CN107061165B - 一种带谐振槽的能量抽取式风力发电装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种带谐振槽的能量抽取式风力发电装置及方法，装置包括风力发电机、谐振槽、电容、能量抽取开关、迎风面力传感器、背风面力传感器、微控制器、开关控制电路、电压采集电路、DC‑AC电路、负载。本发明的方法是利用谐振槽储存风力发电机获取的风能，并通过能量抽取开关控制电容并联到谐振回路上，将储存在谐振回路上的能量转移到电容上取出，实现能量的合理分配，从而提高风力发电效率。本发明通过能量开关控制电容的方式，在风力变化的过程中，合理的储存和转移输出能量，从而提高风力发电机的效率。本发明具有体积小，方法简单，风能利用效率高等优点。

Description

一种带谐振槽的能量抽取式风力发电装置及方法

技术领域

本发明涉及一种风力发电装置及方法，尤其涉及一种带谐振槽的能量抽取式风力发电装置及方法，属于风力发电技术领域。

背景技术

风能是一种清洁无污染的可再生能源，大规模利用风能，普及风力发电，对改变能源结构、保护环境具有重要的意义。但风能能量密度较低，风向和风力大小的不确定性，导致风力发电效率一直难以提高，如何提高风力发电效率一直是风电技术研究的重点。

现有提高发电机效率的技术中，如公开号CN2472400Y，通过降低发电机旋转磁体的漏磁系数，从而提高发电机的效率，但由于实际发电机磁芯的存在，磁力线密度已经很高，减少漏磁对发电机效率的提升空间有限。现有提高风力发电效率的技术中，如公开号为CN102146887A、CN104696164A，在垂直轴风力发电机的迎风面设置挡板，挡住气流在风力发电机风轮上产生阻力，提高旋转扭矩，从而提高风力发电效率，但该方法增加了结构的复杂性和不稳定性，在强风条件下，容易受到破坏，且仅仅适用于垂直轴风力发电机；如公开号为CN201696229U、CN102278280A，使用一种聚风面装置，增加风量，从而提高风力发电效率，但该方法增加了结构的复杂性和不稳定性，在强风条件下，容易受到破坏，且效率提升并不明显；如公开号为CN102022258A、CN103147936A、CN102465844A、CN205559158U等，均是设计了新型的叶片结构或是不同的叶片曲线，优化最佳的叶片模型，从而提高风力发电效率，但不同叶片结构，其启动风速、最佳运行风速、尖速比、抗风性均不同，因此对安装环境的风速要求比较高。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是：提供一种带谐振槽的能量抽取式风力发电装置及方法，通过能量开关控制电容的方式，在风力变化的过程中，合理的储存和转移输出能量，提高了风力发电机的效率。

本发明为解决上述技术问题采用以下技术方案：

一种带谐振槽的能量抽取式风力发电装置，包括：风力发电机、谐振槽、至少一个电容、至少一个能量抽取开关、迎风面力传感器、背风面力传感器、微控制器、开关控制电路、电压采集电路、DC-AC电路和负载；其中，谐振槽包括谐振电感、谐振电容，谐振电感与谐振电容串联后两端接风力发电机的输出绕组；电容与能量抽取开关一一对应，能量抽取开关包括一个动端、两个不动端，动端经过电容后分别接谐振电容一端、DC-AC电路的地、负载，其中一个不动端分别接谐振电容另一端、电压采集电路的输入端，另一个不动端接DC-AC电路的输入端；DC-AC电路的输出端分别与电压采集电路的输入端、负载连接；迎风面力传感器、背风面力传感器分别安装于风力发电机每个叶片的迎风面、背风面，且迎风面力传感器、背风面力传感器的输出端分别与微控制器的输入端连接，微控制器的输出端经开关控制电路与能量抽取开关的动端连接，电压采集电路的输出端与微控制器的输入端连接。

作为本发明装置的一种优选方案，所述风力发电机为垂直轴风力发电机。

作为本发明装置的一种优选方案，所述开关控制电路为三极管驱动电路。

作为本发明装置的一种优选方案，所述微控制器为STM32单片机。

作为本发明装置的一种优选方案，所述DC-AC电路为逆变器。

作为本发明装置的一种优选方案，所述负载为用电器。

一种带谐振槽的能量抽取式风力发电方法，包括如下步骤：

步骤1，打开装置的电源，风力发电机开始运转，微控制器读取每个叶片迎风面和背风面上力传感器测得的风力值，分别计算迎风面力传感器测得的风力平均值以及背风面力传感器测得的风力平均值，对二者做差，并与预先设定的阈值进行比较，进入下一步；

步骤2，若差值大于等于预先设定的阈值，进入步骤3；若差值小于预先设定的阈值，进入步骤4；

步骤3，风力发电机吸收风能并储存在谐振槽中，微控制器控制其中一个能量抽取开关将与之对应的电容与DC-AC电路的输入端连接，并返回步骤1，再次进行比较判断；

步骤4，微控制器控制其中一个能量抽取开关将与之对应的电容并联到谐振电容两端，将谐振槽中储存的能量转移到电容上，并通过电压采集电路监测电容的充电电压，当电容的充电电压达到峰值后，控制能量抽取开关将电容切换到DC-AC电路，由DC-AC电路将电容上能量转移输出，返回步骤1，再次进行比较判断。

本发明采用以上技术方案与现有技术相比，具有以下技术效果：

1、本发明利用谐振网络，在风速变小时，通过能量抽取开关控制电容并联到谐振回路上，将储存在谐振回路上的能量转移到电容上取出，实现能量的合理分配，从而提高风力发电效率。

2、本发明结构简单，便于安装，电容切换控制方便，发电效率提升明显。

附图说明

图1是本发明一种带谐振槽的能量抽取式风力发电装置的结构示意图。

图2是本发明一种带谐振槽的能量抽取式风力发电方法的控制流程图。

图3是本发明一种带谐振槽的能量抽取式风力发电装置具体的实施电路图。

其中，1-风力发电机，2-谐振槽，3-电容，4-能量抽取开关。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施方式，所述实施方式的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施方式是示例性的，仅用于解释本发明，而不能解释为对本发明的限制。

如图1所示，为一种带谐振槽的能量抽取式高效风力发电装置示意图，装置包括：风力发电机1，谐振槽2，电容3，能量抽取开关4，迎风面力传感器，背风面力传感器，微控制器，开关控制电路，电压采集电路，DC-AC电路，负载。其中，谐振槽2由谐振电感和谐振电容组成。风力发电机为一小型垂直轴风力发电机，包括发电机塔架、发电机基座、叶片、叶片支撑臂、发电机，由微控制器及其最小系统电路、开关控制电路组成的电路板置于塔架内，谐振槽、能量抽取开关和电容安装在发电机的基座内，谐振槽的两个输入端接发电机的一个输出绕组，电容两端电压输出到负载，微控制器通过开关控制电路控制能量抽取开关，力传感器安装在每个叶片的迎风面和背风面，与微控制器相连。电容由多个普通无极性电容组成；能量抽取开关由多个独立控制的单刀双掷开关组成；微控制器为STM32单片机；开关控制电路为三极管驱动电路；DC-AC电路为逆变器；负载为用电器。

本发明是利用谐振槽储存发电机获取的风能，通过能量抽取开关控制电容并联到谐振回路上，将储存在谐振回路上的能量转移到电容上取出，实现能量的合理分配，从而提高风力发电效率。在风力发电的过程中，通过安装在每个叶片迎风面和背风面的力传感器测得风叶两面的风力差值并与阈值比较，从而感知风力的变化。当风力差值大于阈值时，风力对发电机做功，通过能量抽取开关断开电容，系统吸收风能并储存在谐振回路中；当风力差值小于阈值时，发电机对摩擦力和空气做功，通过能量抽取开关控制电容并联到谐振电容的两端，对电容进行充电，从而将谐振回路吸收的能量转移到电容上，通过电压采集模块判断电容是否充满电，充满电后，能量抽取开关控制电容切换到DC-AC电路输入端将电容上能量取出。

如图2所示，为一种带谐振槽的能量抽取式高效风力发电装置的控制流程，具体如下：

步骤一：将风力发电机固定，并将风力发电机输出绕组连接谐振网络输入端，将力传感器安装在风力发电机的叶片上，完成本装置的安装，风力发电机开始运转，进入下一步。

步骤二：打开系统的电源，微控制器读取每个风叶迎风面和背风面上安装的力传感器测得的风力值，对采集的数据进行处理，计算迎风面力传感器测得的风力平均值与背风面力传感器测得的风力平均值，对二者做差并与设定的阈值比较。进入下一步。

步骤三：若差值大于阈值，则说明发电机受外力旋转，发电机吸收风能并储存在谐振回路中，进入步骤四；若差值小于阈值，则说明发电机受惯性旋转，发电机转速减缓的过程中，叶片对摩擦力和空气做功，消耗谐振回路中储存的能量，进入步骤五。

步骤四：微控制器控制能量抽取开关断开电容，使谐振回路尽可能的吸收风能。返回步骤三。

步骤五：微控制器控制能量抽取开关将电容并联到谐振电容的两端，将谐振回路中储存的能量转移到电容上，并通过电压采集模块监测到电容充电电压达到峰值后，控制能量抽取开关将电容切换到DC-AC电路，将电容上能量转移输出。返回步骤三。

如图3所示，为具体实施的系统电路原理图，将谐振槽的两个输入端接风力发电机的一个输出绕组，绕在磁芯上的1000匝线圈作为谐振电感，选取600UF/450V耐压的无极性电容作为谐振电容，选取3个200UF/450V耐压的无极性电容作为能量抽取电容，选取3个欧姆龙HF46F-5-HS1继电器作为3个能量抽取开关，分别控制这些电容是否并联到谐振电容两端。使用STM32F103ZET6单片机及其最小系统构建主控电路，采用MMBT2907A三极管作为每个继电器开关的驱动，每个三极管的基极连接到单片机的I/O口上。采用多个力传感器，分别安装在每个叶片的迎风面和背风面，并将每个传感器数据线分别接入单片机的带有ADC通道的I/O口上，将谐振电容两端的电压经过分压电阻网络降低电压后，输入到单片机带有ADC通道的I/O口上，对电压峰值进行监测。

实施电路搭建完毕，开启系统电源，在风力发电过程中，根据单片机读取到的所有叶片上迎风面和背风面的压力传感器的测量值，将所有迎风面传感器和背风面传感器的值分别求平均值，二者做差，将差值与实验测定的阈值进行比较。若差值大于阈值，则说明外力对发电机做功，发电机不断吸收风能并储存在谐振回路中，此时单片机应立即控制继电器断开电容，并继续读取和计算迎风面和背风面的风力差值，再次与阈值比较。若当前迎风面与背风面的压力差值小于阈值，则说明发电机对摩擦力和空气做功，储存在谐振回路中的能量随着发电机转速慢慢降低而损耗，此时单片机应立即控制继电器并联上电容，对电容进行充电，将谐振回路中储存的能量转移到电容上，DC-AC电路采集电容两端的电压，并判断是否为最大峰值，若为最小值则等待，若为最大值，则说明电容上充满电，单片机应立即控制继电器将电容切换到DC-AC电路输入端，通过逆变电路将电容上的能量输出，此时风力发电机转速立即下降，发电机频率和幅值立即降低，单片机继续读取和计算迎风面和背风面的风力差值，再次与阈值比较。如此循环，不断根据迎风面和背风面风力的变化，单片机控制继电器切换电容，在风力对发电机主动做功时，系统吸收风能并储存在谐振回路中，在发电机对外主动做功时，系统将储存在谐振回路中的能量转移到电容上输出，从而实现能量的合理分配，减少已吸收风能的损失，提高风力发电的效率。

以上实施例仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明保护范围之内。

Claims (5)

1.一种带谐振槽的能量抽取式风力发电装置，其特征在于，包括：风力发电机、谐振槽、至少一个电容、至少一个能量抽取开关、迎风面力传感器、背风面力传感器、微控制器、开关控制电路、电压采集电路、DC-AC电路和负载；其中，谐振槽包括谐振电感、谐振电容，谐振电感与谐振电容串联后两端接风力发电机的输出绕组；电容与能量抽取开关一一对应，能量抽取开关包括一个动端、两个不动端，动端经过电容后分别接谐振电容一端、DC-AC电路的地、负载，其中一个不动端分别接谐振电容另一端、电压采集电路的输入端，另一个不动端接DC-AC电路的输入端；DC-AC电路的输出端分别与电压采集电路的输入端、负载连接；迎风面力传感器、背风面力传感器分别安装于风力发电机每个叶片的迎风面、背风面，且迎风面力传感器、背风面力传感器的输出端分别与微控制器的输入端连接，微控制器的输出端经开关控制电路与能量抽取开关的动端连接，电压采集电路的输出端与微控制器的输入端连接；

所述风力发电机为垂直轴风力发电机；所述开关控制电路为三极管驱动电路。

2.根据权利要求1所述带谐振槽的能量抽取式风力发电装置，其特征在于，所述微控制器为STM32单片机。

3.根据权利要求1所述带谐振槽的能量抽取式风力发电装置，其特征在于，所述DC-AC电路为逆变器。

4.根据权利要求1所述带谐振槽的能量抽取式风力发电装置，其特征在于，所述负载为用电器。

5.一种带谐振槽的能量抽取式风力发电方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤1，打开装置的电源，风力发电机开始运转，微控制器读取每个叶片迎风面和背风面上力传感器测得的风力值，分别计算迎风面力传感器测得的风力平均值以及背风面力传感器测得的风力平均值，对二者做差，并与预先设定的阈值进行比较，进入下一步；

步骤2，若差值大于等于预先设定的阈值，进入步骤3；若差值小于预先设定的阈值，进入步骤4；

步骤3，风力发电机吸收风能并储存在谐振槽中，微控制器控制其中一个能量抽取开关将与之对应的电容与DC-AC电路的输入端连接，并返回步骤1，再次进行比较判断；

步骤4，微控制器控制其中一个能量抽取开关将与之对应的电容并联到谐振电容两端，将谐振槽中储存的能量转移到电容上，并通过电压采集电路监测电容的充电电压，当电容的充电电压达到峰值后，控制能量抽取开关将电容切换到DC-AC电路，由DC-AC电路将电容上能量转移输出，返回步骤1，再次进行比较判断。

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