CN110855198A - 一种同时使用太阳能和风能的发电装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种同时使用太阳能和风能的发电装置，包括太阳能电池、发电机、蓄电池、实时直流电流分流器模块；所述实时直流电流分流器模块包括控制器、传感器和两条并联的电阻支路；太阳能电池吸收太阳能转化为直流电，直流电输至实时直流分流器模块，实时直流分流器模块通过传感器检测发电机转速，并通过传感器检测太阳能电池输出的直流电流，实时直流分流器模块经过两条并联的电阻支路将电流分别输至发电机直流励磁绕组和蓄电池；蓄电池与发电机直流绕组相连。本发明综合利用风能和太阳能进行发电；具有调压范围大、变速恒压运行、输出端电力变换装置简单、控制策略简单、输出电压稳定的特点。

Description

一种同时使用太阳能和风能的发电装置

技术领域

本发明涉及同时利用两种可再生能源的发电装置，特别是一种同时使用太阳能和风能的发电装置

背景技术

能源、环境是当今人类生存和发展所解决的紧迫问题。中国是发展中的能源消耗大国，中国经济可持续发展已经受到能源瓶颈的制约，中国是可再生资源极为丰富的国家，因此，开发研究可再生能源具有战略意义和广阔前景。

国内外学者此前大多数都在致力于可再生能源中某一种的开发与研究，如风能发电、太阳能发电，或者是海洋能、生物质能、地热能等发电。由于大自然不稳定因素的存在，单一的使用一种可再生能源，会带来系统效率低、成本高，而且不容易控制。为了综合利用可再生资源，最早由丹麦学者提出了风光互补发电系统。目前综合使用风能和太阳能发电领域的研究主要集中在风光互补发电系统，风光互补系统是一套发电应用系统，该系统是利用太阳能电池方阵、风力发电机和整流装置(将交流电转化为直流电)将发出的电能存储到蓄电池组中，当用户需要用电时，逆变器将蓄电池组中储存的直流电转变为交流电供给交流用户，DC-DC电力变换装置将蓄电池组中储存的直流电转变为可供直流用户使用的电能。

可再生能源的综合利用对我国社会经济的可持续发展和环境保护起着重要的作用。为了保证供电质量，在风光互补发电系统中都必须具有与系统功率相匹配的储能装置。与单独的可再生能源发电系统相比，风光互补系统只是在单位时间内获得的能量有所增加，如何高效地综合使用可再生能源，仍然是一个需要迫切解决的问题。

对于专利申请号为CN201910597668.1，名称为“一种新型风力发电机”，需要使用变速箱，运行可靠性差，需经常维护。对于专利申请号为CN201521012710.2，名称为“一种风光互补供电系统”，在电能输出端需使用储能装置，控制策略也比较复杂。对于专利申请号为CN201721801339.7，名称为“一种基于风光互补系统的太阳能光伏发电装置”,该风光互补系统需要经储能装置给用户供电，储能装置需要频繁的充放电，不能高效的利用能量。对于专利申请号为CN205160230U，名称为“一种风力发电机”等众多相关风力发电机，该类发电机不能综合利用风能和太阳能发电。对于专利申请号为CN200510009774.1,名称为“内馈式感应发电机”,该电机是一种可以同时使用太阳能和风能的发电机，该发电机的结构复杂，有两个转子，在通入电枢电流后需经过两次电磁感应才能在电枢绕组中产生电动势，能量损耗大，效率低；另外，在没有电枢电流流过时，该发电机不能产生感应电动势。对于专利申请号CN201210016011.X、名称为“二维电机-发电机转子和电枢调整气隙的配合方法”该专利中提到了一种二维电机-发电机，该发电机结构复杂，制造工艺难度大，在这种复杂结构的基础上给出了调整气隙的配合方法，很难实现产品化。

发明内容

针对上述现有技术，本发明要解决的技术问题是提供一种采用混合励磁结构发电机的综合利用太阳能和风能的发电装置，实现调压范围大、变速恒压运行、输出端电力变换装置简单、控制策略简单、输出电压稳定。

为解决上述技术问题，本发明一种同时使用太阳能和风能的发电装置，包括太阳能电池、混合励磁发电机、蓄电池、实时直流电流分流器模块；所述实时直流电流分流器模块包括控制器、传感器和两条并联的电阻支路；太阳能电池吸收太阳能转化为直流电，直流电输至实时直流分流器模块，实时直流分流器模块通过传感器检测混合励磁发电机转速，并通过传感器检测太阳能电池输出的直流电流，实时直流分流器模块经过两条并联的电阻支路将电流分别输至混合励磁发电机直流励磁绕组和蓄电池；蓄电池与发电机直流绕组相连；

实时直流分流器根据混合励磁发电机实时的转速对应的励磁电流调节两条并联支路的电阻，完成对电流的实时分流，混合励磁发电机实时的转速对应的励磁电流满足令发电机输出电压恒压，具体为：控制器根据混合励磁发电机实时转速计算得到所需励磁电流，当太阳能电池输出电流大于发电机所需的励磁电流时，实时直流分流器通过调节两条并联支路的电阻，将超过发电机所需的电流输入至蓄电池中；

当太阳能电池输出的直流电流小于混合励磁发电机所需的励磁电流时，实时直流分流器通过调节两条并联支路的电阻，使直流励磁绕组端的支路电阻为零，并使蓄电池端的支路断开，同时蓄电池实时向直流励磁绕组输入电流。

本发明还包括：

1.输出侧加入电力变换装置，当混合励磁发电机直流励磁绕组没有电流输入时，通过电力变换装置维持恒压输出。

2.混合励磁发电机采用切向磁化的永磁发电机，在相邻的两个定子槽之间开有绕组槽放置直流励磁绕组。

3.混合励磁发电机采用径向磁化的永磁发电机，永磁体采用径向充磁的瓦片型永磁体，瓦片型永磁体贴在电机转子表面，相邻瓦片型永磁体之间有转子齿，转子齿中开有绕组槽放置直流励磁绕组，相邻直流励磁绕组的电流方向相反。

4.混合励磁发电机采用径向磁化的永磁发电机，永磁体采用径向充磁的瓦片型永磁体，瓦片型永磁体贴在电机转子表面，相邻的永磁体间的转子部分有凸出的铁心，在铁心上缠绕有励磁绕组形成磁极。

本发明的有益效果：

本专利所设计的发电机为混合励磁发电机结构，将风能转化为机械能带动转子转动，将太阳能转化为直流电，给发电机励磁。将永磁体和励磁绕组进行合理的设计，可有多种混合励磁结构。采用混合励磁结构设计，可以调节气隙磁场，可获得较宽的调压范围，同时还可以继承永磁发电机高效率的优点。在风速变化时可以通过调节励磁电流来影响主磁路磁通以保持输出电压的稳定。

采用混合励磁结构设计的发电机可以同时使用风光两种可再生能源进行发电，有效提高可再生能源的利用效果。对于直流电励磁发电机结构，可以通过调节太阳能电池产生励磁电流的大小和方向去调节输出电压稳定性，调压范围大，可实现变速恒压运行，在输出端大大减化了电力变换装置使用，相关控制策略也变的简单了。

本发明可以综合利用风能和太阳能进行发电；外界风速变化时，可通过调节由太阳能电池所提供的励磁电流使发电机输出的电压维持稳定；气隙磁场可以调节，电机功率密度大。提出了三种混合励磁的发电机结构，这三种结构的混合励磁发电机是实现上述特征的三种实现方式。

附图说明

图1为风机典型特性曲线。

图2为第一种实现的混合励磁发电机结构。

图3为第二种实现的混合励磁发电机结构。

图4为第三种实现的混合励磁发电机结构。

图5为发电装置工作原理示意图。

图6为发电装置结构框图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步说明。

此发明设计了采用新型结构的混合励磁发电机实现综合利用风和光两种混合能源发电的发电装置。由风能给发电机提供机械能带动发电机转子转动，太阳能电池发出的直流电实时给发电机提供励磁电流。当发电机通入直流电时，可通过调节励磁电流的大小和方向维持发电机输出电压稳定。根据太阳能的强弱，可以通过实时直流分流器来实时满足发电机不同转速下对应的励磁电流。

本发明给出了发电装置中风力发电机的多种混合励磁结构的实现方式及其控制策略，旨在通过一种能量转换装置-发电机同时使用风能和太阳能，提高了综合利用可再生能源的效果。发电机采用混合励磁结构，可以综合使用太阳能和风能。当风和光同时存在时，太阳能光伏电池板吸收太阳能转化为直流电，当发电机通入由太阳能电池转化的直流电进行励磁时，可以调节气隙磁场，有较宽的调压范围，当风速变化时，可根据风力机转速的大小调节励磁电流来维持发电机输出电压稳定。风力机典型特性曲线如图1所示，从图1可以得知，对于任何一固定节距角β都对应一个最佳叶尖速比λ_max，使得此时的风能利用系数C_p达到最大值。由叶尖速比公式λ＝ωR/υ，可知当风速变化时，只要调节风力机转速就可使叶尖速比λ保持最大值λ_max不变，从而获得最大的风能利用系数，即在不同的风速下，可得到最大的输出功率。另一方面太阳能电池板输出的直流电是不稳定，当某一时刻输出的直流电多于为保持输出电压稳定时这一时刻发电机转速所对应的励磁电流的值，则将剩余的电流通过实时直流分流器分配到蓄电池中储存起来；当某一时刻太阳能输出的直流电不能提供足够的励磁电流，则通过蓄电池实时补充所欠缺的励磁电流。实时直流电流分流器由控制器、相应的传感器和两条并联电阻的支路构成，实时直流电流分流器主要是通过相应的传感器检测发电机转速和太阳能电池输出的电流，然后控制芯片根据发电机实时的转速所需的励磁电流去调节两条并联支路的电阻完成实时分流电流的功能。

结合图5和图6，针对电机的运行状况,发电装置的控制策略具体为：当系统检测到外界风速发生变化时，风轮机会根据外界的风速变化改变自己的转速ω。由叶尖速比公式λ＝ωR/υ可知：当风速变化时，只要调节风力机转速就可使叶尖速比λ保持最大值λ_max不变，从而获得最大的利用系数，即在不同的风速下，可得到最大的输出功率。因为风轮机的转速会导致发电机转子转速改变，从而使发电机的输出电压不稳定。这时可以根据发电机转速的变化调节励磁电流，由E₀＝4.44fNk_w1Φ₀可知，当转速过高时可通过减小励磁电流的大小来减少其主磁路的磁通；当转速过低时可通过增大励磁电流来增大主磁路的磁通，以维持输出电压恒定。当没有太阳能时即电机励磁绕组没有电流流过，此时风速变化造成发电机输出不稳定，在发电机输出端使用电力变换装置使输出电压稳定，其实现过程图如图5所示。实时直流电流分流器由控制器、相应的传感器和两条并联电阻的支路构成，实时直流电流分流器主要是通过相应的传感器检测发电机转速和太阳能电池输出的电流，然后控制芯片根据发电机实时的转速所需的励磁电流去调节两条并联支路的电阻完成实时分流电流的功能。当在太阳光充足时，此时太阳能电池输出的电流大于电机所需的励磁电流，实时直流分流器实时检测此时的发电机转速，控制器根据转速计算出此时所需要的励磁电流大小，然后调节两条并联支路的电阻，将此时多余的直流电流实时储存到蓄电池中；当太阳光较弱时，太阳能电池输出的直流电流小于发电机所需的励磁电流，控制器根据发电机此时转速实时计算出所需的励磁电流，调节两条并联支路的电阻，使电机励磁绕组端的支路电阻为零，并使蓄电池端的支路断开同时蓄电池实时向励磁绕组输入电流；当夜晚或阴雨天无太阳能时，实时直流分流器检测到太阳能电池没有输出直流电流，控制器调节两条支路的电阻使其断开，并且使蓄电池实时输出不同转速下所需的励磁电流，发电装置的结构框图如图6所示。

将光伏电池发出的电给发电机励磁，将风能转化为机械能带动发电机转子转动。根据公式E₀＝4.44fNk_w1Φ₀可知，当风速变化时发电机转子的转速也会发生改变，当转子转速发生改变时，只需要调节电流就可保持发电机恒压输出，其实现过程如图5所示。图2至图4所示的发电机可以实现上述过程。具体实施方式1：

第一种混合励磁的实现结构的发电机如图2所示，该电机的的结构是切向磁化的永磁发电机，同时在两定子槽2之间开有绕组槽放置励磁绕组4。当励磁绕组4通入直流电时将在周围产生磁场影响主磁通，起到调节磁通的作用，从而影响定子铁心1上的电枢绕组3的感应电动势，7为转轴。因为励磁绕组4放置在定子上，该结构的混合励磁电机不需要电刷与滑环，结构简单稳定性高。电机运行时，转速随着风速的变化而变化，此时通过控制策略可使风力机输出最大功率，同时调节发电机的励磁电流使发电机的电压维持稳定。根据同步电机的的激磁电势E₀＝4.44fNk_w1Φ₀可知，当转速过高时可通过减小励磁电流的大小来减少其主磁路的磁通；当转速过低时可通过增大励磁电流来增大主磁路的磁通，用以维持输出电压恒定。当发电机没有电流流入时，则电机内部只有永磁体6产生的磁场，此时主磁路磁通不发生改变，转子转速变化不能维持发电机恒压输出，所以需在输出侧加入电力变换装置维持恒压恒频输出。具体实现过程如图5所示。

当发电机没有直流电流过，发电机运行时，发电机转子5转动，永磁体6也会随之转动，在发电机内部形成旋转的磁场，磁通路径依次为永磁体6的N极、转子5轭部、主气隙、定子1齿部及轭部、主气隙、转子5轭部、永磁体6的S极，此时发电机内部的磁场只由永磁体6产生，定子1上的电枢绕组3产生感应电动势，因为风速是不稳定的所以感应电动势不稳定，需在输出端使用电力变换装置保持电压恒定。当发电机内部有正向直流电(假设电流垂直平面向里为正)励磁时，在励磁绕组周围会形成环形的磁场，其磁通的方向为定子1齿部及轭部、主气隙、转子5轭部、主气隙、定子1齿部及轭部，为一环形逆时针方向磁场。该磁场可以增强原来的磁场，并可以通过调节励磁电流的大小来调节磁通，进而可以调节输出电压的大小。当发电机内部有反向直流电励磁时，在励磁绕组周围会形成环形的磁场，其磁通的方向为定子1齿部及轭部、主气隙、转子5轭部、主气隙、定子1齿部及轭部，为一环形顺时针方向磁场，该磁场可以削弱原来的磁场，并可以通过调节励磁电流的大小来调节磁通，也可以调节输出电压的大小。通过上述过程可知为了维持发电机输出电压的恒定，可以通入直流电，通过改变励磁电流的大小和方向，调节主磁路的磁通从而保持输出电压的恒定。

第二种实现结构如图3所示，该结构与第一种结构类似，将永磁体的形状位置和励磁绕组的位置做了一些相应的改动。该结构的永磁体采用的是径向充磁的瓦片型永磁体6，将瓦片型永磁体6贴在电机转子5表面。相邻永磁体6之间的磁性相反。相邻瓦片型永磁体6之间有转子齿9，在转子齿9中开有绕组槽8用来嵌放励磁绕组4，根据绕组缠绕方式和励磁绕组4内的电流方向可知，相邻励磁绕组4的电流方向相反。当励磁绕组4通入直流电时，在励磁绕组4周围，会产生磁场，通过改变励磁电流的大小和方向可以调节主磁路的磁通，进而调节定子1电枢绕组3的感应电动势。因为励磁绕组4放置在转子5上，所以该结构需要使用电刷与滑环。其控制策略和第一种实现结构相同，其实现过程如图5所示。

当发电机没有直流电流过，发电机运行时，发电机转子5转动，永磁体6也会随之转动，在发电机内部形成旋转的磁场，磁通路径依次为永磁体6的N极、主气隙、定子1齿部及轭部、主气隙、永磁体6的S极、转子5轭部、永磁体6的N极，此时发电机内部的磁场只由永磁体6产生，定子1上的电枢绕组3产生感应电动势，因为风速是不稳定的所以感应电动势不稳定，需在输出端使用电力变换装置保持电压恒定。当发电机通入直流电时，为了增强原来主磁路的磁通时，励磁电流的方向如图3所示，励磁电流产生的磁通路径方向与永磁体6的磁通路径方向一致，调节励磁电流大小时，可以调节主磁路的磁通，从而可以调节电枢感应电动势。当发电机通入的直流电与图3所示的方向相反时，则励磁电流产生的磁通路径方向与永磁体6的磁通路径方向相反，可以削弱主磁通。综上所述通过改变励磁电流的大小和方向可以调节感应电动势，从而使输出电压维持稳定。

第三种实现结构如图4所示，永磁体仍使用的是径向冲磁的瓦片型永磁体6，但是瓦片型永磁体6的弧长要小一些，以便放置由励磁绕组形成的磁极。该发电机结构仍然将四块瓦片型的永磁体6贴在转子5表面。在发电机内部，部分相邻的永磁体6间的转子部分有凸出的矩形铁心10，在矩形铁心10上缠绕有励磁绕组4形成磁极，对相邻永磁体磁路起到增磁或去磁效果即可。发电机励磁绕组4没有励磁电流流过时，发电机内部主磁路的磁通由永磁体6提供。为了调节发电机内部的气隙磁场和主磁路的磁通的大小，应当给励磁绕组4通入直流电，使其产生磁场。当要增大发电机内部主磁路的磁通时，应当使铁心10的极性与相邻的永磁体6的磁性相同，这样永磁体6产生的磁场方向与励磁绕组铁心10产生的磁场方向相同。当要削弱发电机内部的磁场时，只要将励磁电流的方向反向，则永磁体6产生的磁场方向与励磁绕组铁心8产生的磁场方向相反。通过改变电流大小和方向就可以调节定子1电枢绕组3的感应电动势。因为励磁绕组4在转子5上，所以该发电机需要使用电刷与滑环。其控制策略和第一种实现结构相同，其实现过程如图5所示。

当发电机没有直流电励磁时，发电机内部的磁场只由永磁体6提供，其磁通路径与结构二相同，磁通路径为永磁体6的N极、主气隙、定子1齿部及轭部、主气隙、永磁体6的S极、永磁体6的N极，因为风速是不稳定的所以感应电动势不稳定，需在输出端使用电力变换装置保持电压恒定。当发电机通入直流电时，为了增强原来主磁路的磁通，励磁电流的方向如图3所示，励磁绕组通入电流后，此时每个铁心的极性与相邻的永磁体6的极性相同，所以产生的磁通路径为铁心10的N极、气隙、定子1齿部及轭部、气隙、铁心10的S极、转子5轭部、铁心10的N极，调节励磁电流大小时，可以调节主磁路的磁通，从而可以调节电枢感应电动势。当发电机通入的直流电与图4所示的方向相反时，则励磁电流产生的磁通路径方向与永磁体6的磁通路径方向相反，可以削弱主磁通。综上所述通过改变励磁电流的大小和方向可以调节感应电动势，从而使输出电压维持稳定。

Claims (5)

1.一种同时使用太阳能和风能的发电装置，其特征在于：包括太阳能电池、混合励磁发电机、蓄电池、实时直流电流分流器模块；所述实时直流电流分流器模块包括控制器、传感器和两条并联的电阻支路；太阳能电池吸收太阳能转化为直流电，直流电输至实时直流分流器模块，实时直流分流器模块通过传感器检测混合励磁发电机转速，并通过传感器检测太阳能电池输出的直流电流，实时直流分流器模块经过两条并联的电阻支路将电流分别输至混合励磁发电机直流励磁绕组和蓄电池；蓄电池与发电机直流绕组相连；

实时直流分流器根据混合励磁发电机实时的转速对应的励磁电流调节两条并联支路的电阻，完成对电流的实时分流，混合励磁发电机实时的转速对应的励磁电流满足令发电机输出电压恒压，具体为：控制器根据混合励磁发电机实时转速计算得到所需励磁电流，当太阳能电池输出电流大于发电机所需的励磁电流时，实时直流分流器通过调节两条并联支路的电阻，将超过发电机所需的电流输入至蓄电池中；

当太阳能电池输出的直流电流小于混合励磁发电机所需的励磁电流时，实时直流分流器通过调节两条并联支路的电阻，使直流励磁绕组端的支路电阻为零，并使蓄电池端的支路断开，同时蓄电池实时向直流励磁绕组输入电流。

2.根据权利要求1所述的一种同时使用太阳能和风能的发电装置，其特征在于：输出侧加入电力变换装置，当混合励磁发电机直流励磁绕组没有电流输入时，通过电力变换装置维持恒压输出。

3.根据权利要求1或2所述的一种同时使用太阳能和风能的发电装置，其特征在于：所述混合励磁发电机采用切向磁化的永磁发电机，在相邻的两个定子槽之间开有绕组槽放置直流励磁绕组。

4.根据权利要求1或2所述的一种同时使用太阳能和风能的发电装置，其特征在于：所述混合励磁发电机采用径向磁化的永磁发电机，永磁体采用径向充磁的瓦片型永磁体，瓦片型永磁体贴在电机转子表面，相邻瓦片型永磁体之间有转子齿，转子齿中开有绕组槽放置直流励磁绕组，相邻直流励磁绕组的电流方向相反。

5.根据权利要求1或2所述的一种同时使用太阳能和风能的发电装置，其特征在于：所述混合励磁发电机采用径向磁化的永磁发电机，永磁体采用径向充磁的瓦片型永磁体，瓦片型永磁体贴在电机转子表面，相邻的永磁体间的转子部分有凸出的铁心，在铁心上缠绕有励磁绕组形成磁极。

Images