是，本发明所述的实施例是说明性的，而不是限定性的，因此本发明并不限于具体实施方式中所述的实施例，凡是由本领域技术人员根据本发明的技术方案得出的其他实施方式，同样属于本发明保护的范围。

Claims

1.一种智能综合发电系统，其特征在于：包括单片机、太阳能供电支路、风力供电支路、蓄电池供电支路、负载端电压电流检测电路及负载端启停开关，单片机分别通过I/O接口与太阳能供电支路、风力供电支路、蓄电池供电支路、负载端电压电流检测电路及负载端启停开关相连接，太阳能供电支路、风力供电支路及蓄电池供电支路输出端通过相应的继电开关电路与负载相连接，太阳能供电支路、风力供电支路的输出端分别连接到蓄电池支路上为蓄电池充电。

2.根据权利要求1所述的智能综合发电系统，其特征在于：所述的太阳能供电支路、风力供电支路、蓄电池供电支路的输出端还连接有逆变器进行直交流转换。

3.根据权利要求1或2所述的智能综合发电系统，其特征在于：所述的太阳能供电支路包括太阳能发电装置、太阳能电压电流检测电路、太阳能DC/DC电路、太阳能调压及稳压电路、太阳能充电电路、太阳能充电电路开关、太阳能支路继电开关，太阳能发电装置一端通过太阳能电压电流检测电路与单片机相连接，太阳能发电装置另一端依次与太阳能DC/DC电路、太阳能调压及稳压电路相连接，太阳能调压及稳压电路一输出端通过太阳能支路继电开关与负载相连接为负载供电，太阳能调压及稳压电路另一输出端通过太阳能充电电路、太阳能充电电路开关与蓄电池相连接，太阳能调压及稳压电路提供稳定的直流电源与单片机相连接为其供电，太阳能充电电路、太阳能充电电路开关还分别与单片机相连接并在单片机的控制下为蓄电池充电。

4.根据权利要求3所述的智能综合发电系统，其特征在于：所述的太阳能发电装置由太阳能板及开关连接构成。

5.根据权利要求1或2所述的智能综合发电系统，其特征在于：所述的风力供电支路包括风力发电装置、风力发电电压电流检测电路、风力DC/DC电路、风力调压及稳压电路、风力充电电路、风力充电电路开关、风力支路继电开关，风力发电装置一端通过风力电压电流检测电路与单片机相连接，风力发电装置另一端依次与风力DC/DC电路、风力调压及稳压电路相连接，风力调压及稳压电路一输出端通过风力支路继电开关与负载相连接为负载供电，风力调压及稳压电路另一输出端通过风力充电电路、风力充电电路开关与蓄电池相连接，风力充电电路、风力充电电路开关还分别与单片机相连接并在单片机的控制下为蓄电池充电。

6.根据权利要求5所述的智能综合发电系统，其特征在于：所述的风力发电装置由风力机和永磁同步发电机等连接构成。

7.根据权利要求1或2所述的智能综合发电系统，其特征在于：所述的蓄电池供电支路包括蓄电池、蓄电池电量检测电路、蓄电池电路开关，蓄电池通过蓄电池电量检测电路与单片机相连接，蓄电池通过蓄电池电路开关与负载相连接，蓄电池还分别与风力充电电路开关及太阳能充电电路开关相连接并在单片机的控制下由风力供电支路及太阳能供电支路为其充电。