具有消冰功能的风力发电和柔性薄膜太阳能联合发电装置的制作方法

本发明涉及风力发电与太阳能发电技术领域，特别涉及一套具有清洁低碳叶片消冰功能的风力发电和柔性薄膜太阳能联合发电装置。

背景技术：

我国是世界上少数几个以煤为主要能源的国家，长期以来这种以煤炭为主的能源结构和单一的能源消费模式带来了严重的环境污染。可再生能源取之不尽、用之不竭的特性决定了其在未来能源格局中的重要地位，我国积极开发和利用风能、太阳能、核能电能、海洋能等可再生能源，是实现我国经济社会可持续发展能源战略的必然选择。

我国风电经历了飞速发展的10年，成为国内继火电、水电之后的第三大电源。截至2018年，全国累计装机容量达到2.1亿千瓦。目前，各风电场面临着平价上网竞争压力，在弃风限电普遍存在的情况下，如何提高风力发电小时数，降低机组停机次数、增加发电量，降低建造成本，提高企业的盈利能力是目前亟待解决的难题。

丰富的风资源基本上分布高寒地区和湿度大的沿海地带，环境极其恶劣。风力发电机在低温条件下，若遇到潮湿空气、雨水、冰霜、雪，特别是遇到过冷却水滴时，其部件就会发生冰冻现象。叶片结冰对风场、机组运行及人员安全都会带来一定的影响，降低发电效率，增加运行载荷与噪音，甚至危及风机及现场维护人员的安全。因此，叶片防冰、除冰工作显得尤为重要。目前风机叶片除冰方式主要有两种，一种是人工除冰，即借助于操作平台及除冰工具高空作业，该方式效率低下且操作危险系数高，生产中已经很少使用。另一种是电加热除冰，在叶片内部贴上导电器件如加热丝。在叶片结冰时，通电提高叶片内部温度，利用热平衡原理将内部热量传导到叶片外部。但该方式需要增加提供电能的额外电路，增加系统成本和设计的复杂程度。

技术实现要素：

为了解决了现有技术中存在的问题，本发明提供一种具有清洁低碳叶片消冰功能的风力发电和柔性薄膜太阳能联合发电装置，共用一套风、光电能传输系统，为防止风机叶片结冰或风机叶片结冰后的消冰提供了电能供给方案，降低开发成本，同时利用光伏发电的灵活、方便快捷以及清洁低碳的特性。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是，具有消冰功能的风力发电和柔性薄膜太阳能联合发电装置，包括风力发电子系统、柔性薄膜太阳能发电子系统、储能及加热系统以及电能输送系统；其中，柔性薄膜太阳能发电子系统包括柔性薄膜太阳能电池板，柔性薄膜太阳能电池板贴附在风力发电子系统的风机叶片前缘；储能及加热系统包括铅蓄电池储能单元和多个加热单元；直流输电线路埋设在叶片内部，并穿过叶片将柔性薄膜太阳能电池板与铅蓄电池储能单元和电能输送系统分别连接，柔性薄膜太阳能电池板的输出电路中设置有继电器，铅蓄电池储能单元的输出口与加热单元连接，加热单元贴附在风机叶片内部。

柔性薄膜太阳能电池板绕360°贴附在风机叶片外侧，柔性薄膜太阳能电池板的长度占风机叶片总长的20％～40％，厚度为2mm。

还包括控制系统，控制系统包括远程控制单元、工控机、风机控制器和温度湿度传感器，风机控制器一路i/o端口与温度湿度传感器连接，风机控制器另一路i/o端口与继电器连接；风机控制器和工控机连接，工控机和远程控制单元连接。

电能输送系统包括逆变器、变压器和电缆，逆变器的输入端与柔性薄膜太阳能发电子系统通过直流输电线路相连，逆变器的后端连接变压器，变压器的输出端通过集电线路和升压站连接至电网。

加热单元包括电阻丝、绝缘层、导热层和隔热层，电阻丝的外侧包裹绝缘层，电阻丝与叶片内壁之间还设置导热层，电阻丝背离叶片内壁的一侧设置隔热层。

加热单元还包括温度传感器，温度传感器连接控制器的输入端。

风力发电子系统包括叶片、转轴、齿轮箱、发电机、机舱和塔架；其中转轴、齿轮箱和发电机安装在机舱内，机舱设置在塔架顶部，转轴的从动端连接齿轮箱的输入端，转轴的主动端连接叶片，齿轮箱的输出端与发电机输入端连接。

与现有技术相比，本发明至少具有以下有益效果：本发明设置柔性薄膜太阳能发电子系统，其柔性薄膜太阳能电池板能够紧贴叶片表面，直流输电线路从叶片内部经过，对叶片影响小；多个加热单元叶片内部设置加热单元，外部环境达到结冰条件时，能够开启加热单元对叶片进行加热，进行融冰，而且柔性薄膜太阳能发电子系统所发的电能及时存储在铅蓄电池储能单元中，充分利用可再生能源单位体积利用空间，提高发电小时数和单位面积发电量，免去光伏土地征地困扰，且共用一套风、光电能传输系统，降低了开发成本；同时利用光伏发电的灵活、方便快捷、清洁低碳的特性，为防止风机叶片结冰或风机叶片结冰后的消冰提供了电能供给方案。

进一步的，设置占风机叶片总长20％～40，厚度为2mm，360°紧贴附在风机叶片前缘外侧的柔性薄膜太阳能电池板能确保加热单元用电，而且不额外用其他电源。

进一步的，将温度湿度传感器接入控制系统中，能实现对风机周围环境及叶片温度湿度进行实时动态的远程监控，为远程自动控制加热单元的开启提供便利；实时监控还能防止出现加热温度过高，避免影响叶片安全运行。

进一步的，加热单元中设置绝缘层、导热层和隔热层，更加安全和高效。

附图说明

图1是本发明风力发电与柔性薄膜太阳能电池联合发电的结构示意图。

图2是本发明除冰系统的控制系统示意图。

具体实施方式

参照附图1，本发明设计一套具有清洁低碳叶片消冰功能的风力发电和柔性薄膜太阳能联合发电装置，包括风力发电子系统1、柔性薄膜太阳能发电子系统2、储能及加热系统3、电能输送系统4以及控制系统5；柔性薄膜太阳能电池板21紧贴附风力发电子系统1的风机叶片前缘上，风力发电子系统1与柔性薄膜太阳能发电子系统2共用一套电能转换输送设备用于实现风和光能源联合发电。

具体来说，风力发电子系统1包括叶片11、转轴12、齿轮箱13、发电机14、机舱15和塔架16；其中转轴12、齿轮箱13和发电机14安装在机舱15内，机舱15设置在塔架16顶部，塔架16起到支撑作用。转轴12的从动端连接齿轮箱13的输入端，转轴12的主动端连接叶片11，齿轮箱13的输出端与发电机14输入端连接。工作时风能吹动叶片11转动，通过转轴12和齿轮箱13将叶片11的旋转机械能传递至发电机14前端旋转轴，从而带动发电机14进行发电，所发电力通过与发电机14连接的电能输送系统4向外输送。

柔性薄膜太阳能发电子系统2包括柔性薄膜太阳能电池板21和直流输电线路22，其中柔性薄膜太阳能电池板21吸附在风机叶片11外部前缘上，根据设计功率占叶片总长的20％。直流输电线路22埋设在叶片内部并穿过叶片通过整个风机机舱15，直流输电线路22两端分别连接柔性薄膜太阳能电池板21和电能输送系统4的逆变器41，逆变器41可将柔性薄膜太阳能电池板21发出的直流电变为与风力发电机组发电机输出一致的交流电能形式，一并通过共有变压器42与电缆43向外输送。在薄膜太阳能电池板21输出口安装一继电器23，增加一条与储能及加热系统3连接电力线路，通过继电器23随时切换电流输送线路，可随时给储能及加热系统3提供输入电流。

储能及加热系统3包括铅蓄电池储能单元31和多个加热单元32，当继电器23切换线路，柔性薄膜光伏电池板21与铅蓄电池储能单元31输入端连接为其进行充电，铅蓄电池储能单元31的输出口与加热单元32连接为加热单元提供电能，加热单元32包括电阻丝、绝缘层、导热层和隔热层，加热单元32贴附在风机叶片11内部，散发的热量通过叶片内部传导至叶片表面，用于叶片结冰后的消冰处理。

电能输送系统4包括逆变器41、变压器42和电缆43，柔性薄膜太阳能发电子系统2的输出端与逆变器41输入端连接，将其输出电能整合为与风力发电子系统发电机14产生的一样电能形式，再与变压器42输入端连接，变压器42对交流电进行整合处理，并通过电缆43一并输送至电网。

参照附图2，所述控制系统包括远程控制单元51、工控机52、风机控制器53和温度湿度传感器54以及用于风机正常运行的风速、风向、转速以及功率传感器。一方面风机控制器53和工控机52连接，工控机52和远程控制单元51连接，可随时接收远程控制室的启停指令；另一方面风机控制器53一路i/o端口与温度湿度传感器54连接，接收风机周围温度和湿度信号，另一路i/o端口与继电器23连接，控制继电器23的切换；风力发电控制器53接收风力发电子系统1监测风速、发电机转速、功率参数的传感器信息并根据控制策略作出反应。

本发明的工作原理为：

当所述风机控制器53接收到风速、发电机转速以及功率参数信息时，调整风机的运行模式，从而达到处于最佳运行状态，获取最高捕获效率，输出功率平稳。其次，风机控制器53会接收机舱外温度等环境信息，监测周围工作环境状态。

柔性薄膜太阳能电池板21贴附在风机叶片11前缘，随着叶片的转动高效地吸收太阳能能量，并转换为直流电随着直流线路输送至风机机舱的逆变器前端，实现光伏发电功能。

风机控制器53实时检测到温度传感器信息时，当温度较高时(大于0度)，不会发生叶片覆冰的情况，此时风机控制器对继电器23不进行切换工作，柔性薄膜太阳能发电子系统2可随时发电产生电能。当风机控制器53检测到温度传感器信息的温度较低时(小于0度)，风机控制器连接继电器23的i/o端口发出指令切换线路，将柔性薄膜太阳能发电子系统2产生的直流电对铅蓄能电池单元31充电，同时铅蓄能电池单元31向加热单元32提供电能。加热单元32产生热量可将因天气寒冷叶片产生的结冰进行消冰处理。