CN114156942A - 一种应用于野外气象监测站的多能互补发电系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种应用于野外气象监测站的多能互补发电系统，包括氢能燃料电池发电模块、风力发电模块、光伏发电模块、风光互补控制器、储能蓄电模块、供热模块模块、变流器、能源管理模块和逆变模块；所述储能蓄电模块用于对氢能燃料电池发电模块、风力发电模块和光伏发电模块输出的电能进行存储或用于输出电能；所述能源管理模块用于监测氢能燃料电池发电模块的发电功率、风力发电模块的发电功率、光伏发电模块的发电功率、由所述发电系统供电的负载的功率以及储能蓄电模块的剩余电量，并控制氢能燃料电池发电模块、风力发电模块、以及储能蓄电模块的工作方式。

Description

一种应用于野外气象监测站的多能互补发电系统

技术领域

本发明涉及偏远地区供电技术领域，特别涉及一种应用于野外气象监测站的多能互补发电系统。

背景技术

随着对气象数据的要求越来越高，常常在偏远地区或者人迹罕至地区，如山顶、河间岛屿、林间等地设立气象监测站，在一些难以架设供电线路的地方，气象监测站需要自己发电以供设备以及运维人员使用，若使用燃料电池或热机发电，需要耗费大量燃料，成本较高且续航性较差，需定期补充燃料；若使用风能或太阳能发电，发电功率不稳定，常发生停电情况，影响监测站的运行以及运维人员的生活和作业。

发明内容

本发明提供了一种应用于野外气象监测站的多能互补发电系统，其优点是为野外气象监测站提供电能，通过多种能量来源的互补，实现长时稳定的电能供应。

本发明的上述目的是通过以下技术方案实现的，一种应用于野外气象监测站的多能互补发电系统，包括氢能燃料电池发电模块、风力发电模块、光伏发电模块、风光互补控制器、储能蓄电模块、供热模块模块、变流器、能源管理模块和逆变模块；

所述氢能燃料电池发电模块用于将氢能转化为电能并输出；

所述风力发电模块用于通过风力发电的方式产生电能并输出；

所述光伏发电模块用于通过太阳能发电的方式产生电能并输出；

所述风光互补控制器与风力发电模块和光伏发电模块连接，用于监控风力发电模块和光伏发电模块的电能输出数据并融合风力发电模块和光伏发电模块输出的电能；

所述逆变模块设置在风光互补控制器的输出端，用于对风光互补控制器输出的电能逆变处理；

所述储能蓄电模块用于对氢能燃料电池发电模块、风力发电模块和光伏发电模块输出的电能进行存储或用于输出电能；

所述能源管理模块用于监测氢能燃料电池发电模块的发电功率、风力发电模块的发电功率、光伏发电模块的发电功率、由所述发电系统供电的负载的功率以及储能蓄电模块的剩余电量，并控制氢能燃料电池发电模块、风力发电模块、以及储能蓄电模块的工作方式。

本发明进一步设置为，所述储能蓄电模块包括储能蓄电池单元和与储能蓄电池单元连接的变流器，能源管理模块连接变流器用于控制变流器的工作方式。

本发明进一步设置为，其特征在于，所述风力发电模块包括风力发电机、叶片组和电磁制动器，叶片组与风力发电机主轴传动连接，电磁制动器用于制动风力发电机主轴，电磁制动器受能源管理模块控制，能源管理模块通过电磁制动器控制风力发电机减速或停机来减少风力发电模块的输出电能。

本发明进一步设置为，所述风力发电模块还包括风速测量装置，风速测量装置用于测量环境的风速并传输至能源管理模块，当环境风速大于预设的安全风速值时，通过电磁制动器控制风力发电机减速或停机。

本发明进一步设置为，其特征在于，还包括热能供热系统，热能供热系统用于吸收氢能燃料电池发电模块产生的水。

本发明进一步设置为，所述热能供热系统包括热水水箱，氢能燃料电池发电模块产生的水存储在热水水箱中。

本发明进一步设置为，所述能源管理模块对氢能燃料电池发电模块工作方式的控制包括：

当风力发电模块、光伏发电模块与储能蓄电模块的输出功率之和小于负载功率时，控制氢能燃料电池发电模块开始发电。

本发明进一步设置为，所述能源管理模块对储能蓄电模块工作方式的控制包括：

当风力发电模块与光伏发电模块输出功率之和低于负载功率时，控制储能蓄电模块对负载输出电能；

当储能蓄电模块的剩余电量低于预设的最低值时，控制储能蓄电模块转换为充电模式，由风力发电模块与光伏发电模块的输出电能为储能蓄电模块充电。

综上所述，本发明的有益效果有：

1．本发明中，通过氢能燃料电池发电模块、风力发电模块和光伏发电模块三个模块进行多能互补发电，在风力发电模块和光伏发电模块因环境因素不能产生足够电能时，通过氢能燃料电池发电模块来发电提供电能，提高了发电系统发电的稳定性，有利于实现长时稳定的电能供应；

2．氢能燃料电池发电模块将氢能转化为电能，发电效率高，对环境友好，不产生污染物，在优选方案中，设置热能供热系统收集氢能燃料电池发电模块在发电过程中产生热水，用于供热或供热水，供运维人员生活使用，可以减少野外气象监测站的能源消耗；

3．本发明中通过能源管理模块控制氢能燃料电池发电模块、风力发电模块、以及储能蓄电模块的工作方式，在风力发电模块和光伏发电模块的输出功率足够时，优先使用风力发电模块和光伏发电模块的输出电能为负载供电或为储能蓄电模块充电，在储能蓄电模块电量过低时自动充电，保证发电系统的稳定运行。

附图说明

图1是本发明实施例的整体结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图详细说明本发明的具体实施方式。

实施例：参考图1，一种应用于野外气象监测站的多能互补发电系统，包括氢能燃料电池发电模块、风力发电模块、光伏发电模块、风光互补控制器、储能蓄电模块、供热模块模块、变流器、能源管理模块和逆变模块。

所述氢能燃料电池发电模块用于将氢能转化为电能并输出；氢是二次能源，能通过多种方式制取，资源制约小，利用燃料电池，氢能通过电化学反应直接转化成电能和水，不排放污染物，相比汽柴油、天然气等化石燃料，其转化效率不受卡诺循环限制，发电效率超过50%,是零污染的高效能源。氢能燃料电池发电模块为固体燃料电池，不存在泄露问题，安全性高。

所述风力发电模块用于通过风力发电的方式产生电能并输出；所述风力发电模块包括风力发电机、叶片组和电磁制动器，叶片组与风力发电机主轴传动连接，电磁制动器用于制动风力发电机主轴，电磁制动器受能源管理模块控制，能源管理模块通过电磁制动器控制风力发电机减速或停机来减少风力发电模块的输出电能。所述风力发电模块还包括风速测量装置，风速测量装置用于测量环境的风速并传输至能源管理模块，当环境风速大于预设的安全风速值时，通过电磁制动器控制风力发电机减速或停机。

所述光伏发电模块用于通过太阳能发电的方式产生电能并输出；其主要部分为光伏板。

所述风光互补控制器与风力发电模块和光伏发电模块连接，用于监控风力发电模块和光伏发电模块的电能输出数据并融合风力发电模块和光伏发电模块输出的电能。

所述逆变模块设置在风光互补控制器的输出端，用于对风光互补控制器输出的电能逆变处理。

所述储能蓄电模块用于对氢能燃料电池发电模块、风力发电模块和光伏发电模块输出的电能进行存储或用于输出电能；所述储能蓄电模块包括储能蓄电池单元和与储能蓄电池单元连接的变流器，能源管理模块连接变流器用于控制变流器的工作方式。

所述能源管理模块用于监测氢能燃料电池发电模块的发电功率、风力发电模块的发电功率、光伏发电模块的发电功率、由所述发电系统供电的负载的功率以及储能蓄电模块的剩余电量，并控制氢能燃料电池发电模块、风力发电模块、以及储能蓄电模块的工作方式。

还包括热能供热系统，热能供热系统用于吸收氢能燃料电池发电模块产生的水。所述热能供热系统包括热水水箱，氢能燃料电池发电模块产生的水存储在热水水箱中。

所述能源管理模块对氢能燃料电池发电模块工作方式的控制包括：

当风力发电模块、光伏发电模块与储能蓄电模块的输出功率之和小于负载功率时，控制氢能燃料电池发电模块开始发电。

所述能源管理模块对储能蓄电模块工作方式的控制包括：

当风力发电模块与光伏发电模块输出功率之和低于负载功率时，控制储能蓄电模块对负载输出电能；

当储能蓄电模块的剩余电量低于预设的最低值时，控制储能蓄电模块转换为充电模式，由风力发电模块与光伏发电模块的输出电能为储能蓄电模块充电。

本实施例中，以负载的额定功率为1KW为例，光伏发电模块配置2台300W的太阳能光伏组件，具体参数如下：

额定输出功率	300W
		功率差	±3%
电压	30V
		电流	10A
开路电压	36V
		短路电流	11A
重量	19kg
		尺寸	1640*992

风力发电模块配置500W垂直轴风力发电模块，风机参数如下：

额定功率	500W
		最大功率	530W
额定电压	48V
		启动风速	2m/s
额定风速	12m/s
		叶片数量	5片
发电机	永磁发电机
		制动方式	电磁制动
工作温度	-40℃～80℃

储能蓄电模块中的储能蓄电池单元为锂电池，储能蓄电模块的配置为：

储能蓄电池类型	锂电池
		电池容量	1kWh
变流器	1kW
		电池管理模块	1套

能源管理模块主要完成能源数据采集、存储、分析和能源使用调度等几大块功能，各模块的现场数据首先通过传感器、智能仪表接入采集终端，并存储进数据库中，同时模块对各种能源数据进行分析管理，协调各单元的功能输出。用户通过浏览器界面就可以实现对能源模块管理、分析和调度。

能源管理模块主要功能如下：

1）数据采集和处理；

2）供能输出调度；

3）历史数据的管理、存贮；

4）能源统计报表的生成和打印；

5）权限的确定；

6）用能信息的Web发布；

7）实现与其它能源管理模块、MIS或ERP模块连接和数据交换。

以上所述的仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明创造构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。

Claims (8)

1.一种应用于野外气象监测站的多能互补发电系统，其特征在于，包括氢能燃料电池发电模块、风力发电模块、光伏发电模块、风光互补控制器、储能蓄电模块、供热模块模块、变流器、能源管理模块和逆变模块；

所述氢能燃料电池发电模块用于将氢能转化为电能并输出；

所述风力发电模块用于通过风力发电的方式产生电能并输出；

所述光伏发电模块用于通过太阳能发电的方式产生电能并输出；

所述风光互补控制器与风力发电模块和光伏发电模块连接，用于监控风力发电模块和光伏发电模块的电能输出数据并融合风力发电模块和光伏发电模块输出的电能；

所述逆变模块设置在风光互补控制器的输出端，用于对风光互补控制器输出的电能逆变处理；

所述储能蓄电模块用于对氢能燃料电池发电模块、风力发电模块和光伏发电模块输出的电能进行存储或用于输出电能；

所述能源管理模块用于监测氢能燃料电池发电模块的发电功率、风力发电模块的发电功率、光伏发电模块的发电功率、由所述发电系统供电的负载的功率以及储能蓄电模块的剩余电量，并控制氢能燃料电池发电模块、风力发电模块、以及储能蓄电模块的工作方式。

2.根据权利要求1所述的应用于野外气象监测站的多能互补发电系统，其特征在于，所述储能蓄电模块包括储能蓄电池单元和与储能蓄电池单元连接的变流器，能源管理模块连接变流器用于控制变流器的工作方式。

3.根据权利要求2所述的应用于野外气象监测站的多能互补发电系统，其特征在于，所述风力发电模块包括风力发电机、叶片组和电磁制动器，叶片组与风力发电机主轴传动连接，电磁制动器用于制动风力发电机主轴，电磁制动器受能源管理模块控制，能源管理模块通过电磁制动器控制风力发电机减速或停机来减少风力发电模块的输出电能。

4.根据权利要求3所述的应用于野外气象监测站的多能互补发电系统，所述风力发电模块还包括风速测量装置，风速测量装置用于测量环境的风速并传输至能源管理模块，当环境风速大于预设的安全风速值时，通过电磁制动器控制风力发电机减速或停机。

5.根据权利要求4所述的应用于野外气象监测站的多能互补发电系统，其特征在于，还包括热能供热系统，热能供热系统用于吸收氢能燃料电池发电模块产生的水。

6.根据权利要求5所述的应用于野外气象监测站的多能互补发电系统，其特征在于，所述热能供热系统包括热水水箱，氢能燃料电池发电模块产生的水存储在热水水箱中。

7.根据权利要求6所述的应用于野外气象监测站的多能互补发电系统，其特征在于，所述能源管理模块对氢能燃料电池发电模块工作方式的控制包括：

当风力发电模块、光伏发电模块与储能蓄电模块的输出功率之和小于负载功率时，控制氢能燃料电池发电模块开始发电。

8.根据权利要求7所述的应用于野外气象监测站的多能互补发电系统，其特征在于，所述能源管理模块对储能蓄电模块工作方式的控制包括：

当风力发电模块与光伏发电模块输出功率之和低于负载功率时，控制储能蓄电模块对负载输出电能；

当储能蓄电模块的剩余电量低于预设的最低值时，控制储能蓄电模块转换为充电模式，由风力发电模块与光伏发电模块的输出电能为储能蓄电模块充电。

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