专利名称：多能源联合发电装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种能利用风能、太阳能和和生物质能联合发电的装置，属发电机技术领域。
技术背景随着全球化学能源的日益枯竭，可再生能源(包括太阳能、风能、水能、生物质能、海 洋能以及地热能等)发电越来越受到人们的重视。除大型水力发电系统外，其他可再生能源 发电系统一般具有设备简单、成本低廉、易于安装等特点，广泛运用于住宅、办公、企业、 农业、牧业、广告业、服务业、旅游业、港口、山区、铁路、林区、石油开采、部队防哨所、 通讯中继站、公路和铁路信号站以及用电不方便的地区，特别是在遇到自然灾害的情况下， 它能够在最短时间内给人们提供日常生活急需的电能。但是，这些发电系统都存在能量分散、 受时间、地域、气候和季节等因素影响较大的缺点，致使系统供电持续性与稳定性较差。例 如风能随地表温差变化大小而变化，白天光照强时风小，夜间光照弱时风大，夏季风小，冬 季风大；而太阳能则与光照强度密切相关，夏季太阳光强度大，冬季太阳光强度小，白天太 阳光强度大，夜间太阳光强度小。因此，无论单独使用哪一种发电系统，都不能实现全天候 供电，这不仅给人们的生活带来不便，而且还会使系统的蓄电池组长期处于亏电状态，导致 蓄电池组的使用寿命大大降低。另外，目前全球各小型风力机的限速保护方案大致可以归为两类1) 设置一种机构使风轮偏离风向，减小风轮通风面积，从而减小风能吸收；2) 设置一种机构利用风轮叶片的离心力改变桨距，降低风轮的风能利用率，从而达到 减小风能吸收的效果。由于自然界的风况是十分复杂的，紊流是主状态，同时，风速风向的变化频繁而又迅捷， 机械限速保护装置都不可能瞬时响应实际风况的变化，加上长期运行导致的机械磨损会使装 置的配合间隙增大。所有这些均会导致保护滞后、失效，引发风力机飞车、过载或剧震等破 坏性结果。 发明内容本发明的目的在于克服现有技术的不足、提供一种结构简单、性能优良、制造成本低廉、供电持续性与稳定性好的一种多能源(风能、太阳能和生物质能)联合发电装置。 本发明所述问题是以下述技术方案实现的一种多能源联合发电装置，由风力发电机、太阳能电池板、生物质能发电装置、蓄电池 组以及逆变器组成，所述风力发电机、太阳能电池板和生物质能发电装置的输出端分别经一 个充电电压匹配控制器接蓄电池组B的两端，所述逆变器的输入端接蓄电池组，输出端接负 载。上述多能源联合发电装置，在所述风力发电机上设置电磁限速保护装置，所述电磁限速 保护装置由减速盘、摩擦片、电磁离合器及控制电路组成，所述减速盘同轴固定于风力发电 机的主轴上，所述摩擦片是减速盘的制动元件，与电磁离合器的衔铁固定。上述多能源联合发电装置，所述电磁限速保护装置的控制电路由依次连接的转速传感器、 测速仪和单片机组成，所述转速传感器装于风力发电机的主轴上，所述单片机的控制输出端 经驱动电路接电磁离合器的控制线圈。上述多能源联合发电装置，所述生物质能发电装置由依次连接的密闭沼气罐QG、沼气控 制阀QV和沼气发电机ZD组成，沼气发电机的输出端经一个充电电压匹配控制器接蓄电池组 B的两端。上述多能源联合发电装置，所述生物质能发电装置的充电电压匹配控制器由三相整流桥、 场效应管、储能线圈和自动开关恒压/恒流控制器组成，所述三相整流桥的输入端接生物质能 发电装置的输出端，输出端依次经场效应管和储能线圈接蓄电池组，所述自动开关恒压/恒流 控制器采用TSM108，其VS、 ICTRL端接三相整流桥输出回路的电流采样电阻，VCTRL端接三 相整流桥输出端的采样分压电阻的输出信号，GD端的输出信号接场效应管的栅极，在场效应 管和储能线圈之间还接有续流二极管。上述多能源联合发电装置，所述太阳能电池板GV采用太阳能生物电池板。 本发明同时利用风能、太阳能和生物质能发电，对气象资源和环境资源的利用更加充分， 采用生物光合作用发电的目的是提高电能转换率。采用电磁限速保护装置，大大降低了风力 发电机的故障率。由于三种发电方式在时间上和地域上都具有很强的互补性，因而本发明不 仅可节省煤炭、石油和天然气等传统能源，而且实现了全天候发电，提高了系统供电的连续 性、稳定性和可靠性，能够在气候非常恶劣、资源极端短缺的情况下解决电能的供给问题。
下面结合附图对本发明进一步说明。图l是本发明的电原理图；图2是电磁限速保护装置控制电路的电原理图； 图3是电磁限速保护装置的结构示意图；图4是生物质能发电装置的充电电压匹配控制器的电原理图。图中各标号为1、电磁限速保护装置壳体，2、风力发电机主轴，3、弹簧，4、摩擦片， 5、减速盘，6、衔铁，7、衔铁穿钉，FD、风力发电机，GV、太阳能电池板，B、蓄电池组， Cvt、逆变器，Ctrll、 Ctrl2、 Ctrl3、充电电压匹配控制器，QG、密闭沼气罐，QV、沼气控 制阀，ZD、沼气发电机，SP、转速传感器，Ul、测速仪,U2、单片机，U3、自动开关恒压/恒 流控制器，L、储能线圈，LH、电磁离合器的控制线圈，ZL、三相整流桥，VF、场效应管，QD、 驱动电路，D、续流二极管，Rl、 R2、分压电阻，R3、电流检测电阻，Cl、 C2、电容。
具体实施方式
本发明包括风能发电部分、太阳能发电部分、生物质能发电部分、控制/逆变部分、蓄电 池组部分，特点是太阳能发电部分采用生物光合作用发电，使电能转换率由单晶硅的15%增 加到23%，大大提高了电能转换率；由于提取叶绿素的成本较低，从而降低了产品价格。在 自然资源恶劣，无风无光的情况下，本装置可以利用生物质转换产生沼气，通过沼气发电机 为用户提供电源。太阳能发电部分、风能发电部分和生物质能发电部分的输出端与充电电压 匹配控制器的输入端相连，通过充电电压匹配控制器把各部分产生的电流转变成低压直流电；充电电压匹配控制器的输出端与蓄电池组连接；为了控制发电机以调配功率发电，在直流侧 的逆变器中采用了先进的功率跟踪技术(PPT)算法；风能和太阳能各自经过另外一路充电控制给蓄电池充电。风机、太阳能和沼气发电机的输入相互独立， 一路出现故障时不影响它路的正常工作，保证用电设备的正常运行；蓄电池组的输出端与逆变器的输入端连接，通过逆 变器把蓄电池组中储存的直流电转变成220V交流电，提供给负载。该装置能够实现纯绿色发电，环保、无污染，为偏僻区或救灾区的用电器提供电能。它广泛运用于住宅、办公、企业、农业、牧业、广告业、服务业、旅游业、港口、山区、铁路、林区、石油开采、部队防 哨所、通讯中继站、公路和铁路信号站及用电不方便的地区，特别是在遇到自然灾害的情况 下能够在最短时间内获得急需的电能。 原理介绍风能发电部分是利用风力机将风能转化为机械能，然后通过风力发电机转换为电能，再 通过控制器对蓄电池充电，经过逆变器对负载供电。现有风力发电设备在电机限速保护上大都采用机械限速和液压控制技术，但在实践中， 由于风速和风向变化过于复杂，且自然环境恶劣，小型风力发电机的动态支撑部件不可避免 的会引起振动和部件损坏，从而殃及机组。本装置在设计时运用电磁限速保护，当风力机处 于"过功率"状态时给发电机加一个反向磁阻力矩，大幅增加发电机所消耗的功率，使之大 于风轮输出的功率，风轮转速下降，风轮的叶尖速比减小，从而降低定桨距风轮的风能利用 率，减小风轮吸收的风能，继而减低风轮转速。参看图2、图3，在风力发电机的主轴上装设一转速传感器SP，此转速传感器SP的信号 输出端接测速仪Ul的输入端in,测速仪Ul的信号输出端D/A+、 D/A-分别接单片机U2的 CON+、 CON-端，单片机U2的输出端0UT经驱动电路QD接电磁离合器的控制线圈LH。减速盘 5固定于风力发电机主轴2上，随风力发电机主轴2 —起旋转。几根衔铁穿钉7 —端固定于 电磁限速保护装置壳体1上，另一端穿入衔铁6内，它们与风力发电机主轴2平行。衔铁6 与风力发电机主轴2同轴，它可沿风力发电机主轴2和衔铁穿钉7滑动，但由于受到衔铁穿 钉7的限制不能相对于电磁限速保护装置壳体1发生转动。摩擦片4固定于衔铁6上，可随 衔铁6沿风力发电机主轴2滑动。正常情况下，单片机输出离合器吸合信号，该信号经驱动 电路QD放大后加到离合器控制线圈LH的两端，使衔铁6在磁力作用下，克服弹簧3的推力 沿衔铁穿钉7滑动，带动摩擦片4与减速盘5分离，风力发电机主轴2可以自由转动。当风 力机处于大风状态时，测速仪U1所采集主轴转速大于系统设定转速，把这一信号输入单片机 U2，单片机U2经过系统分析，输出离合器断开信号，离合器控制线圈LH断电，衔铁6在弹 簧3的推力作用下沿衔铁穿钉7滑动，推动摩擦片4与减速盘接触，摩擦片4通过减速盘5 给风力发电机的主轴施加一个阻力矩，从而使风轮的转速开始下降。由于阻力矩的持续作用， 风轮转速被限定在某一个转速范围内，防止了风轮飞车而损坏风力发电机组。风力发电机的 限速保护控制系统，是通过对风力发电机的主轴转速进行适时监控来控制发电机的阻力矩的， 可以根据不同风况和蓄电池组的不同状况对风力发电机的风轮转速进行适时控制。由于电磁 控制的响应速度快，可靠性高，保证了整个控制系统的高可靠性。这一限速保护理念的优点在于舍弃了机械限速结构，仅保留了风力发电机两个必须的运 动部件，排除了机械限速机构的机械故障隐患，从根本上解决了小型风力发电机长期安全可 靠运行的问题。而且，不受机械限速结构的限速，风力发电机组的造型可以做得更美观，更 多样化。风力发电机尾部装有风力转速传感器SP，可以感应各方向风力的大小，通过分析计算，利用单片机控制旋转机构，使风轮始终处于风力最大的方向。风轮的设计采用可调节式，根 据风向的不同可以适当调节叶尖角。风力发电机一般为水平轴、上风向、三叶片布置。风力发电机输出功率式中p为空气密度；R为风轮半径；V为风速；C，为风能利用系数，最大值为0. 593。光伏发电部分利用太阳能电池板的光伏效应将光能转化为电能，然后对蓄电池充电，通 过逆变器将直流电转化为交流电对负载进行供电。理想的PN结太阳电池I - V方程Is = isr〖o W:rKT - 1》式中！s、 ％为光伏电池的输出电流和输出电压；lse、 ^为光伏电池的短路电流和PN结反向 饱和电流；K为波尔兹曼常数，K = 1,38*雄^]:，， T为温度；q为电子电荷量，q = L6*10-"C本发电装置的太阳能发电部分采用太阳能生物电池板，利用生物光合作用发电，通过控 制器将低压直流电滤波升压，然后存储到蓄电池组中。实验研究中发现，在光合作用系统中，能量以波动方式同时沿着所有的路径移动。这种 量子效应保证能量将通过效率最高的路径传送，可以瞬时抵达目的地。把这一过程纳入太阳 能设备的设计中，大大提高太阳能电池的转换效率。生物太阳能电池板的表面设计成金字塔型的组织结构，加入抗反射层以减少光的反射。 当光照射到太阳能电池表面上时，光通过以碘为主的电解质发生散射而达染色层，染色层捕 获光子，光子把染色层里的电子推入最下一层——二氧化钛半导体薄膜。这个厚度只有io 微米而又透明的薄膜能捕获电荷，把电子送入二氧化锡导体层。这一层位于光反射板上。二 氧化锡层指挥电子工作产生电流。在太阳能发电部分结构设计上，考虑到太阳东升西落的特点，在电池板上装了光强度感 应器，通过感应器来控制转动机构旋转，使生物太阳能电池板始终与太阳光光线方向垂直， 从而使光照面积最大。目前利用生物质能发电的技术有直接燃烧、物化转换、生化转换、提炼植物油等技术。 通过分析各技术的优缺点，设计该装置时采用了生化转换法，主要以厌氧消化和特种酶技术 为主。沼气发酵是有机物质(为碳水化合物、脂肪、蛋白质等)在一定温度、湿度、酸碱度 和厌氧条件下，经过沼气菌群发酵(消化)，生成沼气。把产生的沼气送入沼气压力调节装置 中，通过沼气发电机产生交流电，并经过控制器把产生的电流转换成直流电储存在蓄电池组中。蓄电池在系统中同时起到能量调节和平衡负载两大作用。它将风力发电机和太阳能电池 以及生物质能发电机输出的电能转化为化学能储存起来，以供电能不足时使用。在常用的蓄 电池中，主要有铅酸蓄电池、碱性镍蓄电池和铁镍蓄电池。在设计时选用了储能专用蓄电池， 蓄电池极板采用低锑耐腐合金，严格控制合金元素配比，并采用超级厚极板(极板厚度为 3.5mm)，提高极板抗腐蚀能力，延长了蓄电池的使用寿命。由于采用特殊多元合金，提高负 极析氢过电位，控制负极析氢速度，水损耗小，正常使用半年以上才需要补加蒸馏水。采用 超厚极板和特殊极板配方，提高了蓄电池的耐过充电能力，使用寿命可达到5年。在对蓄电池进行充放电这个环节中我们采用先进的双标三阶段充电原理，采用双蓄电池 结构，大大提高了蓄电池的寿命。第一阶段大电流灌充阶段。由电压采样电路获取蓄电池的电压状况，当电压小于标准 开路电压(Voc)时，太阳能电源、风力发电机以其所能提供的最大电流对蓄电池充电(最大电 流对不同功率的系统取值不同，可按C/5充电率取值,C为蓄电池容量)，由于太阳能电池和 风力发电机的电流与天气状况有关，所以大电流的取值将在一定范围之内。保持大电流充电 至Voc后，进入第二阶段。第一阶段的充电程度可达70% 90%。第二阶段过电压恒充阶段。以恒定的过标准电压(Voc)充电，直到充电电流降至Ioct 进入第三阶段。第二阶段的充电程度近100%。第三阶段浮充阶段。以恒定精确的浮充电压Vf进行浮充。蓄电池充满后，以浮充方 式维持电压。浮充电压的选择对蓄电池的寿命尤为重要，即使5%的误差也将使得蓄电池的 寿命縮短一半。参看图4，沼气发电机的充电电压匹配控制器的工作过程沼气发电机通过沼气发出来的交流电要储存到蓄电池组中，而蓄电池组要求输入恒定的 直流电压。在多能源联合发电装置中，生物质能发电电压匹配控制器利用桥式整流电路将发电机发出的交流电转换成直流电，然后采用目前最流行的自动开关恒压/恒流控制器TSM108 单片IC，将转换得到的不稳定直流电进行稳压。该控制器可对输出线路进行电压测量，并可 对开关频率、过电压锁定和欠电压锁定进行调节，因此可在生物质能发电中将经转换后的交 流电稳定的输入到蓄电池组中。充电电压匹配控制器的具体工作原理是将沼气发电机经桥式整流后输出的不稳定直流电压，通过Rl和R2组成的电阻分压器分压后，加到TSM108的VCTRL脚，并与IC内部2. 52V的精密电压参考相比较；而变换器的输出电流则通过电流检测电阻R3检测后分别加到IC的 ICTRL脚和VS脚，以通过R3的电压降与IC内部200raV的低值参考电压相比较。两个在IC 内部放大的误差信号在器件内部进行"或"运算后可为P丽产生器(内置)提供一个参考信 号，以设定IC外部场效应管的开关占空因数。PWM产生器由锯齿波振荡器和比较器组成，P丽 占空比的变化范围为0 95%。振荡器频率可由OSC脚与地之间的定时电容来设定，该电容可 以取220pF，从而使振荡器频率在100kHz左右。P丽信号可直接控制IC输出，以驱动IC脚 GD外部的场效应管。这样TSM108内部的两个运算放大器就实现了对整流电压的精密调节， 从而稳定了输出电压。本发明中的逆变器功能主要是把蓄电池组中的恒压直流电转换成交流电，供负载使用； 另外，还可以在电路中增加控制功能，如控制光电控制器、风电控制器、生电控制器的转换 效率，通过合理配置，进行蓄电池组充电的优化设计、以及防止蓄电池过充电及过放电、短 路、过载、泄荷和自动恢复的保护功能，等等。控制电路可以控制其余三个分控制器，根据 当地的自然资源条件和用户的需求对风能、太阳能、生物质能发电进行调解，以优化资源配 置，降低使用成本。系统控制器利用DSP芯片进行控制。多能源联合发电装置的设计采用的电路设计和器件，使逆变器的保护速度提高到微秒 级，提高了保护功能的可靠性。通过DC-AC高频斩波器(频率20-30KHZ)，将输入逆变器的不可控直流低电压变流为可控 的直流高电压，然后再通过DC-AC变换桥电路，实现50HZ方波或正弦波交流输出，取消了工 频输出变压器。由于变流方式的改变，使逆变器实现了小型化、高频化，提高了技术指标、 降低了成本。采用1GBT， VDMOS器件和非晶-微晶合金材料制作斩波升压线圈的磁芯。由于采用了二步逆变法，所以输入电压适用范围被大幅度展宽，逆变器的超压均能在额 定值100%以上。配有泄荷器的逆变器，可承受风力机的悬浮电压和光伏电池的开路电压，当 电能足够时，可脱离蓄电池组，直接实现变流转换，并向用电器正常稳定供电，解决了风力 发电机对逆变器的要求。该逆变器提高了感性负载的启动与运行能力，改善了感性负载的运 行状态，使逆变器的安全使用寿命达到10年。
权利要求
1、一种多能源联合发电装置，其特征是，它由风力发电机(FD)、太阳能电池板(GV)、生物质能发电装置、蓄电池组(B)以及逆变器(Cvt)组成，所述风力发电机(FD)、太阳能电池板(GV)和生物质能发电装置的输出端分别经一个充电电压匹配控制器接蓄电池组(B)的两端，所述逆变器(Cvt)的输入端接蓄电池组(B)，输出端接负载。
2、 根据权利要求1所述多能源联合发电装置，其特征是，在所述风力发电机(FD)上设 置电磁限速保护装置，所述电磁限速保护装置由减速盘(5)、摩擦片(4)、电磁离合器及控 制电路组成，所述减速盘(5)同轴固定于风力发电机(FD)的主轴(2)上，所述摩擦片(4) 是减速盘(5)的制动元件，与电磁离合器的衔铁(6)固定。
3、 根据权利要求1或2所述多能源联合发电装置，其特征是，所述电磁限速保护装置的 控制电路由依次连接的转速传感器(SP)、测速仪(Ul)和单片机(U2)组成，所述转速传感 器(SP)装于风力发电机(FD)的主轴(2)上，所述单片机(U2)的控制输出端经驱动电路(QD)接电磁离合器的控制线圈(LH)。
4、 根据权利要求3所述多能源联合发电装置，其特征是，所述生物质能发电装置由依次 连接的密闭沼气罐(QG)、沼气控制阀(QV)和沼气发电机(ZD)组成，沼气发电机的输出端 经一个充电电压匹配控制器接蓄电池组(B)的两端。
5、 根据权利要求4所述多能源联合发电装置，其特征是，所述生物质能发电装置的充电 电压匹配控制器由三相整流桥(ZL)、场效应管(VF)、储能线圈(L)和自动开关恒压/恒流 控制器(U3)组成，所述三相整流桥(ZL)的输入端接生物质能发电装置的输出端，输出端 依次经场效应管(VF)和储能线圈(L)接蓄电池组(B)，所述自动开关恒压/恒流控制器(U3) 采用TSM108，其VS、 ICTRL端接三相整流桥(ZL)输出回路的电流采样电阻(R3)， VCTRL 端接三相整流桥(ZL)输出端的采样分压电阻的输出信号，GD端的输出信号接场效应管(VF)的栅极，在场效应管(VF)和储能线圈(L)之间还接有续流二极管(D)。
6、 根据权利要求5所述多能源联合发电装置，其特征是，所述太阳能电池板(GV)采用太阳能生物电池板。
全文摘要
一种多能源联合发电装置，属发电技术领域，用于解决绿色持续稳定供电问题。其技术方案是它由风力发电机、太阳能电池板、生物质能发电装置、蓄电池组以及逆变器组成，所述风力发电机、太阳能电池板和生物质能发电装置的输出端分别经一个充电电压匹配控制器接蓄电池组的两端，所述逆变器的输入端接蓄电池组，输出端接负载。本发明不仅可节省煤炭、石油和天然气等传统能源，而且实现了全天候发电，提高了系统供电的连续性、稳定性和可靠性，能够在气候非常恶劣、资源极端短缺的情况下解决电能的供给问题。
文档编号F03D9/00GK101328861SQ200810055508
公开日2008年12月24日 申请日期2008年7月31日 优先权日2008年7月31日
发明者刘翠佳, 戴庆辉 申请人:华北电力大学(保定)