CN110868136A - 一种综合利用太阳能和风能的发电装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种综合利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、逆变器模块、控制器模块、DC/DC变换模块、变流器模块；太阳能电池与蓄电池相连，蓄电池通过逆变器模块与发电机相连，同时蓄电池通过DC/DC变换模块与发电机相连，控制器模块与逆变器模块相连，控制器检测发电机转子转速，发电机转子三相交流励磁绕组通过变流器模块输出电能。发电装置中采用的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。励磁电流由太阳能转化，不需要用电网的能量，同时采用混合励磁结构提高了发电机的效率，具有双馈发电机和永磁同步发电机的特点；具有混合励磁的结构。
Description
技术领域
本发明涉及同时利用两种可再生能源的发电机，特别是一种综合利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，只是互补系统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。
综上所述，现有的风力发电机、风光互补系统等相关专利技术综合利用风能和太阳能的效果不高。
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同时使用风能和太阳能、提高综合使用利用效果的发电装置。
为解决上述技术问题，本发明的一种综合利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、逆变器模块、控制器模块、DC/DC变换模块、变流器模块；太阳能电池与蓄电池相连，蓄电池通过逆变器模块与发电机相连，同时蓄电池通过DC/DC变换模块与发电机相连，控制器模块与逆变器模块相连，控制器检测发电机转子转速，发电机转子三相交流励磁绕组通过变流器模块输出电能；
太阳能电池输出电能至蓄电池，当控制器检测发电机处于超同步状态时，蓄电池输出直流电至逆变器模块，逆变器将直流电逆变成三相交流电，控制器根据检测到的发电机的转速控制逆变器输出三相交流电的的频率、相位、幅值，使发电机发出恒频恒压的电流，同时控制器控制转子三相交流励磁绕组与变流器导通输出电能，同时定子绕组输出电能；
当控制器检测发电机处于同步状态时，由蓄电池经过DC/DC电路给发电机提供直流励磁电流，发电机定子电枢绕组输出电能；
当控制器检测发电机处于欠同步状态时，蓄电池输出直流电至逆变器模块，逆变器将直流电逆变成三相交流电，控制器根据检测到的发电机的转速控制逆变器输出电流的的频率、相位、幅值，使发电机发出恒频恒压的电流，转子三相交流励磁绕组经变流器端与电网断开，只有定子电枢输出电能。
本发明还包括：
1.发电机由定子部分和转子部分构成，定子开有绕组槽，在绕组槽内放置定子绕组；永磁体是径向充磁的瓦片型永磁体，瓦片型永磁体贴在发电机转子表面上，相邻的永磁体的极性相反，在相邻永磁体之间有转子齿，在转子齿上有绕组槽用来放置三相交流励磁绕组，使三相交流励磁绕组在空间上位置保持对称。
2.发电机由定子部分和转子部分构成，定子开有绕组槽，在绕组槽内放置定子绕组；永磁体是径向充磁的瓦片型永磁体，瓦片型永磁体贴在发电机转子表面上，相邻的永磁体的极性相反，在发电机转子轭部开槽放置三相交流励磁绕组。
本发明有益效果：
本发明提出了一种可综合利用风能和太阳能的混合励磁发电机结构，将风能转化为机械能带动转子转动，将太阳能转化为电能，给发电机励磁，不需要消耗电网的电能。使发电机既具有双馈电机的特性，又具有永磁同步发电机的特点，电机会根据运行状况调整自己的工作状态。
发电装置中采用的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。励磁电流由太阳能转化，不需要用电网的能量，同时采用混合励磁结构提高了发电机的效率，具有双馈发电机和永磁同步发电机的特点；具有混合励磁的结构。
附图说明
图1为第一种混合励磁发电机结构。
图2为第二种混合励磁发电机结构。
图3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。
本发明的综合利用太阳能和风能的发电装置采用了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。由风能给发电机提供机械能带动发电机转子转动，将太阳能转化为电能，给发电机励磁，不需要消耗电网的电能，有双馈电机的特性，又具有永磁同步发电机的特点，电机会根据运行状况调整自己的工作状态。
结合图3，当发电机没有电流流过时，发电机内部的磁场由永磁体产生，转子转动时可以使定子电枢绕组感应出电动势。当发电机有励磁电流流过时，该励磁电流是由太阳能电池产生的直流电经过逆变器逆变的三相交流电，控制器通过检测发电机的转速来控制逆变器输出三相交流电的频率、相位、幅值。当转速超过同步转速时，由控制器检测到发电机处于超同步状态，控制器根据转速的变化调节逆变器输出电流的的频率、相位、幅值，使发电机发出恒频恒压的电流，此时控制器控制转子三相交流绕组经变流器端与电网导通，转子绕组和定子绕组都向电网馈电，该混合励磁的电机则具有了双馈电机的特性。当发电机处于同步状态时，励磁电流是直流电，由蓄电池经过DC/DC电路给发电机提供直流励磁电流，发电机定子电枢绕组向电网供电。当发电机处于欠同步状态时，由控制器检测到发电机处于欠同步状态，控制器根据转速的变化调节逆变器输出电流的的频率、相位、幅值，使发电机发出恒频恒压的电流，转子三相绕组经变流器端与电网断开，只有定子电枢向电网供电。既具有永磁同发电机的优点，又兼顾具有双馈感应电机的特性。
针对发电装置中的发电机，本发明提出了两种混合励磁的发电机结构，其结构图分别为图1至图2所示。
第一种实现结构如图1所示，发电机由定子1部分和转子5部分构成，定子1开有绕组槽2，在绕组槽2内放置定子绕组3。永磁体使用的是径向充磁的瓦片型永磁体6，该发电机的瓦片型永磁体6贴在发电机转子5表面上，例如图1中有六块永磁体6。相邻的永磁体的极性相反，在两个相邻永磁体6之间有转子齿8，在转子齿8上有多个绕组槽用来放置三相交流绕组4，使三相交流绕组4在空间上位置保持对称。当发电机没有电流流过时，发电机内部的磁场由永磁体6产生，转子5转动时可以使定子电枢绕组感应出电动势,7为转轴。当发电机有励磁电流流过时，该励磁电流是由太阳能电池产生的直流电经过逆变器逆变的三相交流电，控制器通过检测发电机的转速来控制逆变器输出三相交流电的频率、相位、幅值。当转速超过同步转速时，由控制器检测到发电机处于超同步状态，控制器根据转速的变化调节逆变器输出电流的的频率、相位、幅值，使发电机发出恒频恒压的电流，此时控制器控制转子三相交流绕组4经变流器端与电网导通，转子绕组4和定子绕组3都向电网馈电，该混合励磁的电机则具有了双馈电机的特性。当发电机处于同步状态时，励磁电流是直流电，由蓄电池经过DC/DC电路给发电机提供直流励磁电流，发电机定子电枢绕组向电网供电。当发电机处于欠同步状态时，由控制器检测到发电机处于欠同步状态，控制器根据转速的变化调节逆变器输出电流的的频率、相位、幅值，使发电机发出恒频恒压的电流，转子三相绕组4经变流器端与电网断开，只有定子电枢向电网供电。既具有永磁同发电机的优点，又兼顾具有双馈感应电机的特性，实现过程如图3所示。
在电机的励磁绕组4没有通电的情况下，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，需要电力变换装置使电压幅值、频率、相位达到要求后再并入电网。当发电机有励磁电流流过时，该励磁电流是由太阳能电池产生的直流电经过逆变器逆变的三相交流电，控制器通过检测发电机的转速来控制逆变器输出三相交流电的频率、相位、幅值。当转速超过同步转速时，由控制器检测到发电机处于超同步状态，控制器根据转速的变化调节逆变器输出电流的的频率、相位、幅值，使发电机发出恒频恒压的电流，此时控制器控制转子三相交流绕组4经变流器端与电网导通，转子绕组4和定子绕组3都向电网馈电，该混合励磁的电机则具有了双馈电机的特性。当发电机处于同步状态时，励磁电流是直流电，由蓄电池经过DC/DC电路给发电机提供直流励磁电流，发电机定子电枢绕组向电网供电。当发电机处于欠同步状态时，由控制器检测到发电机处于欠同步状态，控制器根据转速的变化调节逆变器输出电流的的频率、相位、幅值，使发电机发出恒频恒压的电流，转子三相绕组4经变流器端与电网断开，只有定子电枢向电网供电。
第二种实现结构如图2所示，发电机由定子1部分和转子5部分构成，定子1开有绕组槽2，在绕组槽2内放置定子绕组3。永磁体使用的是径向充磁的瓦片型永磁体6，该发电机的瓦片型永磁体6贴在发电机转子5表面上，相邻的永磁体的极性相反，在发电机转子轭部开槽放置三相励磁绕组4。当发电机没有电流流过时，发电机内部的磁场由永磁体6产生，转子5转动时可以使定子电枢绕组感应出电动势。当发电机有励磁电流流过时，该励磁电流是由太阳能电池产生的直流电经过逆变器逆变的三相交流电，控制器通过检测发电机的转速来控制逆变器输出三相交流电的频率、相位、幅值。当转速超过同步转速时，由控制器检测到发电机处于超同步状态，控制器根据转速的变化调节逆变器输出电流的的频率、相位、幅值，使发电机发出恒频恒压的电流，此时控制器控制转子三相交流绕组4经变流器端与电网导通，转子绕组4和定子绕组3都向电网馈电，该混合励磁的电机则具有了双馈电机的特性。当发电机处于同步状态时，励磁电流是直流电，由蓄电池经过DC/DC电路给发电机提供直流励磁电流，发电机定子电枢绕组向电网供电。当发电机处于欠同步状态时，由控制器检测到发电机处于欠同步状态，控制器根据转速的变化调节逆变器输出电流的的频率、相位、幅值，使发电机发出恒频恒压的电流，转子三相绕组4经变流器端与电网断开，只有定子电枢向电网供电。既具有永磁同发电机的优点，又兼顾具有双馈感应电机的特性，实现过程如图3所示。其它部分和实施方式1相同。
Claims (3)
1.一种综合利用太阳能和风能的发电装置，其特征在于：包括太阳能电池、发电机、蓄电池、逆变器模块、控制器模块、DC/DC变换模块、变流器模块；太阳能电池与蓄电池相连，蓄电池通过逆变器模块与发电机相连，同时蓄电池通过DC/DC变换模块与发电机相连，控制器模块与逆变器模块相连，控制器检测发电机转子转速，发电机转子三相交流励磁绕组通过变流器模块输出电能；
太阳能电池输出电能至蓄电池，当控制器检测发电机处于超同步状态时，蓄电池输出直流电至逆变器模块，逆变器将直流电逆变成三相交流电，控制器根据检测到的发电机的转速控制逆变器输出三相交流电的的频率、相位、幅值，使发电机发出恒频恒压的电流，同时控制器控制转子三相交流励磁绕组与变流器导通输出电能，同时定子绕组输出电能；
当控制器检测发电机处于同步状态时，由蓄电池经过DC/DC电路给发电机提供直流励磁电流，发电机定子电枢绕组输出电能；
当控制器检测发电机处于欠同步状态时，蓄电池输出直流电至逆变器模块，逆变器将直流电逆变成三相交流电，控制器根据检测到的发电机的转速控制逆变器输出电流的的频率、相位、幅值，使发电机发出恒频恒压的电流，转子三相交流励磁绕组经变流器端与电网断开，只有定子电枢输出电能。
2.根据权利要求1所述的一种综合利用太阳能和风能的发电装置，其特征在于：所述发电机由定子部分和转子部分构成，定子开有绕组槽，在绕组槽内放置定子绕组；永磁体是径向充磁的瓦片型永磁体，瓦片型永磁体贴在发电机转子表面上，相邻的永磁体的极性相反，在相邻永磁体之间有转子齿，在转子齿上有绕组槽用来放置三相交流励磁绕组，使三相交流励磁绕组在空间上位置保持对称。
3.根据权利要求1所述的一种综合利用太阳能和风能的发电装置，其特征在于：所述发电机由定子部分和转子部分构成，定子开有绕组槽，在绕组槽内放置定子绕组；永磁体是径向充磁的瓦片型永磁体，瓦片型永磁体贴在发电机转子表面上，相邻的永磁体的极性相反，在发电机转子轭部开槽放置三相交流励磁绕组。
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Non-Patent Citations (1)
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