CN107070330B - 谐振高效风力发电装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了谐振高效风力发电装置及方法，本装置包括风力发电机、LC谐振网络、电感调节控制器、风速传感器、微控制器和负载。本方法包括步骤一：安装本装置；步骤二：启动系统；步骤三：微控制器不断读取风速传感器测量的风速值；步骤四：风速降低后，微控制器控制风力发电机增大电感，使电感电压反势，将电感能量转移到输出电容，使负载的电压升高，从而抽取了LC谐振网络能量，返回步骤三；步骤五：风速升高后，微控制器控制风力发电机减小电感，风力发电机吸收更多的风能储存到LC谐振网络，返回步骤三。本发明利用LC谐振网络实现能量的智能高效管理分配，从而使发电系统尽可能的吸收风能，减少已吸收能量的损失，提高风力发电的效率。

Description

谐振高效风力发电装置及方法

技术领域

本发明涉及谐振高效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。现有提高风力发电效率的专利，如公开号为CN102146887A、CN104696164A的专利，采用不同的形式，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的专利，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等专利，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,不易实现。

发明内容

为了解决上述存在的问题，本发明公开了一种谐振高效风力发电装置及方法，其具体技术方案如下：

谐振高效风力发电装置，包括风力发电机、LC谐振网络、电感调节控制器、风速传感器、微控制器和负载，所述风力发电机的一个输出绕组接LC谐振网络的两个输入端，所述LC谐振网络的输出端接负载，同时为电感调节控制器供电，电感调节控制器由微控制器控制改变电感量，所述电感调节控制器连接控制LC谐振网络，所述风速传感器采集风速信号并将风速信号传递给微控制器。

所述LC谐振网络包括一个连续可调的可调电感和谐振电容，所述可调电感的电感量连续可调，所述谐振电容选用无极性电容，LC谐振网络是一个储能网络，风速变高时储存能量，风速降低时释放能量。

所述风力发电机选用小型垂直轴风力发电机，所述小型垂直轴风力发电机包括发电机塔架、发电机基座、叶片、叶片支撑臂和发电机，带有微控制器的电路板置于塔架内，LC谐振网络及电感调节控制器安装在发电机基座内，LC谐振网络的两个输入端接发电机的一个输出绕组，电感调节控制器与微控制器相连，风速传感器安装在发电机的顶部，与微控制器相连。

所述微控制器选用STM32单片机，使用STM32单片机的PWM功能控制电机驱动器，所述微控制器通过风速传感器实时测量当前风速值，不同的风速对应不同的风力发电机理论最大输出功率，当风速变小时，微控制器控制电感调节控制器增加电感，使电感电压反势，从而把电感能量转移到电容输出；当风速变大时，微控制器控制电感调节控制器减小电感，使得LC谐振网络吸收更多的风能储存到谐振储能网络，从而保证，无论是风速增大或是减小，LC谐振网络始终保持谐振调节状态，吸收风能，减少已吸收能量的损失。

所述负载选用电器或电网逆变器。

所述LC谐振网络接到风力发电机的一个输出绕组，用直径为1mm的漆包线绕制在骨架上的1000匝线圈作为谐振的可调电感，骨架长15cm，口径为4cm*4cm，骨架内部有一个磁芯，该磁芯装配在一个直线导轨的滑块上，受电机控制改变磁芯插入到线圈内部的深度，从而调节电感量，谐振电容由若干个600V耐压、680UF容量的无极性电容串并联组成。

所述风速传感器选用三杯式风速传感器，风速传感器通过串口与微控制器通信，使用STM32单片机及其最小系统构建主控电路，将风速传感器接在STM32单片机的串口通信I/0口上。

一种谐振式高效风力发电装置的控制方法，其特征在于包括以下步骤：

步骤一：将风力发电机固定，并将风力发电输出端连接LC谐振网络，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：启动系统，LC谐振网络、电感调节控制器、风速传感器和微控制器均正常运行，微控制器读取风速传感器测量的风速值，根据当前风速值，微控制器控制风力发电机调整电感值，使LC谐振网络工作在谐振状态，进入下一步；

步骤三：微控制器不断读取风速传感器测量的风速值，当检测到风速降低时，进入步骤四；当检测到风速升高时，进入步骤五；

步骤四：风速降低后，微控制器控制风力发电机增大电感，使电感电压反势，将电感能量转移到输出电容，使负载的电压升高，从而抽取了LC谐振网络能量，返回步骤三；

步骤五：风速升高后，微控制器控制风力发电机减小电感，风力发电机吸收更多的风能储存到LC谐振网络，返回步骤三。

本发明的有益效果是：

本发明利用LC谐振网络，实现能量的智能高效管理分配，从而使发电系统尽可能的吸收风能，减少已吸收能量的损失，提高风力发电的效率。

本发明结构较为简单，便于安装，发电效率提升明显。

本发明通过判断当前风速的增大或减小，控制电感量的大小，具有一定的智能性，使得能量转移更加合理。

附图说明

图1是本发明装置的连接状态示意图，

图2是本发明方法的控制流程图，

图3是本发明的实施电路功能框图，

图4是本发明的控制系统电路原理图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式，进一步阐明本发明。应理解下述具体实施方式仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。

图1是本发明的结构示意图，结合附图1可见，本谐振高效风力发电装置，包括风力发电机、LC谐振网络、电感调节控制器、风速传感器、微控制器和负载，所述风力发电机的一个输出绕组接LC谐振网络的两个输入端，所述LC谐振网络的输出端接负载，同时为电感调节控制器供电，电感调节控制器由微控制器控制改变电感量，所述电感调节控制器连接控制LC谐振网络，所述风速传感器采集风速信号并将风速信号传递给微控制器。

所述LC谐振网络包括一个连续可调的可调电感和谐振电容，所述可调电感的电感量连续可调，所述谐振电容选用无极性电容，LC谐振网络是一个储能网络，风速变高时储存能量，风速降低时释放能量。

所述风力发电机选用小型垂直轴风力发电机，所述小型垂直轴风力发电机包括发电机塔架、发电机基座、叶片、叶片支撑臂和发电机，带有微控制器的电路板置于塔架内，LC谐振网络及电感调节控制器安装在发电机基座内，LC谐振网络的两个输入端接发电机的一个输出绕组，电感调节控制器与微控制器相连，风速传感器安装在发电机的顶部，与微控制器相连。

所述微控制器选用STM32单片机，使用STM32单片机的PWM功能控制电机驱动器，所述微控制器通过风速传感器实时测量当前风速值，不同的风速对应不同的风力发电机理论最大输出功率，当风速变小时，微控制器控制电感调节控制器增加电感，使电感电压反势，从而把电感能量转移到电容输出；当风速变大时，微控制器控制电感调节控制器减小电感，使得LC谐振网络吸收更多的风能储存到谐振储能网络，从而保证，无论是风速增大或是减小，LC谐振网络始终保持谐振调节状态，吸收风能，减少已吸收能量的损失。

所述负载选用电器或电网逆变器。

图2是本发明方法的控制流程图，图3是本发明的实施电路功能框图，结合附图2-3可见，本谐振式高效风力发电装置的控制方法，包括以下步骤：

步骤一：将风力发电机固定，并将风力发电输出端连接LC谐振网络，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：启动系统，LC谐振网络、电感调节控制器、风速传感器和微控制器均正常运行，微控制器读取风速传感器测量的风速值，根据当前风速值，微控制器控制风力发电机调整电感值，使LC谐振网络工作在谐振状态，进入下一步；

步骤三：微控制器不断读取风速传感器测量的风速值，当检测到风速降低时，进入步骤四；当检测到风速升高时，进入步骤五；

步骤四：风速降低后，微控制器控制风力发电机增大电感，使电感电压反势，将电感能量转移到输出电容，使负载的电压升高，从而抽取了LC谐振网络能量，返回步骤三；

步骤五：风速升高后，微控制器控制风力发电机减小电感，风力发电机吸收更多的风能储存到LC谐振网络，返回步骤三。

图4是本发明的控制系统电路原理图，结合附图4可见，所述LC谐振网络接到风力发电机的一个输出绕组，用直径为1mm的漆包线绕制在骨架上的1000匝线圈作为谐振的可调电感，骨架长15cm，口径为4cm*4cm，骨架内部有一个磁芯，该磁芯装配在一个直线导轨的滑块上，受电机控制改变磁芯插入到线圈内部的深度，从而调节电感量，谐振电容由若干个600V耐压、680UF容量的无极性电容串并联组成。所述风速传感器选用三杯式风速传感器，风速传感器通过串口与微控制器通信，使用STM32单片机及其最小系统构建主控电路，将风速传感器接在STM32单片机的串口通信I/0口上。实施电路搭建完毕，开启系统电源，风力发电机在运行过程中，根据实验测定的不同风速的频率对应表，测量风速，调节电感使系统的谐振频率跟踪到发电机输出频率。当单片机读取风速传感器测得风速变小时，发电机的输出频率变低，此时，单片机根据风速变化大小，控制电机驱动器，电机拖动磁芯向线圈内移动相应的距离，适当增加谐振电感量，保持系统工作在谐振状态，从而使得电感电压反势，使能量转移到电容输出。当单片机读取风速传感器测得风速变大时，发电机的输出频率变高，此时，单片机根据风速变化的大小，控制电机驱动器，电机拖动磁芯向线圈外移动相应的距离，适当的减小谐振电感量，保持系统工作在谐振状态，从而使得系统吸收更多的能量储存到LC谐振网络中。如此循环，不断根据风速变化，调节电感量，始终保持电路工作在谐振状态，从而实现能量的合理管理分配，使系统尽可能的吸收风能，减少了已吸收能量的损失。

应当指出的是,尽管结合优选实施方案具体展示和介绍了本发明，以上所述实施内容，是结合具体的优选实施方式的一种，是对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明，而是要求符合与本文所公开的思路和原理相一致的最宽的范围，如通过LC谐振储能网络，实现在不同风速下能量的转移与分配，从而提高风力发电效率。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单改进或替换。在权利要求书所限定的本发明的原理范围内，都应当视为属于本发明的保护范围。

Claims (6)

1.一种谐振式高效风力发电装置的控制方法，所述谐振式高效风力发电装置包括风力发电机、LC谐振网络、电感调节控制器、风速传感器、微控制器和负载，所述风力发电机的一个输出绕组接LC谐振网络的两个输入端，所述LC谐振网络的输出端接负载；所述电感调节控制器与LC谐振网络的输出相连，获取电能，所述电感调节控制器接收微控制器发出的改变调节电感量指令，所述电感调节控制器的输出连接控制LC谐振网络，所述风速传感器采集风速信号并将风速信号传递给微控制器；

所述LC谐振网络包括一个连续可调的可调电感和谐振电容，所述可调电感的电感量连续可调，所述谐振电容选用无极性电容，LC谐振网络是一个储能网络，风速变高时储存能量，风速降低时释放能量；

其特征在于，谐振式高效风力发电装置的控制方法具体包括以下步骤：

步骤一：将风力发电机固定，并将风力发电输出端连接LC谐振网络，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：启动系统，LC谐振网络、电感调节控制器、风速传感器和微控制器均正常运行，微控制器读取风速传感器测量的风速值，根据当前风速值，微控制器控制风力发电机调整电感值，使LC谐振网络工作在谐振状态，进入下一步；

步骤三：微控制器不断读取风速传感器测量的风速值，当检测到风速降低时，进入步骤四；当检测到风速升高时，进入步骤五；

步骤四：风速降低后，微控制器控制风力发电机增大电感，使电感电压反势，将电感能量转移到输出电容，使负载的电压升高，从而抽取了LC谐振网络能量，返回步骤三；

步骤五：风速升高后，微控制器控制风力发电机减小电感，风力发电机吸收更多的风能储存到LC谐振网络，返回步骤三。

2.根据权利要求1所述的谐振式高效风力发电装置的控制方法，其特征在于所述风力发电机选用小型垂直轴风力发电机，所述小型垂直轴风力发电机包括发电机塔架、发电机基座、叶片、叶片支撑臂和发电机，带有微控制器的电路板置于塔架内，LC谐振网络及电感调节控制器安装在发电机基座内，LC谐振网络的两个输入端接发电机的一个输出绕组，电感调节控制器与微控制器相连，风速传感器安装在发电机的顶部，与微控制器相连。

3.根据权利要求1所述的谐振式高效风力发电装置的控制方法，其特征在于所述微控制器选用STM32单片机，使用STM32单片机的PWM功能控制电机驱动器，所述微控制器通过风速传感器实时测量当前风速值，不同的风速对应不同的风力发电机理论最大输出功率，当风速变小时，微控制器控制电感调节控制器增加电感，使电感电压反势，从而把电感能量转移到电容输出；当风速变大时，微控制器控制电感调节控制器减小电感，使得LC谐振网络吸收更多的风能储存到谐振储能网络，从而保证，无论是风速增大或是减小，LC谐振网络始终保持谐振调节状态，吸收风能，减少已吸收能量的损失。

4.根据权利要求1所述的谐振式高效风力发电装置的控制方法，其特征在于所述负载选用电器或电网逆变器。

5.根据权利要求1所述的谐振式高效风力发电装置的控制方法，其特征在于所述LC谐振网络接到风力发电机的一个输出绕组，用直径为1mm的漆包线绕制在骨架上的1000匝线圈作为谐振的可调电感，骨架长15cm，口径为4cm*4cm，骨架内部有一个磁芯，该磁芯装配在一个直线导轨的滑块上，受电机控制改变磁芯插入到线圈内部的深度，从而调节电感量，谐振电容由若干个600V耐压、680UF容量的无极性电容串并联组成。

6.根据权利要求1所述的谐振式高效风力发电装置的控制方法，其特征在于所述风速传感器选用三杯式风速传感器，风速传感器通过串口与微控制器通信，使用STM32单片机及其最小系统构建主控电路，将风速传感器接在STM32单片机的串口通信I/0口上。