CN118088381A - 寒地风能综合利用系统及其控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及清洁能源利用技术领域，公开了寒地风能综合利用系统及其控制方法，包括风力发电机模块、热能回收装置模块、热能储存系统模块、热能利用设备模块、储能装置模块、电能利用设备模块、中央控制模块，所述风力发电机模块用于将风能转化为电能，所述热能回收装置模块与风力发电机模块相连用于将机械能转化为热能，所述热能储存系统模块用于储存回收的热能，所述热能利用设备模块与热能储存系统模块相连用于利用储存的热能供应供暖。通过算法处理单元根据热能需求量和电能需求量的优先级来确定风能的转换方式，从而灵活调控系统的运行，这样可以根据实际需求优先满足热能需求或电能需求，提高能源利用的灵活性和适应性。

Description

寒地风能综合利用系统及其控制方法

技术领域

本发明涉及清洁能源利用技术领域，具体为寒地风能综合利用系统及其控制方法。

背景技术

我国一直致力于乡村电网的建设，特别是乡村供电设施的改善和升级，但是偏远寒地乡村能源系统建设需要具备离网独立运行的能力，然而储能电池普遍受低温影响而导致容量衰减、寿命降低等问题，这进一步制约了乡村微网运行的稳定性，寒地乡村用电负荷较少，而冬季对供暖需求较高，特别是农业上温室大棚的建设和运行对热量的需求大，如何实现热能的稳定供给是寒地能源系统急需解决的问题。

因此本领域发明人员提出寒地风能综合利用系统及其控制方法，以解决寒地电热运行难的问题。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明提供了寒地风能综合利用系统及其控制方法，解决了寒地电网建设难以及热能供给不稳定的问题。

为实现以上目的，本发明通过以下技术方案予以实现：寒地风能综合利用系统，包括风力发电机模块、热能回收装置模块、热能储存系统模块、热能利用设备模块、储能装置模块、电能利用设备模块、中央控制模块：

所述风力发电机模块用于将风能转化为电能；

所述热能回收装置模块与风力发电机模块相连用于将机械能转化为热能；

所述热能储存系统模块用于储存回收的热能；

所述热能利用设备模块与热能储存系统模块相连用于利用储存的热能供应供暖、温室设备；

所述储能装置模块用于储存通过风力发电机模块产生的电能；

所述电能利用设备模块与储能装置模块相连用于将储存的电能供应电网设备；

中央控制模块用于实现电能和热能的综合利用；

所述中央控制模块包括数据采集单元、算法处理单元、控制指令生成单元、控制信号输出单元，所述数据采集单元用于采集风力发电机模块、热能回收装置模块、储能装置模块各模块的数据，所述算法处理单元与数据采集单元相连用于根据采集到的数据进行算法处理，所述控制指令生成单元与算法处理单元相连用于生成控制指令，所述控制信号输出单元与控制指令生成单元相连用于将控制指令发送给各模块的控制装置。

优选的，所述风力发电机模块包括风轮、发电机、风向传感器、风速传感器，所述风轮用于捕捉风能，所述发电机与风轮相连用于将机械能转化为电能，所述风向传感器用于监测风向，所述风速传感器用于监测风速；

所述热能回收装置模块包括传动装置、热能转换器，所述传动装置与风力发电机模块相连用于将风力发电机模块产生的机械能传递给热能回收装置模块，所述热能转换器与传动装置相连用于将机械能转化为热能；

所述热能储存系统模块包括热能储存装置、热能输送管道，所述热能储存装置用于储存回收的热能，所述热能输送管道与热能储存装置相连用于输送储存的热能至热能利用设备模块；

所述热能利用设备模块包括供暖设备，所述供暖设备与热能储存系统模块相连用于利用储存的热能供应供暖。

优选的，所述储能装置模块包括电池组、控制装置，所述电池组用于储存通过风力发电机模块产生的电能，所述控制装置用于管理电池组的充放电过程；

所述电能利用设备模块包括逆变器、电网接入装置，所述逆变器与储能装置模块相连用于将储存的电能转化为交流电，所述电网接入装置与逆变器相连用于将转化后的交流电供应给电网。

优选的，所述风力发电机模块、热能回收装置模块和储能装置模块之间通过电力连接实现能量的转化和传输，所述热能回收装置模块将机械能转化为热能并通过热能储存系统模块储存起来，所述热能利用设备模块利用储存的热能供应供暖，所述储能装置模块储存通过风力发电机模块产生的电能并通过电能利用设备模块供应电网设备。

优选的，所述风力发电机模块根据风速和风向传感器的监测数据将风能转化为电能，所述热能回收装置模块通过传动装置将风力发电机模块产生的机械能传递给热能转换器将其转化为热能，所述热能储存系统模块储存回收的热能并通过热能输送管道将其输送至热能利用设备模块，所述储能装置模块通过电池组储存通过风力发电机模块产生的电能并由控制装置管理充放电过程，所述电能利用设备模块通过逆变器将储存的电能转化为交流电并通过电网接入装置供应给电网，所述中央控制模块通过数据采集、算法处理和控制指令生成实现对各模块的综合管理和控制。

优选的，所述算法处理单元具体公式如下：

式中：P_wing表示风能发电机输出功率，Q_heat表示热能需求量，Q_electricity表示电能需求量，P_{max\_wind}表示风能发电机的最大输出功率，P_{new\_wing}表示转换后的风能发电机输出功率。

寒地风能综合利用系统的控制方法，应用于上述任一项所述的寒地风能综合利用系统，包括以下方法步骤：

S1、通过中央控制模块实现对风力发电机模块、热能回收装置模块、储能装置模块的监测、控制和协调，通过电能和热能的不同需求通过算法计算电热转换的优先级；

S2、通过风速传感器和风向传感器监测风力发电机模块的风速和风向，通过风力发电机模块将风能转化为电能，并通过传动装置将风力发电机模块产生的机械能传递给热能回收装置模块，在热能回收装置模块中，将接收到的机械能转化为热能；

S3、通过热能储存系统模块将回收的热能进行储存，通过电池组将风力发电机模块产生的电能进行储存；

S4、根据需要，从热能储存系统模块中提取储存的热能供应供暖设备；

S5、根据电网需求，从储能装置模块中提取储存的电能供应电网。

优选的，所述S1具体包括以下步骤：

S1-1、通过数据采集单元采集风力发电机模块、热能回收装置模块、储能装置模块各模块的数据；

S1-2、将采集到的数据传递给算法处理单元进行算法处理；

S1-3、根据算法处理的结果，生成相应的控制指令；

S1-4、将生成的控制指令通过控制信号输出单元发送给各模块的控制装置；

S1-5、接收各模块的状态反馈信息，并根据反馈信息进行实时调整和优化控制策略。

优选的，所述算法处理单元的算法步骤如下：

步骤一：判断热能需求量和电能需求量的优先级；

如果Q_heat>Q_electricity，则优先满足热能需求；

如果Q_electricity>Q_heat，则优先满足电能需求；

如果Q_heat＝Q_electricity，则两者平等，可以根据实际情况进行调整；

步骤二：根据优先级确定风能的转换方式：

如果热能需求优先，则将风能发电机的输出功率设置为P_wind*(Q_heat/P_{max\_wind})；

如果电能需求优先，则将风力发电机的输出功率设置为P_wind*(Q_electricity/P_{max\_wind})；

步骤三：将计算得到的新的风能发电机输出功率P_{new\_wind}返回作为结果。

本发明提供了寒地风能综合利用系统及其控制方法。具备以下有益效果：

1、本发明通过算法处理单元根据热能需求量和电能需求量的优先级来确定风能的转换方式，从而灵活调控系统的运行，这样可以根据实际需求优先满足热能需求或电能需求，提高能源利用的灵活性和适应性。

2、本发明通过储能装置模块将通过风力发电机模块产生的电能储存起来，并通过电能利用设备模块供应给电网设备，这种储能方式可以平衡风力发电的波动性，提供稳定的电能供应，解决了风能发电的间歇性问题，增强了能源供应的可靠性和稳定性。

3、本发明通过使用风能作为主要能源来源，可以减少对传统能源资源的依赖，降低对化石燃料的消耗和排放，从而减少温室气体的排放和对环境的污染，此外，通过热能利用设备模块将储存的热能用于供暖和温室设备，可以减少对传统暖气方式的需求，进一步降低碳排放。

附图说明

图1为寒地风能综合利用系统的系统框架图；

图2为寒地风能综合利用系统的风力发电机模块框架图；

图3为寒地风能综合利用系统的热能回收装置模块框架图；

图4为寒地风能综合利用系统的热能储存系统模块框架图；

图5为寒地风能综合利用系统的热能利用设备模块框架图；

图6为寒地风能综合利用系统的储能装置模块框架图；

图7为寒地风能综合利用系统的电能利用设备模块框架图；

图8为寒地风能综合利用系统的中央控制模块框架图；

图9为寒地风能综合利用系统的控制方法的方法流程图；

图10为寒地风能综合利用系统的控制方法中S1的方法流程图；

图11为寒地风能综合利用系统的控制方法的算法处理单元算法步骤流程图。

具体实施方式

下面将结合本发明说明书中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整的描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例一：

请参阅附图1、附图8，本发明实施例提供寒地风能综合利用系统，包括风力发电机模块、热能回收装置模块、热能储存系统模块、热能利用设备模块、储能装置模块、电能利用设备模块、中央控制模块，所述风力发电机模块用于将风能转化为电能；所述热能回收装置模块与风力发电机模块相连用于将机械能转化为热能；所述热能储存系统模块用于储存回收的热能；所述热能利用设备模块与热能储存系统模块相连用于利用储存的热能供应供暖、温室设备；所述储能装置模块用于储存通过风力发电机模块产生的电能；所述电能利用设备模块与储能装置模块相连用于将储存的电能供应电网设备；中央控制模块用于实现电能和热能的综合利用；所述中央控制模块包括数据采集单元、算法处理单元、控制指令生成单元、控制信号输出单元，所述数据采集单元用于采集风力发电机模块、热能回收装置模块、储能装置模块各模块的数据，所述算法处理单元与数据采集单元相连用于根据采集到的数据进行算法处理，所述控制指令生成单元与算法处理单元相连用于生成控制指令，所述控制信号输出单元与控制指令生成单元相连用于将控制指令发送给各模块的控制装置；

通过将风能转化为电能，风力发电机模块可以为系统提供可再生的电力资源。这些电能可以直接供应给电网设备，满足电力需求；

同时，系统还包括热能回收装置模块，将风力发电机模块产生的机械能转化为热能，这样可以利用风力发电过程中产生的副产品，将其转化为有用的热能资源；

热能储存系统模块用于储存回收的热能，使其在需要时可以供应给热能利用设备模块，这样，系统可以利用储存的热能来供应供暖和温室设备，提供舒适的室内环境；

此外，系统还包括储能装置模块，用于储存通过风力发电机模块产生的电能，这样可以解决风能发电的间歇性问题，将多余的电能储存起来，在需要时释放给电网设备，实现平稳的电力供应。

请参阅附图2－附图5，所述风力发电机模块包括风轮、发电机、风向传感器、风速传感器，所述风轮用于捕捉风能，所述发电机与风轮相连用于将机械能转化为电能，所述风向传感器用于监测风向，所述风速传感器用于监测风速；所述热能回收装置模块包括传动装置、热能转换器，所述传动装置与风力发电机模块相连用于将风力发电机模块产生的机械能传递给热能回收装置模块，所述热能转换器与传动装置相连用于将机械能转化为热能；所述热能储存系统模块包括热能储存装置、热能输送管道，所述热能储存装置用于储存回收的热能，所述热能输送管道与热能储存装置相连用于输送储存的热能至热能利用设备模块；所述热能利用设备模块包括供暖设备，所述供暖设备与热能储存系统模块相连用于利用储存的热能供应供暖，所述风力发电机模块、热能回收装置模块和储能装置模块之间通过电力连接实现能量的转化和传输，所述热能回收装置模块将机械能转化为热能并通过热能储存系统模块储存起来，所述热能利用设备模块利用储存的热能供应供暖设备，所述储能装置模块储存通过风力发电机模块产生的电能并通过电能利用设备模块供应电网设备，通过热能回收装置模块将风力发电的机械能转化为热能，这样可以最大限度地利用可再生的风能资源，热能储存系统模块储存回收的热能，热能利用设备模块利用储存的热能供应供暖。

请参阅附图6－附图7，所述储能装置模块包括电池组、控制装置，所述电池组用于储存通过风力发电机模块产生的电能，所述控制装置用于管理电池组的充放电过程。所述电能利用设备模块包括逆变器、电网接入装置，所述逆变器与储能装置模块相连用于将储存的电能转化为交流电，所述电网接入装置与逆变器相连用于将转化后的交流电供应给电网，所述风力发电机模块根据风速和风向传感器的监测数据将风能转化为电能，所述热能回收装置模块通过传动装置将风力发电机模块产生的机械能传递给热能转换器将其转化为热能，所述热能储存系统模块储存回收的热能并通过热能输送管道将其输送至热能利用设备模块，所述储能装置模块通过电池组储存通过风力发电机模块产生的电能并由控制装置管理充放电过程，所述电能利用设备模块通过逆变器将储存的电能转化为交流电并通过电网接入装置供应给电网，所述中央控制模块通过数据采集、算法处理和控制指令生成实现对各模块的综合管理和控制。通过风力发电机模块将风能转化为电能，储能装置模块则可以储存通过风力发电机模块产生的电能，电能利用设备模块将储存的电能供应电网设备。

请参阅附图1、附图8，所述算法处理单元具体公式如下：

式中：P_wind表示风能发电机输出功率，Q_heat表示热能需求量，Q_electricity表示电能需求量，P_{max\_wind}表示风能发电机的最大输出功率，P_{new\_wind}表示转换后的风能发电机输出功率，通过算法处理单元根据热能需求量和电能需求量的优先级来确定风能的转换方式，从而灵活调控系统的运行，这样可以根据实际需求优先满足热能需求或电能需求，提高能源利用的灵活性和适应性。

实施例二：

请参阅附图9，本发明实施例提供寒地风能综合利用系统的控制方法，应用于权利上述任一项所述的寒地风能综合利用系统，包括以下方法步骤：

S1、通过中央控制模块实现对风力发电机模块、热能回收装置模块、储能装置模块的监测、控制和协调，通过电能和热能的不同需求通过算法计算电热转换的优先级，对系统中的各个模块进行管理和调度，以实现电能和热能的优先级转换；

S2、通过风速传感器和风向传感器监测风力发电机模块的风速和风向，通过风力发电机模块将风能转化为电能，并通过传动装置将风力发电机模块产生的机械能传递给热能回收装置模块，在热能回收装置模块中，将接收到的机械能转化为热能，利用风能产生电能，并将剩余的机械能转化为热能进行回收；

S3、通过热能储存系统模块将回收的热能进行储存，通过电池组将风力发电机模块产生的电能进行储存，将产生的热能和电能储存起来，以便在需要时供应给供暖设备和电网；

S4、从热能储存系统模块中提取储存的热能供应供暖设备，利用储存的热能满足供暖设备的需求，提供热能供暖；

S5、从储能装置模块中提取储存的电能供应电网，利用储存的电能将多余的电能供应给电网，实现对电网的支持和调节。

请参阅附图10，所述S1具体包括以下步骤：

S1-1、通过数据采集单元采集风力发电机模块、热能回收装置模块、储能装置模块各模块的数据，通过获取风力发电机模块、热能回收装置模块和储能装置模块的各种参数和状态数据，为后续的算法处理提供输入；

S1-2、将采集到的数据传递给算法处理单元进行算法处理，通过使用预先设定的算法对采集到的数据进行处理和分析，以确定电热转换的优先级；

S1-3、根据算法处理的结果，生成相应的控制指令，根据算法处理的结果，确定各模块的控制策略和工作模式，并生成相应的控制指令；

S1-4、将生成的控制指令通过控制信号输出单元发送给各模块的控制装置，将生成的控制指令传递给各模块的控制装置，以实现对各模块的监测、控制和协调；

S1-5、接收各模块的状态反馈信息，并根据反馈信息进行实时调整和优化控制策略，接收各模块的状态反馈信息，包括电能和热能的产生和消耗情况，根据反馈信息进行实时调整和优化控制策略，以提高系统的性能和能源利用效率。

请参阅附图11，所述算法处理单元的算法步骤如下：

步骤一：判断热能需求量和电能需求量的优先级；

如果Q_heat>Q_electricity，则优先满足热能需求；

如果Q_electricity>Q_heat，则优先满足电能需求；

如果Q_heat＝Q_electricity，则两者平等，可以根据实际情况进行调整；

步骤二：根据优先级确定风能的转换方式：

如果热能需求优先，则将风能发电机的输出功率设置为P_wind*(Q_heat/P_{max\_wind})；

如果电能需求优先，则将风力发电机的输出功率设置为P_wind*(Q_electrictiy/P_{max\_wind})；

步骤三：将计算得到的新的风能发电机输出功率P_{new\_wind}返回作为结果。

通过算法处理单元根据热能需求量和电能需求量的优先级来确定风能的转换方式，从而灵活调控系统的运行，这样可以根据实际需求优先满足热能需求或电能需求，提高能源利用的灵活性和适应性。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。

Claims (9)

1.寒地风能综合利用系统，包括风力发电机模块、热能回收装置模块、热能储存系统模块、热能利用设备模块、储能装置模块、电能利用设备模块、中央控制模块，其特征在于：

所述风力发电机模块用于将风能转化为电能；

所述热能回收装置模块与风力发电机模块相连用于将机械能转化为热能；

所述热能储存系统模块用于储存回收的热能；

所述热能利用设备模块与热能储存系统模块相连用于利用储存的热能供应供暖、温室设备；

所述储能装置模块用于储存通过风力发电机模块产生的电能；

所述电能利用设备模块与储能装置模块相连用于将储存的电能供应电网设备；

中央控制模块用于实现电能和热能的综合利用；

所述中央控制模块包括数据采集单元、算法处理单元、控制指令生成单元、控制信号输出单元，所述数据采集单元用于采集风力发电机模块、热能回收装置模块、储能装置模块各模块的数据，所述算法处理单元与数据采集单元相连用于根据采集到的数据进行算法处理，所述控制指令生成单元与算法处理单元相连用于生成控制指令，所述控制信号输出单元与控制指令生成单元相连用于将控制指令发送给各模块的控制装置。

2.根据权利要求1所述的寒地风能综合利用系统，其特征在于：

所述风力发电机模块包括风轮、发电机、风向传感器、风速传感器，所述风轮用于捕捉风能，所述发电机与风轮相连用于将机械能转化为电能，所述风向传感器用于监测风向，所述风速传感器用于监测风速；

所述热能回收装置模块包括传动装置、热能转换器，所述传动装置与风力发电机模块相连用于将风力发电机模块产生的机械能传递给热能回收装置模块，所述热能转换器与传动装置相连用于将机械能转化为热能；

所述热能储存系统模块包括热能储存装置、热能输送管道，所述热能储存装置用于储存回收的热能，所述热能输送管道与热能储存装置相连用于输送储存的热能至热能利用设备模块；

所述热能利用设备模块包括供暖设备，所述供暖设备与热能储存系统模块相连用于利用储存的热能供应供暖。

3.根据权利要求1所述的寒地风能综合利用系统，其特征在于：

所述储能装置模块包括电池组、控制装置，所述电池组用于储存通过风力发电机模块产生的电能，所述控制装置用于管理电池组的充放电过程。

所述电能利用设备模块包括逆变器、电网接入装置，所述逆变器与储能装置模块相连用于将储存的电能转化为交流电，所述电网接入装置与逆变器相连用于将转化后的交流电供应给电网。

4.根据权利要求1所述的寒地风能综合利用系统及其控制方法，其特征在于，所述风力发电机模块、热能回收装置模块和储能装置模块之间通过电力连接实现能量的转化和传输，所述热能回收装置模块将机械能转化为热能并通过热能储存系统模块储存起来，所述热能利用设备模块利用储存的热能供应供暖设备，所述储能装置模块储存通过风力发电机模块产生的电能并通过电能利用设备模块供应电网设备。

5.根据权利要求1所述的寒地风能综合利用系统及其控制方法，其特征在于，所述风力发电机模块根据风速和风向传感器的监测数据将风能转化为电能，所述热能回收装置模块通过传动装置将风力发电机模块产生的机械能传递给热能转换器将其转化为热能，所述热能储存系统模块储存回收的热能并通过热能输送管道将其输送至热能利用设备模块，所述储能装置模块通过电池组储存通过风力发电机模块产生的电能并由控制装置管理充放电过程，所述电能利用设备模块通过逆变器将储存的电能转化为交流电并通过电网接入装置供应给电网，所述中央控制模块通过数据采集、算法处理和控制指令生成实现对各模块的综合管理和控制。

6.根据权利要求1所述的寒地风能综合利用系统，其特征在于，所述算法处理单元具体公式如下：

式中：P_wind表示风能发电机输出功率，Q_heat表示热能需求量，Q_electricity表示电能需求量，P_{max\_wind}表示风能发电机的最大输出功率，P_{new\_wind}表示转换后的风能发电机输出功率。

7.寒地风能综合利用系统的控制方法，其特征在于，应用于权利要求1-6任一项所述的寒地风能综合利用系统，包括以下方法步骤：

S1、通过中央控制模块实现对风力发电机模块、热能回收装置模块、储能装置模块的监测、控制和协调，通过电能和热能的不同需求通过算法计算电热转换的优先级；

S2、通过风速传感器和风向传感器监测风力发电机模块的风速和风向，通过风力发电机模块将风能转化为电能，并通过传动装置将风力发电机模块产生的机械能传递给热能回收装置模块，在热能回收装置模块中，将接收到的机械能转化为热能；

S3、通过热能储存系统模块将回收的热能进行储存，通过电池组将风力发电机模块产生的电能进行储存；

S4、从热能储存系统模块中提取储存的热能供应供暖设备；

S5、从储能装置模块中提取储存的电能供应电网。

8.根据权利要求8所述的寒地风能综合利用系统的控制方法，其特征在于，所述S1具体包括以下步骤：

S1-1、通过数据采集单元采集风力发电机模块、热能回收装置模块、储能装置模块各模块的数据；

S1-2、将采集到的数据传递给算法处理单元进行算法处理；

S1-3、根据算法处理的结果，生成相应的控制指令；

S1-4、将生成的控制指令通过控制信号输出单元发送给各模块的控制装置；

S1-5、接收各模块的状态反馈信息，并根据反馈信息进行实时调整和优化控制策略。

9.根据权利要求8所述的寒地风能综合利用系统的控制方法，其特征在于，所述算法处理单元的算法步骤如下：

步骤一：判断热能需求量和电能需求量的优先级；

如果Q_heat>Q_electricity，则优先满足热能需求；

如果Q_electricity>Q_heat，则优先满足电能需求；

如果Q_heat＝Q_electricity，则两者平等，可以根据实际情况进行调整；

步骤二：根据优先级确定风能的转换方式：

如果热能需求优先，则将风能发电机的输出功率设置为P_wind*(Q_heat/P_{max\_wind})；

如果电能需求优先，则将风力发电机的输出功率设置为P_wind*(Q_electricity/P_{max\_wind})；

步骤三：将计算得到的新的风能发电机输出功率P_{new\_wind}返回作为结果。