CN105351147A - 风力发电机制动能量回收利用系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种风力发电机制动能量回收利用系统，在原变桨距风力发电机系统上增加一个飞轮储能模块，通过单片机控制模块依据速度传感器检测数据实时控制风力发电机的飞轮储能模块工作状态；当风速高于风力发电机设定的上限风速时，飞轮储能模块通过电磁离合器把风机制动的机械能转化为飞轮旋转的机械能；当风速低于风力发电机设定的下限风速时，通过电磁离合器把飞轮的机械能转化为风机的机械能。本发明使风力发电机的制动能量能够合理有效的利用，大大提高了风力发电机的风能利用效率。

Description

风力发电机制动能量回收利用系统
技术领域
本发明涉及风力发电机制动技术领域，具体涉及大型风力发电机能量回收制动系统。
背景技术
风能作为可再生清洁能源，其蕴含量巨大；是替代化石燃料最主要的能源之一。风力发电机技术越来越受到各个国家的大力发展。
自然界的风速变化波动很大，风力发电机负载发电对风速有一定的要求，风力发电机的旋转轴的输出功率是关于风速的三次方的函数，风力发电机负载发电对风速有一定的要求，现有的风力发电机系统，当风速超过其额定风速时，通过变桨距系统使风机在额定转速旋转。从而使风力发电机的效率大大降低。从而造成风力发电机能量的大量浪费。
现有的风力发电机制动系统提出一种实时监控风力发电机电力输出参数的判断模块，判断模块根据电力输出参数的大小触发制动模块对风力发电机进行制动动作以及释放制动动作。该现有技术缺陷的是：进行制动动作时，使大量的风力发电机转动势能转化为制动机构的内能。从而造成风力发电机能量的大量浪费。
发明内容
本发明的目的是为了克服以上的不足，提供一种能够对风力发电机制动能量回收利用的系统。
本发明的目的通过以下技术方案来实现：一种风力发电机制动能量回收利用系统，包括实时监控风力发电机输出参数和空气储能模块的输出参数的控制模块、空气储能模块、变桨距模块，控制模块根据所述风力发电机输出参数的大小和所述空气储能模块输出参数的大小对空气储能模块、变桨距模块执行控制动作；空气储能模块包括空气净化过滤器，空气压缩机，单向阀，空气压缩储存器，压力传感器，速度传感器，电磁离合器，电磁离合器一端连接于风力发电机组传动系统齿轮箱的高速轴上，另一端连接于空气压缩机动力输入轴上，空气净化过滤器出口端连接于空气压缩机低压空气入口端，空气压缩机高压空气出口端连接单向阀入口端，单向阀出口端连接空气压缩储存器入口端，空气压缩储存器出口端连接所述电磁控制阀入口端，电磁控制阀出口端连接减压阀入口端，减压阀出口端连接空气增速涡轮入口端，空气增速涡轮轴连接发电机输入轴，压力传感器安装在所述空气压缩储存器上。
本发明的进一步改进在于：风力发电机输出参数为风力发电机组传动系统轴转速。
本发明的进一步改进在于：风力发电机组传动系统轴转速为风力发电机的组传动系统高速轴转速。
本发明的进一步改进在于：风力发电机输出参数包括风力发电机组传动系统轴的转速，风力发电机工作电流，风力发电机工作电压。
本发明的进一步改进在于：空气储能模块输出参数为空气储存器压力。
本发明的进一步改进在于：控制模块是单片机，压力传感器、速度传感器分别接入单片机的输入端，电磁离合器和所述电磁控制阀分别接入单片机的输出端。速度传感器实时监控风力发电机组传动系统齿轮箱的高速轴的转速，压力传感器实时监测空气压缩储存器的压力；单片机控制模块依据速度传感器、压力传感器的检测数据实时控制风力发电机的空气储能模块、变桨距模块的工作状态。
本发明的进一步改进在于：风力发电机控制模块包括单片机、PLC、现场可编程门整列器，压力传感器所述速度传感器分别接入PLC的输入端，电磁离合器和电磁控制阀分别接入PLC的输出端。
本发明的进一步改进在于：单片机的实时控制包括制动储能动作和释能增速动作。
本发明的进一步改进在于：制动储能动作是单片机逻辑判断控制，其逻辑判断步骤为：
（1）、设置电磁离合器的初始状态，使电磁离合器断电；
（2）、判断速度传感器速度是否大于高速轴设定的上限转速V2；
（3）、如果速度传感器速度小于高速轴设定的上限转速V2，则返回第一步骤；
（4）、如果速度传感器速度大于高速轴设定的上限转速V2，则判断压力传感器压力是否小于空气压缩储存器设定的上限压力P2；
（5）、如果压力传感器压力大于空气压缩储存器设定的上限压力P2。则对电磁离合器进行断电动作，使风机高速轴与空气压缩机动力输入轴断开，停止压缩空气动作，通过变桨距对风力发电机的转速进行控制；
（6）、如果压力传感器压力是小于空气压缩储存器设定的上限压力P2，则对电磁离合器进行通电动作，使风机高速轴与空气压缩机动力输入轴连接，进行压缩空气动作，并延时一段时间；
（7）、重新判断速度传感器速度是否大于高速轴设定的上限转速V2；
（8）、如果速度传感器速度小于高速轴设定的上限转速V2，则对电磁离合器进行断电动作，并延时一段时间，之后返回第二步骤；
（9）、如果速度传感器速度大于高速轴设定的上限转速V2，则返回到第四步骤。
本发明的进一步改进在于：释能增速动作是单片机逻辑判断控制，其中上限压力P2大于下限压力P1、上限转速V3大于上限转速V2、上限转速V2大于下限转速V1，其判断步骤为：
（1）、设置电磁控制阀的初始状态，使电磁控制阀断电；
（2）、判断压力传感器是否小于空气压缩储存器设定的下限值P1；
（3）、如果压力传感器小于设定的下限值P1，则返回第一步骤；
（4）、如果压力传感器不小于设定的下限值P1，则对电磁控制阀进行通电动作，此时高压空气通过减压阀进入空气增速涡轮，涡轮带动发电机2运转，发电机2在额定的转速下发电，延时一段时间；
（5）、重新判断压力传感器是否大于设定的下限值P1；
（6）、如果压力传感器大于设定的下限值P1，则返回第四步骤；
（7）、如果压力传感器不大于设定的下限值P1，关闭电磁控制阀，延时一段时间，然后返回第二步骤。
本发明与现有技术相比具有以下优点：本发明提供一种能够对风力发电机制动能量进行回收利用的系统，本风力发电机的制动系统能够对风力发电机转动系统速度进行控制，并且把风力发电机转动超过其额定转速时能量进行储存，再通过空气增速涡轮连接发电机发电。通过减压阀的作用，进入到增速涡轮的空气压力值保持不变，使发电机在额定转速下发电，发电机发出来的电直接输入电网，本发明使风力发电机的制动能量能够合理有效的利用。
附图说明：
图1是本发明的结构示意图；
图2是本发明中制动储能动作的逻辑判断图；
图3是本发明中释能增速动作的逻辑判断图；
图中标号：1-风机叶片、2-齿轮箱、3-速度传感器、4-电磁离合器、5-高速轴、6-发电机、7-发电机、8-空气增速涡轮器、9-减压阀、10-电磁控制阀、11-单向阀、12-空气压缩储存器、13-压力传感器、14-空气压缩机、15-空气净化过滤器。
具体实施方式：
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。在本发明的一种实施方式中描述的元素和特征可以与一个或更多个其它实施方式中示出的元素和特征相结合。应当注意，为了清楚的目的，说明中省略了与本发明无关的、本领域普通技术人员已知的部件和处理的表示和描述。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有付出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
如图1示出了本发明一种风力发电机制动能量回收利用系统的一种实施方式，在原变桨距风力发电系统中增加一个空气储能模块。空气制动储能模块含有空气净化过滤器15，空气压缩机14，单向阀11，空气压缩储存器12，压力传感器13，速度传感器3，电磁离合器4。电磁控制阀10，空气减压阀9，空气增速涡轮8，发电机7。电磁离合器4一端连接于风力发电机组传动系统齿轮箱的高速轴上，另一端连接于空气压缩机14动力输入轴上。空气净化过滤器15出口端连接于空气压缩机14低压空气入口端，空气压缩机14高压空气出口端连接单向阀11入口端，单向阀11出口的连接空气压缩储存器12入口端。压力传感器13安装在空气压缩储存器上。空气压缩储存器12出口端连接电磁控制阀10入口端，电磁控制阀10出口端连接减压阀9入口端，减压阀9出口端连接空气增速涡轮8入口端。空气增速涡轮8轴连接发电机轴上。当电磁控制阀11通电时，大气中的空气经过空气净化过滤器15除去空气中的灰尘，水蒸气。过滤后，洁净的空气通过空气压缩机14做功，进入到装有单向阀11的空气压缩储存器12中。空气压缩储存器12中的超高压气体通过电磁控制阀13进入到减压阀9中，超高压气体通过减压阀9进入到空气增速涡轮器8中，使涡轮轴转动，发电机7在额定转速发电。发电机7发出的高品质的电直接接入电网。
本发明风力发电机制动能量进行回收利用系统中单片机控制模块较佳实施方式是压力传感器、速度传感器分别接入单片机的输入端P0.0；P0.1。电磁离合器、电磁控制阀分别接入单片机的输出端P1.0；P1.1。
如图2所示，风力发电机制动能量回收利用系统，空气储能模块储能动作逻辑判断包含以下步骤：
（1）、设置所述电磁离合器的初始状态，使所述电磁离合器断电；
（2）、判断所述速度传感器速度是否大于高速轴设定的上限转速V2；
（3）、如果所述速度传感器速度小于高速轴设定的上限转速V2，则返回步骤（1）；
（4）、如果所述速度传感器速度大于高速轴设定的上限转速V2，则判断所述压力传感器压力是否小于空气压缩储存器设定的上限压力P2；
（5）、如果所述压力传感器压力大于空气压缩储存器设定的上限压力P2。则对电磁离合器进行断电动作，使风机高速轴与空气压缩机动力输入轴断开，停止压缩空气动作。通过变桨距对风力发电机的转速进行控制；
（6）、如果所述压力传感器压力是小于空气压缩储存器设定的上限压力P2。则对电磁离合器进行通电动作，使风机高速轴与空气压缩机动力输入轴连接，进行压缩空气动作。增加风机高速轴的载荷，从而风机开始减速，并延时一段时间；
（7）、重新判断所述速度传感器速度是否大于高速轴设定的上限转速V2；
（8）、如果所述速度传感器速度小于高速轴设定的上限转速V2，则对电磁离合器进行断电动作，并延时一段时间。之后返回步骤（2）；
（9）、如果所述速度传感器速度大于高速轴设定的上限转速V2，则返回到步骤（4）。
如图3所示，所述风力发电机制动能量回收利用系统，空气储能模块释能动作逻辑判断包含以下步骤：
（1）、设置所述电磁控制阀的初始状态，使所述电磁控制阀断电；
（2）、判断所述压力传感器是否小于空气压缩储存器设定的下限值P1；
（3）、如果所述压力传感器小于设定的下限值P1，则返回步骤（1）；
（4）、如果压力传感器不小于设定的下限值P1，则对电磁控制阀进行通电动作。此时高压空气通过减压阀进入空气增速涡轮，涡轮带动发电机2运转，发电机2在额定的转速下发电。延时一段时间；
（5）、重新判断所述压力传感器是否大于设定的下限值P1；
（6）、如果压力传感器大于设定的下限值P1，则返回步骤（4）；
（7）、如果所述压力传感器不大于设定的下限值P1，关闭电磁控制阀，延时一段时间，然后返回步骤（2）。
在原变桨距风力发电机系统上增加一个空气储能模块。通过单片机控制模块依据速度传感器、压力传感器检测数据实时控制风力发电机的空气储能模块工作状态。当风速高于风力发电机设定的上限风速时，空气储能模块通过电磁离合器把风机制动的机械能转化为空气的内能。当空气储存器的压力达到一定值时，释放高压空气，带动涡轮机使小型发电机发电。本发明使风力发电机的制动能量能够合理有效的利用，大大提高了风力发电机的风能利用效率。
最后应说明的是：虽然以上已经详细说明了本发明及其优点，但是应当理解在不超出由所附的权利要求所限定的本发明的精神和范围的情况下可以进行各种改变、替代和变换。而且，本发明的范围不仅限于说明书所描述的过程、设备、手段、方法和步骤的具体实施例。本领域内的普通技术人员从本发明的公开内容将容易理解，根据本发明可以使用执行与在此所述的相应实施例基本相同的功能或者获得与其基本相同的结果的、现有和将来要被开发的过程、设备、手段、方法或者步骤。因此，所附的权利要求旨在在它们的范围内包括这样的过程、设备、手段、方法或者步骤。

Claims (10)

1.一种风力发电机制动能量回收利用系统，其特征在于：所述的风力发电机制动能量回收利用系统包括实时监控风力发电机输出参数和空气储能模块的输出参数的控制模块、空气储能模块、变桨距模块，所述的控制模块根据所述风力发电机输出参数的大小和所述空气储能模块输出参数的大小对空气储能模块、变桨距模块执行控制动作；所述空气储能模块包括空气净化过滤器，空气压缩机，单向阀，空气压缩储存器，压力传感器，速度传感器，电磁离合器，所述电磁离合器一端连接于风力发电机组传动系统齿轮箱的高速轴上，另一端连接于所述空气压缩机动力输入轴上，所述空气净化过滤器出口端连接于所述空气压缩机低压空气入口端，所述空气压缩机高压空气出口端连接所述单向阀入口端，所述单向阀出口端连接所述空气压缩储存器入口端，空气压缩储存器出口端连接所述电磁控制阀入口端，所述电磁控制阀出口端连接所述减压阀入口端，所述减压阀出口端连接所述空气增速涡轮入口端，所述空气增速涡轮轴连接发电机输入轴，所述压力传感器安装在所述空气压缩储存器上。
2.根据权利要求1所述的风力发电机制动能量回收利用系统，其特征在于：所述风力发电机输出参数为所述风力发电机组传动系统轴转速。
3.根据权利要求2所述的风力发电机组传动系统轴转速，其特征在于：所述风力发电机组传动系统轴转速为风力发电机的组传动系统高速轴转速。
4.根据权利要求1所述的风力发电机制动能量回收利用系统，其特征在于：所述风力发电机输出参数包括所述风力发电机组传动系统轴的转速，风力发电机工作电流，风力发电机工作电压。
5.根据权利要求1所述的风力发电机制动能量回收利用系统，其特征在于：所述空气储能模块输出参数为空气储存器压力。
6.根据权利要求1所述的风力发电机的制动能量回收利用系统，其特征在于：所述控制模块是单片机，所述压力传感器、所述速度传感器分别接入单片机的输入端，所述电磁离合器和所述电磁控制阀分别接入单片机的输出端；速度传感器实时监控风力发电机组传动系统齿轮箱的高速轴的转速，压力传感器实时监测空气压缩储存器的压力；单片机控制模块依据速度传感器、压力传感器的检测数据实时控制风力发电机的空气储能模块、变桨距模块的工作状态。
7.根据权利要求1所述的风力发电机的制动能量回收利用系统，其特征在于：所述风力发电机控制模块包括单片机、PLC、现场可编程门整列器，所述压力传感器所述速度传感器分别接入PLC的输入端，所述电磁离合器和所述电磁控制阀分别接入PLC的输出端。
8.如权利要求6所述的风力发电机的制动能量回收利用系统，其特征在于：所述单片机的实时控制包括制动储能动作和释能增速动作。
9.根据权利要求8所述的风力发电机的制动能量回收利用系统，其特征在于：所述制动储能动作是单片机逻辑判断控制，其逻辑判断步骤为：
（1）、设置所述电磁离合器的初始状态，使所述电磁离合器断电；
（2）、判断所述速度传感器速度是否大于高速轴设定的上限转速V2；
（3）、如果所述速度传感器速度小于高速轴设定的上限转速V2，则返回第一步骤；
（4）、如果所述速度传感器速度大于高速轴设定的上限转速V2，则判断所述压力传感器压力是否小于空气压缩储存器设定的上限压力P2；
（5）、如果所述压力传感器压力大于空气压缩储存器设定的上限压力P2，则对电磁离合器进行断电动作，使风机高速轴与空气压缩机动力输入轴断开，停止压缩空气动作，通过变桨距对风力发电机的转速进行控制；
（6）、如果所述压力传感器压力是小于空气压缩储存器设定的上限压力P2，则对电磁离合器进行通电动作，使风机高速轴与空气压缩机动力输入轴连接，进行压缩空气动作，并延时一段时间；
（7）、重新判断所述速度传感器速度是否大于高速轴设定的上限转速V2；
（8）、如果所述速度传感器速度小于高速轴设定的上限转速V2，则对电磁离合器进行断电动作，并延时一段时间，之后返回第二步骤；
（9）、如果所述速度传感器速度大于高速轴设定的上限转速V2，则返回到第四步骤。
10.如权利要求8所述的风力发电机的制动能量回收利用系统，其特征在于：所述释能增速动作是单片机逻辑判断控制，其中上限压力P2大于下限压力P1、上限转速V3大于上限转速V2、上限转速V2大于下限转速V1，其判断步骤为：
（1）、设置所述电磁控制阀的初始状态，使所述电磁控制阀断电；
（2）、判断所述压力传感器是否小于空气压缩储存器设定的下限值P1；
（3）、如果所述压力传感器小于设定的下限值P1，则返回第一步骤；
（4）、如果压力传感器不小于设定的下限值P1，则对电磁控制阀进行通电动作，此时高压空气通过减压阀进入空气增速涡轮，涡轮带动发电机2运转，发电机2在额定的转速下发电，延时一段时间；
（5）、重新判断所述压力传感器是否大于设定的下限值P1；
（6）、如果压力传感器大于设定的下限值P1，则返回第四步骤；
（7）、如果所述压力传感器不大于设定的下限值P1，关闭电磁控制阀，延时一段时间，然后返回第二步骤。
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