本發(fā)明屬于電子設(shè)備領(lǐng)域，尤其涉及一種光伏勵(lì)磁的風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電裝置。

背景技術(shù)：

在“能源”和“環(huán)保”倍受關(guān)注的21世紀(jì)，風(fēng)能和太陽(yáng)能的開(kāi)發(fā)利用越來(lái)越受到人們的重視。其中，風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電作為新能源利用的一個(gè)代表，具有其突出的優(yōu)點(diǎn)：(1)清潔無(wú)污染；(2)能量來(lái)源“取之不盡、用之不竭”；(3)由于風(fēng)能和太陽(yáng)能具有天然的互補(bǔ)性，所以相對(duì)于獨(dú)立的風(fēng)力發(fā)電或光伏發(fā)電而言，風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電可大大提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性；(4)分光互補(bǔ)發(fā)電不受地域限制，可解決偏遠(yuǎn)地區(qū)的生產(chǎn)生活供電問(wèn)題。

但是，現(xiàn)有的風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電裝置的結(jié)構(gòu)形式極為單一、應(yīng)用場(chǎng)合匱乏。從物理結(jié)構(gòu)上來(lái)看，通常都是采用將永磁風(fēng)力發(fā)電機(jī)和太陽(yáng)能電池板分別按上下兩層安裝在一根桿柱之上的形式；從電能轉(zhuǎn)化過(guò)程來(lái)看，通常都是將太陽(yáng)能電池板產(chǎn)生的直流電和風(fēng)力發(fā)電機(jī)產(chǎn)生的交流電經(jīng)過(guò)一系列電力變換后，經(jīng)過(guò)蓄電池儲(chǔ)能以后，由蓄電池向直流負(fù)載供電或者經(jīng)過(guò)逆變器向交流負(fù)載供電。對(duì)于這種依托桿柱而存在的結(jié)構(gòu)，存在以下缺點(diǎn)：(1)受桿柱結(jié)構(gòu)的限制，風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電的可應(yīng)用范圍有限；(2)資源利用不充分，發(fā)電容量?。?3)蓄電池和永磁鐵的使用，使發(fā)電成本升高；(4)逆變器的使用，使得功率損耗大大增加；(5)太陽(yáng)能電池板發(fā)出的直流電和風(fēng)力發(fā)電機(jī)發(fā)出的交流電同時(shí)對(duì)負(fù)載供電，不便于控制。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明涉及一種光伏勵(lì)磁的風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電裝置，它能解決現(xiàn)有風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電裝置風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電的可應(yīng)用范圍受限、資源利用不充分和發(fā)電容量小的問(wèn)題。

發(fā)明的目的是這樣實(shí)現(xiàn)的：

一種光伏勵(lì)磁的風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電裝置，它包括至少3個(gè)發(fā)電單元，多個(gè)發(fā)電單元的輸出端與dc-dc轉(zhuǎn)換器的輸入端連接，第一dc-dc轉(zhuǎn)換器的輸出端分別與蓄電池以及勵(lì)磁控制器的輸入端連接，蓄電池的輸出端分別與第二dc-dc轉(zhuǎn)換器的輸入端以及勵(lì)磁控制器的輸入端連接，第二dc-dc轉(zhuǎn)換器的輸出端與直流負(fù)載連接；勵(lì)磁控制器的輸入端還與測(cè)風(fēng)儀連接，勵(lì)磁控制器的輸出端與至少3個(gè)風(fēng)力機(jī)連接，多個(gè)風(fēng)力機(jī)并行連接，每個(gè)風(fēng)力機(jī)的輸出端與變換器的輸入端連接，變換器的輸出端與交流負(fù)載連接。

它還包括支架底座，多個(gè)發(fā)電單元在同一平面上且被均勻地固定在支架底座上，蓄電池、測(cè)風(fēng)儀、勵(lì)磁控制器均安裝在支架底座上。

上述支架底座由內(nèi)環(huán)、外環(huán)以及多根連接橋臂組成，多根連接橋臂分別連接內(nèi)環(huán)和外環(huán)，多個(gè)發(fā)電單元的兩頭分別固定在內(nèi)環(huán)和外環(huán)上。

上述蓄電池、測(cè)風(fēng)儀、勵(lì)磁控制器安裝在支架底座正中央位置。

上述發(fā)電單元包括外殼，外殼兩端設(shè)有勵(lì)磁發(fā)電機(jī)，外殼內(nèi)設(shè)有軸，軸兩端與勵(lì)磁發(fā)電機(jī)連接，軸中部設(shè)有葉片，外殼外壁包裹有太陽(yáng)能電池板，外殼上開(kāi)設(shè)有風(fēng)口。

一種用上述光伏勵(lì)磁的風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電裝置發(fā)電的方法，它包括以下步驟：

1)將光伏勵(lì)磁的風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電裝置放置于露天且位置較高處。裝置表面的太陽(yáng)能電池板在陽(yáng)光照射下，將太陽(yáng)能轉(zhuǎn)化為直流電；風(fēng)力發(fā)電機(jī)在勵(lì)磁控制器的控制作用下，將風(fēng)能轉(zhuǎn)化為交流電；

2)太陽(yáng)能電池板產(chǎn)生的直流電能經(jīng)過(guò)dc-dc變換以后被存儲(chǔ)于蓄電池中，蓄電池兼具直流負(fù)載的供電電源和n個(gè)風(fēng)力機(jī)的勵(lì)磁電源兩個(gè)功能。一方面，蓄電池經(jīng)過(guò)dc-dc變換器為直流負(fù)載供電；另一方面，蓄電池在勵(lì)磁控制器的作用下，向n個(gè)風(fēng)力機(jī)的勵(lì)磁繞組提供勵(lì)磁電流；

3)n個(gè)風(fēng)力機(jī)均采用勵(lì)磁電機(jī)，在勵(lì)磁控制器的作用下，蓄電池向勵(lì)磁繞組供電，從而風(fēng)力機(jī)將風(fēng)能轉(zhuǎn)化為交流電能；

4)n個(gè)風(fēng)力機(jī)產(chǎn)生的電能經(jīng)過(guò)n個(gè)變換器被調(diào)整為相同的電壓，然后為交流負(fù)載供電；

5)測(cè)風(fēng)儀作為勵(lì)磁控制器的控制依據(jù)，被安裝于支架底座正中央，可以感知任意時(shí)刻的風(fēng)速和風(fēng)向；

6)勵(lì)磁控制器可以根據(jù)測(cè)風(fēng)儀測(cè)得的風(fēng)速、風(fēng)向以及功率需求，智能調(diào)節(jié)蓄電池供給風(fēng)力機(jī)勵(lì)磁繞組的勵(lì)磁電流大小，實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定功率輸出。

在步驟6中，智能調(diào)節(jié)蓄電池供給風(fēng)力機(jī)勵(lì)磁繞組的勵(lì)磁電流大小，實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定功率輸出的程序框圖如圖5所示，具體調(diào)節(jié)步驟如下：

1)設(shè)定交流負(fù)載所需的功率即額定功率為pn，瞬時(shí)輸出功率為p；設(shè)n個(gè)風(fēng)力機(jī)的瞬時(shí)勵(lì)磁電流分別為i1、i2、i3……in；設(shè)最大勵(lì)磁電流為i，當(dāng)風(fēng)速方向與某一發(fā)電單元垂直時(shí)，為使該發(fā)電單元的風(fēng)力機(jī)能夠最大限度地被利用，則該風(fēng)力機(jī)所需勵(lì)磁電流即i；

2)測(cè)風(fēng)儀在某一時(shí)刻監(jiān)測(cè)到的風(fēng)速方向如圖4所示，可測(cè)得風(fēng)速方向與n個(gè)發(fā)電單元的夾角依次為θ1、θ2、θ3……θn；

3)勵(lì)磁控制器每隔1秒鐘就采樣一次實(shí)時(shí)風(fēng)速方向，并計(jì)算新一時(shí)刻的θ1、θ2、θ3……θn；

4)設(shè)測(cè)風(fēng)儀監(jiān)測(cè)到的某一時(shí)刻的風(fēng)力強(qiáng)度為f，則該風(fēng)力施加在n個(gè)發(fā)電單元上的等效風(fēng)力強(qiáng)度依次為：f1＝f*sinθ1、f2＝f*sinθ2、f3＝f*sinθ3……fn＝f*sinθn；設(shè)定最大勵(lì)磁電流的經(jīng)驗(yàn)值i，為了使各風(fēng)力機(jī)的有功出力與等效風(fēng)力強(qiáng)度相適應(yīng)，則n個(gè)風(fēng)力機(jī)的勵(lì)磁電流分別為：i1＝i*sinθ1、i2＝i*sinθ2、i3＝i*sinθ3……in＝i*sinθn；

5)反饋瞬時(shí)輸出功率p，并計(jì)算瞬時(shí)功率與額定功率之比α＝p/pn；

6)判斷α是否等于1。當(dāng)判定結(jié)果為“是”時(shí)，輸出瞬時(shí)輸出功率p；否則，對(duì)勵(lì)磁電流進(jìn)行修正，方法是調(diào)節(jié)n個(gè)風(fēng)力機(jī)的勵(lì)磁電流使修正勵(lì)磁電流i1′＝i1/α、i2′＝i2/α、i3′＝i3/α……in′＝in/α；

采用上述結(jié)構(gòu)，具有如下有益效果：

(1)此裝置是一種全新的風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電設(shè)備，采用多個(gè)發(fā)電單元水平均勻放置，相比于傳統(tǒng)的桿柱式固定結(jié)構(gòu)的風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電裝置而言，此裝置能夠全方位接收能量，無(wú)疑大大提高了風(fēng)能的利用效率，從而提高了此裝置的帶負(fù)載能力；

(2)此裝置中光伏發(fā)電部分的主要作用是作為風(fēng)力機(jī)的勵(lì)磁電源，而非傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)中的直流負(fù)載的供電電源，光伏發(fā)電部分的這一本質(zhì)功能上的變化，為風(fēng)力發(fā)電機(jī)采用勵(lì)磁電機(jī)創(chuàng)造了必要條件。勵(lì)磁電機(jī)相比于永磁電機(jī)具有成本低、體積小、重量輕、功率大和可靠性高等諸多優(yōu)點(diǎn)，唯一的缺點(diǎn)是需要為其設(shè)計(jì)勵(lì)磁電源；然而，傳統(tǒng)的桿柱式結(jié)構(gòu)的風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電裝置由于其應(yīng)用場(chǎng)合的局限性，比如在較高的桿柱頂端、遠(yuǎn)離電源的野外等場(chǎng)合，為其設(shè)計(jì)勵(lì)磁電源顯然不可能，所以傳統(tǒng)的風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電裝置均采用永磁電機(jī)，從而降低了性能。此裝置將光伏發(fā)電部分設(shè)計(jì)為勵(lì)磁電源，無(wú)論是在位置較高處，還是在遠(yuǎn)離電源的野外，均能提供穩(wěn)定的勵(lì)磁電流，從而使得風(fēng)力機(jī)能夠采用性能突出的勵(lì)磁電機(jī)；

(3)適應(yīng)能力強(qiáng)，應(yīng)用范圍廣。一方面因?yàn)榇搜b置各組成部分均被牢靠固定，且太陽(yáng)能電池板緊貼于裝置外表面，因而提高了機(jī)械穩(wěn)定性及其抗大風(fēng)惡劣天氣的能力；另一方面，此裝置能夠提供較大功率，因而可以應(yīng)用于很多大功率場(chǎng)合；

(4)測(cè)風(fēng)儀和勵(lì)磁控制器的協(xié)同利用，可以根據(jù)風(fēng)向的改變合理調(diào)控多個(gè)風(fēng)力機(jī)的勵(lì)磁電流大小，進(jìn)而合理分配了多個(gè)風(fēng)力機(jī)各自所承擔(dān)的功率任務(wù)，避免了部分風(fēng)力機(jī)過(guò)載、而另一部分風(fēng)力機(jī)無(wú)法充分利用等問(wèn)題的出現(xiàn)，即提高了整個(gè)系統(tǒng)的穩(wěn)定性，也大大增強(qiáng)了風(fēng)力機(jī)的使用壽命；

(5)此裝置中的多個(gè)風(fēng)力機(jī)均無(wú)需為其專(zhuān)門(mén)設(shè)計(jì)調(diào)向裝置，即使工作于風(fēng)向急劇變化的惡劣環(huán)境下，裝置也能夠通過(guò)主動(dòng)調(diào)整勵(lì)磁策略而實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定功率輸出。這一優(yōu)點(diǎn)不僅省去了傳統(tǒng)風(fēng)力機(jī)中繁瑣的對(duì)風(fēng)裝置，簡(jiǎn)化了生產(chǎn)工序，節(jié)約了成本，而且還提升了系統(tǒng)的機(jī)械穩(wěn)定性；

附圖說(shuō)明

下面結(jié)合4發(fā)電單元結(jié)構(gòu)的附圖和實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步說(shuō)明：

圖1為本發(fā)明的結(jié)構(gòu)框圖；

圖2為本發(fā)明整體結(jié)構(gòu)示意圖；

圖3為圖2中發(fā)電單元的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖4為本發(fā)明中風(fēng)速方向與發(fā)電單元角度關(guān)系圖；

圖5本發(fā)明的控制框圖。

具體實(shí)施方式

如圖1至圖3所示，一種光伏勵(lì)磁的風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電裝置，它包括四個(gè)發(fā)電單元，分別為第一發(fā)電單元1、第二發(fā)電單元2、第三發(fā)電單元3以及第四發(fā)電單元4，四個(gè)發(fā)電單元的輸出端與dc-dc轉(zhuǎn)換器5的輸入端連接，第一dc-dc轉(zhuǎn)換器5的輸出端分別與蓄電池6以及勵(lì)磁控制器7的輸入端連接，蓄電池6的輸出端分別與第二dc-dc轉(zhuǎn)換器8的輸入端以及勵(lì)磁控制器7的輸入端連接，第二dc-dc轉(zhuǎn)換器8的輸出端與直流負(fù)載9連接；勵(lì)磁控制器7的輸入端還與測(cè)風(fēng)儀10連接，勵(lì)磁控制器7的輸出端與至少2個(gè)風(fēng)力機(jī)11連接，多個(gè)風(fēng)力機(jī)11并行連接，每個(gè)風(fēng)力機(jī)11的輸出端與變換器12的輸入端連接，變換器12的輸出端與交流負(fù)載13連接。

它還包括支架14，4個(gè)發(fā)電單元在同一平面上兩兩相互垂直固定在支架14上，蓄電池6、測(cè)風(fēng)儀10、勵(lì)磁控制器7均安裝在支架14上。

所述支架14由內(nèi)環(huán)、外環(huán)以及四根連接橋臂組成，四根連接橋臂分別連接內(nèi)環(huán)和外環(huán)，四個(gè)發(fā)電單元的兩頭分別固定在內(nèi)環(huán)和外環(huán)上。

所述蓄電池6、測(cè)風(fēng)儀10、勵(lì)磁控制器7安裝在支架14中部。

所述發(fā)電單元包括外殼15，外殼15兩端設(shè)有勵(lì)磁發(fā)電機(jī)16，外殼15內(nèi)設(shè)有軸17，軸17兩端與勵(lì)磁發(fā)電機(jī)16連接，軸17中部設(shè)有葉片18，外殼15外壁包裹有太陽(yáng)能電池板19，外殼15上開(kāi)設(shè)有風(fēng)口20。

一種用所述光伏勵(lì)磁的風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電裝置發(fā)電的方法，其特征在于，它包括以下步驟：

1)將此裝置放置于露天且位置較高處，即可產(chǎn)生電能，裝置表面的太陽(yáng)能電池板在陽(yáng)光照射下，將太陽(yáng)能轉(zhuǎn)化為直流電；風(fēng)力發(fā)電機(jī)在勵(lì)磁控制器的控制作用下，將風(fēng)能轉(zhuǎn)化為交流電；

2)太陽(yáng)能電池板產(chǎn)生的直流電能經(jīng)過(guò)dc-dc變換以后被存儲(chǔ)于蓄電池中，蓄電池兼具直流負(fù)載的供電電源和4個(gè)風(fēng)力機(jī)的勵(lì)磁電源，一方面，蓄電池經(jīng)過(guò)dc-dc變換器為直流負(fù)載供電；另一方面，蓄電池在勵(lì)磁控制器的作用下，向4個(gè)風(fēng)力機(jī)的勵(lì)磁繞組提供勵(lì)磁電流。

3)4個(gè)風(fēng)力機(jī)的安裝相對(duì)位置如圖2所示，呈東南西北四個(gè)方向，可以多方位接受風(fēng)能。四個(gè)風(fēng)力機(jī)均采用勵(lì)磁電機(jī)，在勵(lì)磁控制器的作用下，蓄電池向勵(lì)磁繞組供電，從而風(fēng)力機(jī)將風(fēng)能轉(zhuǎn)化為交流電能。

4)4個(gè)風(fēng)力機(jī)產(chǎn)生的電能經(jīng)過(guò)4個(gè)變換器被調(diào)整為相同的電壓，然后為交流負(fù)載供電。

5)測(cè)風(fēng)儀作為勵(lì)磁控制器的控制依據(jù)，被安裝于裝置正中央，可以感知任意時(shí)刻的風(fēng)速和風(fēng)向。其中，風(fēng)速方向與4個(gè)發(fā)電單元的角度關(guān)系如圖4所示。

6)勵(lì)磁控制器可以根據(jù)測(cè)風(fēng)儀測(cè)得的風(fēng)速、風(fēng)向以及功率需求，智能調(diào)節(jié)蓄電池供給風(fēng)力機(jī)勵(lì)磁繞組的勵(lì)磁電流大小，實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定功率輸出。

其具體調(diào)節(jié)方法如下：

1)設(shè)定交流負(fù)載所需的功率即額定功率為pn，瞬時(shí)輸出功率為p；設(shè)4個(gè)風(fēng)力機(jī)的瞬時(shí)勵(lì)磁電流分別為i1、i2、i3、i4；設(shè)最大勵(lì)磁電流為i，當(dāng)風(fēng)速方向與某一發(fā)電單元垂直時(shí)，為使該發(fā)電單元的風(fēng)力機(jī)能夠最大限度地被利用，則該風(fēng)力機(jī)所需勵(lì)磁電流即i；

2)測(cè)風(fēng)儀在某一時(shí)刻監(jiān)測(cè)到的風(fēng)速方向如圖4所示，可測(cè)得風(fēng)速方向與n個(gè)發(fā)電單元的夾角依次為θ1、θ2、θ3、θ4；

3)勵(lì)磁控制器每隔1秒鐘就采樣一次實(shí)時(shí)風(fēng)速方向，并計(jì)算新一時(shí)刻的θ1、θ2、θ3、θ4；

4)設(shè)測(cè)風(fēng)儀監(jiān)測(cè)到的某一時(shí)刻的風(fēng)力強(qiáng)度為f，則該風(fēng)力施加在4個(gè)發(fā)電單元上的等效風(fēng)力強(qiáng)度依次為：f1＝f*sinθ1、f2＝f*sinθ2、f3＝f*sinθ3、f4＝f*sinθ4；設(shè)定最大勵(lì)磁電流的經(jīng)驗(yàn)值i，為了使各風(fēng)力機(jī)的有功出力與等效風(fēng)力強(qiáng)度相適應(yīng)，則4個(gè)風(fēng)力機(jī)的勵(lì)磁電流分別為：i1＝i*sinθ1、i2＝i*sinθ2、i3＝i*sinθ3、i4＝i*sinθ4；

5)反饋瞬時(shí)輸出功率p，并計(jì)算瞬時(shí)功率與額定功率之比α＝p/pn；

6)判斷α是否等于1。當(dāng)判定結(jié)果為“是”時(shí)，輸出瞬時(shí)輸出功率p；否則，對(duì)勵(lì)磁電流進(jìn)行修正，方法是調(diào)節(jié)4個(gè)風(fēng)力機(jī)的勵(lì)磁電流使修正勵(lì)磁電流i1′＝i1/α、i2′＝i2/α、i3′＝i3/α、i4′＝in/α；

采用上述結(jié)構(gòu)，使用時(shí)，此裝置中采用4個(gè)發(fā)電單元按東南西北方向放置，相比于傳統(tǒng)桿柱式結(jié)構(gòu)的風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電裝置，大大提高了風(fēng)能的利用效率、從而增強(qiáng)了帶負(fù)載能力；減小了風(fēng)力變化對(duì)輸出功率大小的影響，從而提高了此裝置的帶負(fù)載能力；此裝置中光伏發(fā)電部分的主要作用是作為風(fēng)力機(jī)的勵(lì)磁電源，而非傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)中的直流負(fù)載的供電電源，光伏發(fā)電部分的這一本質(zhì)功能上的變化，為風(fēng)力發(fā)電機(jī)能夠采用較永磁電機(jī)性能更突出勵(lì)磁電機(jī)創(chuàng)造了必要條件；此裝置適應(yīng)能力強(qiáng)，應(yīng)用范圍廣。一方面因?yàn)榇搜b置各組成部分均被牢靠固定，且太陽(yáng)能電池板緊貼于裝置外表面，因而提高了機(jī)械穩(wěn)定性及其抗大風(fēng)惡劣天氣的能力；另一方面，此裝置能夠提供較大功率，因而可以應(yīng)用于很多大功率場(chǎng)合；測(cè)風(fēng)儀和勵(lì)磁控制器的協(xié)同利用，可以根據(jù)風(fēng)向的改變合理調(diào)控4個(gè)風(fēng)力機(jī)的勵(lì)磁電流大小，進(jìn)而合理分配了4個(gè)風(fēng)力機(jī)各自所承擔(dān)的功率任務(wù)，避免了部分風(fēng)力機(jī)過(guò)載、而另一部分風(fēng)力機(jī)無(wú)法充分利用等問(wèn)題的出現(xiàn)，即提高了整個(gè)系統(tǒng)的穩(wěn)定性，也大大增強(qiáng)了風(fēng)力機(jī)的使用壽命；此裝置中的4個(gè)風(fēng)力機(jī)均無(wú)需為其專(zhuān)門(mén)設(shè)計(jì)調(diào)向裝置，即使工作于風(fēng)向急劇變化的惡劣環(huán)境下，裝置也能夠通過(guò)主動(dòng)調(diào)整勵(lì)磁策略而實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定功率輸出。這一優(yōu)點(diǎn)不僅省去了傳統(tǒng)風(fēng)力機(jī)中繁瑣的對(duì)風(fēng)裝置，簡(jiǎn)化了生產(chǎn)工序，節(jié)約了成本，而且還提升了系統(tǒng)的機(jī)械穩(wěn)定性。