专利名称：风光互补发电集成装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种发电集成装置，具体涉及一种风光互补发电集成装置。
背景技术：
太阳能与风能在时间和地域上都有很强的互补性，白天太阳光最强时，风很小，晚上光照很弱，但由于地表温差变化大而风能加强。太阳能与风能相互配合利用，扬长避短， 就能充分发挥两者最大的作用。综合考虑太阳能和风能在多方面的互补特性而建立起来的风光互补发电系统是一种经济合理的供电方式，可以实现多能源互补，提高可再生能源的利用率，满足人民生活和生产中对连续能源的需求。风光互补发电装置是风光互补发电系统中的重要组成部分，是风光互补发电的载体。目前，绝大部分有关风光互补发电系统的研究都将重点放在风力发电、光伏发电以及蓄电池充放电的控制策略上，即重点研究风能和太阳能最大功率点跟踪控制策略，很少涉及对风光互补发电装置的机构与控制方法的集成与优化研究，导致目前大多数风光互补发电装置都只是光伏发电装置与风力发电装置的简单组合，相互之间在机构上没有紧密连接关系，存在占用空间大且相互干扰的问题，大大制约了风光互补发电效率的进一步提高。在船舶、海洋工程平台等风光互补发电的应用场合，由于其本身空间范围有限，迫切需要结构紧凑、相互之间机构关联度高的风光互补发电装置。同时，船舶所处环境风向多变且风速变化频率和幅度均较陆地上强烈，一般的小型水平轴风力发电机虽然可通过尾翼偏航作用令机身在水平面360度旋转，随时跟风，使风轮扫掠面积总是垂直于主风向，达到 “迎风”目的，但船上风向变化频率过快，往往会使尾翼来不及发挥偏航作用，致使机身无法实现随时迎风调节，因此，选择无需使用迎风调节机构的垂直轴风力发电机，并使之与光伏发电装置耦合连接，形成集成度高、结构优化且驱动元件少、控制灵活方便的一体化风光互补发电装置，对真正实现风光互补发电装置中光伏发电装置与风力发电装置互不干扰且互为补充的集成目标意义重大。
发明内容
发明目的本发明的目的在于提供一种风光互补发电集成装置，以弥补传统发电集成装置的不足。技术方案为达到上述目的，本发明提供了一种风光互补发电集成装置，所述集成装置包括光伏发电伺服平台、连接装置和风力发电机，所述连接装置与光伏发电伺服平台和风力发电机连接，所述光伏发电伺服平台位于连接装置的顶部，所述风力发电机位于连接装置的底部。所述光伏发电伺服平台包括光伏组件安装板、组件安装板俯仰角转轴、光伏发电伺服平台支架底板、方位角伺服电机、俯仰角伺服电机、滚珠丝杠副的螺母、滚珠丝杠副的丝杠、连接推杆和铰链，所述光伏组件安装板的末端通过组件安装板俯仰角转轴与光伏发电伺服平台支架底板连接，所述俯仰角伺服电机安装在光伏发电伺服平台支架底板上，俯仰角伺服电机的输出转轴与滚珠丝杠副的丝杠的一端连接，滚珠丝杠副的丝杠另一端与光伏发电伺服平台支架底板连接，滚珠丝杠副的丝杠上设置有螺母，螺母通过铰链和连接推杆与光伏组件安装板倾斜式相连，所述方位角伺服电机安装在光伏发电伺服平台下方的连接装置的支撑板上。所述连接装置包括连接装置底板、连接装置顶板、位于连接装置底板和连接装置顶板之间的水平转轴锥齿轮和垂直转轴锥齿轮、位于垂直转轴锥齿轮底部的垂直转轴锥齿轮支撑座、位于垂直转轴锥齿轮顶部的光伏平台电磁离合器、垂直转轴锥齿轮支撑座内的风机转轴电磁离合器、支撑连接装置底板与连接装置顶板的连接装置支撑板一和连接装置支撑板二。所述风力发电机包括集成装置底部的发电机、固定发电机的风力发电机外框架、 位于风力发电机外框架内部以及发电机上方的风力发电机叶片、风力发电机中心的风力发电机转轴。风光互补发电集成装置的控制系统包括控制系统硬件和控制系统软件。所述控制系统硬件包括组件安装板俯仰角转轴、方位角伺服电机、光伏平台电磁离合器、俯仰角伺服电机、光伏平台方位角转轴、微处理器、方位角伺服电机驱动器、D/A转换模块、俯仰角伺服电机驱动器、触摸屏接口、外接天线模块、无线通信网络收发节点控制器和风机转轴电磁离合器。所述控制系统软件包括系统初始化模块、驱动装置控制模块、人机界面模块和无线通信模块。有益效果本发明的风光互补发电集成装置由三个部分组成，光伏发电伺服平台能够实现光伏电池板精确平稳地实时跟踪太阳高度角和太阳方位角的变化，使平板光伏组件受光面时刻自动正对太阳光；连接装置能够将光伏发电装置与垂直轴风力发电装置有机连接在一起，有效减少风光互补发电装置的占地空间；风力发电机能够通过集成装置，与光伏发电装置共用动力系统，实现垂直轴风力发电机的自启动运行控制，从而有效解决低风速情况下垂直轴风力发电机自启动困难的问题。本发明的风光互补发电集成装置的控制系统，采用基于ARM架构的32位微处理器为核心控制元件，具有较强的数据处理能力和较多的接口类型，软件和外围硬件的可扩展性强，有利于充分利用各种嵌入式系统控制技术和资源，进一步提高风光互补发电系统的自动化程度，便于实现远程自动控制。
图1为本发明的风光互补发电集成装置结构组成示意图2为本发明的风光互补发电集成装置中的连接装置结构示意图； 图3为本发明的风光互补发电集成装置控制系统硬件结构图； 图4为本发明的风光互补发电集成装置控制系统软件功能模块图； 图5为本发明的驱动装置控制模块软件流程图。
具体实施例方式下面通过具体实施例，并结合附图对本发明的技术方案作进一步具体说明。如图1、图2所示，风光互补发电集成装置由光伏发电伺服平台、连接装置和风力发电机三个部分组成，各部分详细组成如下光伏发电伺服平台包括光伏组件安装板1、组件安装板俯仰角转轴2、光伏发电伺服平台支架底板3、方位角伺服电机5、俯仰角伺服电机13、滚珠丝杠副的螺母14、滚珠丝杠副的丝杠15、连接推杆16和铰链17，所述光伏组件安装板1的末端通过组件安装板俯仰角转轴2与光伏发电伺服平台支架底板3连接，光伏组件安装板1能够绕组件安装板俯仰角转轴2相对于光伏发电伺服平台支架底板3在0° 90°范围内转动，所述俯仰角伺服电机 13安装在光伏发电伺服平台支架底板3上，俯仰角伺服电机13的输出转轴与滚珠丝杠副的丝杠15的一端连接，滚珠丝杠副的丝杠15另一端与光伏发电伺服平台支架底板3连接，滚珠丝杠副的丝杠15上设置有螺母14，螺母14通过铰链17和连接推杆16与光伏组件安装板1倾斜式相连，所述方位角伺服电机5安装在光伏发电伺服平台下方的连接装置的支撑板洸上。为了实现光伏电池板正对太阳光的视日控制，分别以方位角伺服电机5和俯仰角伺服电机13为驱动动力源，再配以一定的传动和控制系统，完成光伏发电伺服平台的方位角转轴观和俯仰角转轴2这两个轴的伺服定位控制。首先，方位角伺服电机5安装在连接装置的支撑板26上，其输出水平转轴32经轴承30和31的支撑传动，与水平转轴锥齿轮4 相连，水平转轴锥齿轮4与垂直转轴锥齿轮18啮合，将转动力矩传至连接轴36，连接轴36 通过光伏平台电磁离合器11可将转动力矩传至光伏平台方位角转轴观，带动光伏发电伺服平台支架底板3旋转，完成第一个轴向的伺服驱动控制。其次，俯仰角伺服电机13安装在光伏发电伺服平台支架底板3上，其输出转轴与滚珠丝杠副中的丝杠15相连接，通过丝杠15的转动带动滚珠丝杠副上的螺母14水平移动，螺母14通过铰链17和连接推杆16与光伏组件安装板1连接，可以推动光伏组件安装板1绕其一端的俯仰角转轴2相对于光伏发电伺服平台支架底板3作俯仰转动，从而完成第二个轴向的伺服驱动控制。连接装置包括连接装置底板10、连接装置顶板12、位于连接装置底板10和连接装置顶板12之间的水平转轴锥齿轮4和垂直转轴锥齿轮18、位于垂直转轴锥齿轮18底部的垂直转轴锥齿轮支撑座9、位于垂直转轴锥齿轮18顶部的光伏平台电磁离合器11、垂直转轴锥齿轮支撑座9内的风机转轴电磁离合器、支撑连接装置底板10与连接装置顶板12 的连接装置支撑板一 26和连接装置支撑板二 27。以光伏平台电磁离合器11为例，其工作原理为电磁离合器内摩擦片22上有内齿与传动轴套25相配合，外摩擦片21的外缘上有槽与外连接件20的凸齿相配合；平时由外摩擦片21上翘起的爪的弹性使内、外摩擦片互相分离，不传递转矩；当线圈M通电后，可产生磁通，吸引衔铁23将内摩擦片22和外摩擦片21压紧，使内、外摩擦片互相结合，一起转动，将转矩从与外连接件20相连接的垂直转轴锥齿轮18传递至与传动轴套25相连接的光伏平台方位角转轴28。与之相类似的，风力发电机转轴33上的转矩也是从垂直转轴锥齿轮 18传递而来的，所不同的是传动路线，是由与锥齿轮18同轴(连接轴36)相连的另一个电磁离合器的外连接件35，在线圈通电后经相互结合的内外摩擦片传至与传动轴套四相连接的风力发电机转轴33。上述两个电磁离合器的磁轭19和34分别与连接装置的顶板12和底板10固定连接。两个离合器的外连接件20和35通过连接轴36与垂直转轴锥齿轮18固定连接，并由安装在垂直轴锥齿轮支撑座9上的轴承37支撑传动。上述两个电磁离合器的线圈只能分时通电结合，不能同时通电，从而根据不同的控制要求，将方位角伺服电机5的旋转运动分别有选择地传递输出至光伏平台方位角转轴28和风力发电机转轴33。
风力发电机包括集成装置底部的发电机6、固定发电机6的风力发电机外框架7、 位于风力发电机外框架7内部以及发电机6上方的风力发电机叶片8、风力发电机中心的风力发电机转轴33。风力推动若干组风力发电机叶片8带动风力发电机转轴33旋转，风力发电机转轴 33与发电机6的输入轴相连接，带动发电机发电工作。当风速过小时，垂直轴风力发电机的启动较为困难，此时可以通过方位角伺服电机5经传动系统带动风力发电机转轴33旋转， 实现自启动运行，待转速一定后，再切除该传动路线。如附图3所示，风光互补发电集成装置控制系统硬件部分以微处理器38为核心控制元件，起到前端角位移传感器信号的采集、处理以及后端输出控制信号的作用，该控制元件采用ARM920T内核的高性能的32位处理器S3C2440，其主频高达400MHz，采用5级流水线和哈佛结构，(具有通用10、ADC、SPI、PWM等多种类型的数据接口)。通过触摸屏接口 42所构成的触摸屏人机界面可对风光互补发电集成装置控制系统进行工作模式与参数的设定以及工作状况的实时监控。微处理器38通过各自相应的绝对式光电轴角编码器检测采集组件安装板俯仰角转轴2和光伏平台方位角转轴观的角位移量，同时通过光耦隔离接收俯仰角伺服电机驱动器41和方位角伺服电机驱动器39的状态信号。由于光伏发电伺服平台的俯仰角为0° 90°，方位角为0° 360°，均在转动一圈范围之内，无需考虑转动圈数，因此方位角和俯仰角的测量均采用数字化角度传感器——绝对式光电编码器。绝对式光电编码器具有零点固定、抗干扰能力强的优点，所对应的每一个角位置都有特定的通光与不通光状态，全周内没有重复的状态，都是单值函数，经光电信号提取和电路处理， 输出连续的自然二进制码。微处理器38将采集到的双轴角位移量与当前时间太阳能跟踪所设定的双轴角位移值进行对比，经相应的控制策略(如智能PID控制算法)分析计算后， 得出偏差数字量控制值，经光耦隔离输出至D/A转换模块40，得到模拟量控制信号，分别通过俯仰角伺服电机驱动器41和方位角伺服电机驱动器39去控制俯仰角伺服电机13和方位角伺服电机5的转动角度，此两轴的转动角度控制再经过各自相应的传动装置分别实现对组件安装板俯仰角转轴2和光伏平台方位角转轴观的转角控制。D/A转换模块40采用双路12位串行数模转换芯片DAC7612，其内部有2个12位DAC寄存器。微处理器38在软件程序控制下，通过IO引脚经光耦隔离控制外部继电器线圈的通电与断电，分别实现对光伏平台电磁离合器11和风机转轴电磁离合器45的结合与分离控制。微处理器38还与无线通信网络收发节点控制器44相连接，用以实现各种监控数据的无线远程传送。无线通信网络收发节点控制器44采用用来实现嵌入式ZigBee应用的片上系统CC2430芯片，支持 2.4GHz IEEE 802. 15. 4/ZigBee协议。微处理器38通过自带的同步串行外设接口 SPI接口与CCM30自带的SPI接口相连接，CC2430再通过其内部的无线射频收发器与外接天线模块43相连接，便可与无线通信网络进行数据通信。微控制器外围还扩展了 FLASH程序存储器、SDRAM数据存储器等外设以及构成嵌入式系统所必需的电源、晶振电路、复位电路、JTAG 接口等。如附图4、图5所示，风光互补发电集成装置控制系统软件主要由系统初始化模块 46、驱动装置控制模块47、人机界面模块48和无线通信模块49组成。各主要模块的具体原理和功能说明如下
系统初始化模块46的功能是当微处理器38上电开始执行控制程序前，实现对所有I/O引脚和其它相关模块和寄存器的初始化编程，设置控制系统所需要的工作模式，重点是进行时钟晶振、看门狗电路、定时/计数器和各个端口的初始化。驱动装置控制模块47的功能是针对光伏发电平台的双轴伺服控制以及风力发电机的自启动控制，完成定时采集输入数据、计算控制量、输出控制量的工作。该模块程序首先判别是否执行风力发电机的自启动运行控制，然后将控制重点放在双轴伺服定位控制上。为了精确确定微处理器每次采样的周期，使用微处理器S3C2440的内部定时器，在每个控制周期到来时，设置定时器的时间常数，完成控制量计算等工作后查询定时器溢出标志位，若为1，则定时时间到，否则等待定时周期到来。控制周期到来后，微处理器首先分别通过相应的编码器读取光伏发电伺服平台的当前方位角位移数据以及组件安装板的当前俯仰角位移数据，根据指令信号求解出当前系统的位置误差信号，并依据事先设定的控制算法(如智能PID控制算法)计算得到控制量，再经过必要的处理(如数据平移、限幅)之后， 输出控制信号。由于微处理器S3C2440输出的控制量为数字信号，而驱动变频器需要的是模拟信号，因此控制量必须经过数/模转换后，才可以作为控制信号输入伺服电机驱动器。人机界面模块48的功能是配合驱动装置控制模块47的运行，用以显示控制模式与设计参数，以及驱动装置控制模块47的各种相关监控运行数据。无线通信模块49的功能是配合驱动装置控制模块47的运行，通过无线通信网络，将驱动装置控制模块47的各种相关监控运行数据，以定时的方式从无线通信网络收发节点控制器44向所属的无线网络路由器发送，进而再通过网络协调器以及网关在远程监控中心和风光互补发电监控对象之间传递监控数据。
权利要求
1.一种风光互补发电集成装置，其特征在于所述集成装置包括光伏发电伺服平台、 连接装置和风力发电机，所述连接装置与光伏发电伺服平台和风力发电机连接，所述光伏发电伺服平台位于连接装置的顶部，所述风力发电机位于连接装置的底部。
2.根据权利要求1所述的风光互补发电集成装置，其特征在于所述光伏发电伺服平台包括光伏组件安装板(1)、组件安装板俯仰角转轴(2)、光伏发电伺服平台支架底板(3)、 方位角伺服电机(5)、俯仰角伺服电机(13)、滚珠丝杠副的螺母(14)、滚珠丝杠副的丝杠 (15)、连接推杆(16)和铰链(17)，所述光伏组件安装板(1)的末端通过组件安装板俯仰角转轴(2)与光伏发电伺服平台支架底板(3)连接，所述俯仰角伺服电机(13)安装在光伏发电伺服平台支架底板(3)上，俯仰角伺服电机(13)的输出转轴与滚珠丝杠副的丝杠(15)的一端连接，滚珠丝杠副的丝杠(15)另一端与光伏发电伺服平台支架底板(3)连接，滚珠丝杠副的丝杠(15)上设置有螺母(14)，螺母(14)通过铰链(17)和连接推杆(16)与光伏组件安装板(1)倾斜式相连，所述方位角伺服电机(5)安装在光伏发电伺服平台下方的连接装置的支撑板(26)上。
3.根据权利要求1所述的风光互补发电集成装置，其特征在于所述连接装置包括连接装置底板(10)、连接装置顶板(12)、位于连接装置底板(10)和连接装置顶板(12)之间的水平转轴锥齿轮(4)和垂直转轴锥齿轮(18)、位于垂直转轴锥齿轮(18)底部的垂直转轴锥齿轮支撑座(9)、位于垂直转轴锥齿轮(18)顶部的光伏平台电磁离合器(11)、垂直转轴锥齿轮支撑座(9 )内的风机转轴电磁离合器、支撑连接装置底板(10 )与连接装置顶板(12 )的连接装置支撑板一(26 )和连接装置支撑板二( 27 )。
4.根据权利要求1或2所述的风光互补发电集成装置，其特征在于所述风力发电机包括集成装置底部的发电机(6)、固定发电机(6)的风力发电机外框架(7)、位于风力发电机外框架(7)内部以及发电机(6)上方的风力发电机叶片(8)、风力发电机中心的风力发电机转轴(33)。
全文摘要
本发明公开了一种风光互补发电集成装置，所述集成装置包括光伏发电伺服平台、连接装置和风力发电机，所述连接装置与光伏发电伺服平台和风力发电机连接，所述光伏发电伺服平台位于连接装置的顶部，所述风力发电机位于连接装置的底部。本发明集成装置将风力发电装置与光伏发电装置有机地结合在一起，互不干扰且互为补充，既利用光伏发电装置的伺服电机解决了垂直轴风力发电机的自启动问题，又利用垂直轴风力发电机的顶部多余空间解决了风光互补发电系统中光伏发电伺服平台占用空间的问题，发电集成装置的控制系统，有利于充分利用各种嵌入式系统控制技术和资源，进一步提高风光互补发电系统的自动化程度，便于实现远程自动控制。
文档编号H02J9/00GK102394509SQ20111032004
公开日2012年3月28日 申请日期2011年10月20日 优先权日2011年10月20日
发明者孙兵 申请人:南通纺织职业技术学院