固體蓄熱式風力二次發電裝置及其控制方法
2023-04-27 09:44:41 1
固體蓄熱式風力二次發電裝置及其控制方法
【專利摘要】本發明涉及一種風力發電機，特別是涉及一種能量二次轉換的風力發電機。其目的是為了提供一種在保護風力發電機的同時提高風能利用率、可穩定地輸出電能的固體蓄熱式風力二次發電裝置及其控制方法。本發明固體蓄熱式風力二次發電裝置包括風力發電機、耐熱變頻風機、至少3個蓄熱箱、蒸汽發生器、三個預熱器、汽輪發電機、冷凝器、抽氣器、除氧器、總控制器、電磁繼電器組和傳感系統，蓄熱箱上設進氣孔和出氣孔，出氣孔處設電磁閥門，蓄熱箱內的蓄熱體內設氣流通孔，氣流通孔中設相互串聯的電阻絲；電磁繼電器組包括與各電阻絲分別並聯的電磁開關繼電器和與各電阻絲串聯的電磁開關繼電器，電磁繼電器組控制各電阻絲的導通狀態和總電阻。
【專利說明】固體蓄熱式風力二次發電裝置及其控制方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及一種風力發電機，特別是涉及一種能量二次轉換的風力發電機。
【背景技術】
[0002]現有的風力發電機由於風力不穩定，所發出的電能也是不穩定的，有風、無風、風大、風小這些狀況隨著時間變化是無法抗拒的自然現象。由於這個不穩定因素，現有的風力發電系統很難直接與電力負載系統匹配。而目前的電力輸配系統，只有通過特有的複雜技術設備和體系，才能對風力所發電能進行有限的吸收和兼容，這種複雜的技術設備和體系導致成本巨大，這是目前風力發電系統得不到廣泛應用的主要原因。如果利用蓄電池組蓄積風電在技術上雖然是可行的，但關鍵問題是需要特大的蓄電池組才能滿足蓄電的需求，全世界目前沒有哪個國家採用這個方法蓄能，其原因是投資造價十分巨大，得不償失。目前我國風資源最豐富的地區(如內蒙古)，投人大量資金建了很多的風電場，由於上述的原因，風電場「棄風」現象十分嚴重，大量的風力資源被白白浪費，無法有效利用。
[0003]先將風力發電機發出的電能通過電阻絲轉換為熱能，將熱能存儲在固定蓄熱介質中，然後利用循環換熱空氣將固體蓄熱介質中存儲的熱能換出從而利用汽輪發電機發電是一種可能的途徑。但這其中要解決以下一些實際問題:
[0004]1、風力發電機在不同的風力風速下，所發出的電壓和電流不同，而風力發電機有一個最高允許工作電流，所以電阻絲的電阻不能過小。另一方面，電阻絲的電阻越大，則其發熱功率越小，不能充分的將電能轉換為熱能。因此，如何在保證風力發電機安全的同時根據實際工況最大效率的將電能轉化為熱能是其中一個關鍵技術問題。
[0005]2、利用電阻絲產生熱量，電阻絲的溫度會很高，如何防止電阻絲過熱而損壞是其中的又一個技術問題。
[0006]3、風力發電機發出的電能不穩定，因此固體蓄熱介質中同一時間段內蓄積的總熱量也是不相同的。例如，實際情形是今天可能有風，明天可能沒風。而我們最終要求汽輪發電機發出的電能是穩定的，如何去實現這一點是其中再一個關鍵技術問題。
[0007]4、整個能量轉換過程涉及到較多的環節，如何最大效率的提高整個系統的能量利用效率是其中的再一個技術問題。
【發明內容】
[0008]本發明要解決的技術問題是提供一種在保護風力發電機的同時提高風能利用率、可穩定地輸出電能的固體蓄熱式風力二次發電裝置。
[0009]本發明要解決的另一個技術問題是提供一種利用上述裝置進行能源轉換的控制方法。
[0010]本發明固體蓄熱式風力二次發電裝置，包括風力發電機，其還包括耐熱變頻風機、至少3個蓄熱箱、蒸汽發生器、三級預熱器、二級預熱器和一級預熱器；
[0011]所述蓄熱箱上設有進氣孔和出氣孔，出氣孔處設有電磁閥門，蓄熱箱的內壁上設有絕熱層，蓄熱箱內設有蓄熱體，蓄熱體內設有氣流通孔，氣流通孔中設有相互串聯的電阻絲；
[0012]各蓄熱箱相互並聯，耐熱變頻風機、蓄熱箱、蒸汽發生器、三級預熱器、二級預熱器和一級預熱器通過絕熱管道依次連接構成空氣循環迴路；
[0013]還包括汽輪發電機、冷凝器、抽氣器和除氧器，汽輪發電機包括發電機和汽輪機，所述蒸汽發生器、汽輪機、冷凝器、一級預熱器、二級預熱器、除氧器和三級預熱器依次連接構成另一循環迴路，所述抽氣器連接在所述冷凝器上；
[0014]還包括總控制器、電磁繼電器組和傳感系統，所述電磁閥門、耐熱變頻風機、電磁繼電器組和傳感系統均與所述總控制器電連接；
[0015]所述電磁繼電器組包括與各蓄熱箱中各電阻絲分別並聯的電磁開關繼電器和與各蓄熱箱中各電阻絲串聯的電磁開關繼電器，電磁繼電器組通過轉換各電磁開關繼電器的狀態從而改變各蓄熱箱中電阻絲的導通狀態和總電阻；
[0016]所述傳感系統包括連接在所述風力發電機的輸出電路上的用於測量風力發電機輸出電壓的電壓傳感器和用於測量風力發電機輸出電流的電流傳感器，還包括設置在各蓄熱箱中用於測量各蓄熱體的溫度的溫度傳感器，還包括設置在所述汽輪機的蒸汽入口處的用於測量蒸汽壓力的壓力傳感器。
[0017]本發明固體蓄熱式風力二次發電裝置，其中所述各蓄熱體的氣流通孔中還設有富餘電阻絲，還包括低壓配電櫃和富餘電能回收控制器，低壓配電櫃連接在所述發電機的輸出端上，富餘電能回收控制器監測低壓配電櫃的負載大小並控制富餘電阻絲的導通狀態。
[0018]本發明固體蓄熱式風力二次發電裝置，其中每個蓄熱箱中的電阻絲的總根數不小於15根，各電阻絲的阻值呈等差數列。
[0019]本發明固體蓄熱式風力二次發電裝置，其還包括保護電阻，保護電阻串接在所述風力發電機的輸出迴路的幹路上，保護電阻的兩端並聯有保護電磁開關繼電器，保護電磁開關繼電器電連接至所述總控制器。
[0020]本發明利用上述任意一項固體蓄熱式風力二次發電裝置進行能源轉換的控制方法，包括以下步驟:
[0021]slOO，總控制器讀入各蓄熱體的溫度數值、風力發電機的輸出電壓數值和電流數值；
[0022]SlOl，總控制器根據讀入的電流數值判斷是否超過風力發電機的允許值；
[0023]S102，當步驟SlOl中讀入的電流數值超過風力發電機的允許值時總控制器控制保護電磁開關繼電器斷開；
[0024]S103，當步驟SlOl中讀入的電流數值未超過風力發電機的允許值時總控制器控制保護電磁開關繼電器閉合；
[0025]sl04，總控制器根據讀入的蓄熱體溫度數值判斷當前加熱的蓄熱體溫度是否達到設定值；
[0026]sl05，若步驟104中當前加熱的蓄熱體溫度已達到設定值，則總控制器根據讀入的蓄熱體溫度數值計算所有的蓄熱體中哪個蓄熱體的溫度最低；
[0027]sl06，總控制器控制與當前加熱蓄熱體對於的支路開關繼電器斷開，控制與溫度最低的蓄熱體對應的支路開關繼電器閉合；[0028]sl07，總控制器更新當前加熱蓄熱體的信息；
[0029]S108，若步驟104中當前加熱的蓄熱體溫度未達到設定值，或者已執行完步驟sl07，則總控制器根據風力發電機的電流允許值和讀入的風力發電機輸出電壓值計算該電壓下允許的電阻絲最小總阻值；
[0030]sl09，總控制器根據步驟sl08計算得出的電阻絲最小總阻值和各電阻絲的阻值計算出各電磁開關繼電器的開閉狀態；
[0031]SllO，總控制器根據步驟sl09計算出的各電磁開關繼電器的開閉狀態控制與當前加熱蓄熱體中電阻絲相對應的各電磁開關繼電器的狀態。
[0032]本發明固體蓄熱式風力二次發電裝置與現有技術不同之處在於本發明固體蓄熱式風力二次發電裝置通過至少3個蓄熱體進行蓄熱，風力發電機發出的電能通過電阻絲對蓄熱體進行加熱，可以解決棄風現象，無論風力狀況如何均可將風能轉換為熱能。由傳感系統中的電壓傳感器和電流傳感器採集風力發電機的輸出電力參數，總控制器根據測得的參數對電磁繼電器組進行控制，通過電磁繼電器組能夠實現對蓄熱體中電阻絲的總電阻進行調整，從而實現在保證風力發電機安全的同時最大效率的使風力發電機發出的電能轉化為蓄熱體的熱能。各蓄熱體蓄積的熱能經循環空氣放熱給蒸汽發生器從而利用蒸汽壓力推動汽輪發電機發電，通過控制電磁閥門可以控制各蓄熱箱的出氣孔開閉狀態，從而選擇使用哪個蓄熱體進行換熱。由於採用至少3個蓄熱體，所以當正在換熱的蓄熱體溫度降低到一定程度時，可以轉換蓄熱體進行換熱，從而能夠保證蒸汽發生器中產生的蒸汽壓力足夠且波動較小，這樣就使得汽輪發電機的轉速相對更穩定，輸出電壓和頻率穩定。為了能夠進行自動控制，還設有採集蒸汽壓力的傳感器，通過測得的蒸汽壓力調整耐熱變頻風機的轉速從而使蒸汽壓力保持穩定。本發明固體蓄熱式風力二次發電裝置中的各級預熱器利用了餘熱，所以整體上提高了風能的利用率。所以本發明固體蓄熱式風力二次發電裝置在保護風力發電機的同時提高風能利用率、可穩定地輸出電能。
[0033]下面結合附圖對本發明的固體蓄熱式風力二次發電裝置作進一步說明。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0034]圖1為本發明固體蓄熱式風力二次發電裝置第一個實施例中各蓄熱箱中的電阻部分的電路示意圖；
[0035]圖2為本發明固體蓄熱式風力二次發電裝置第一個實施例中各蓄熱箱的剖視示意圖；
[0036]圖3為本發明固體蓄熱式風力二次發電裝置第一個實施例的整體示意圖；
[0037]圖4為本發明固體蓄熱式風力二次發電裝置第一個實施例中整體的蓄熱電路迴路的簡化不意圖；
[0038]圖5為本發明固體蓄熱式風力二次發電裝置第一個實施例中總控制器控制蓄熱箱內電阻絲總電阻的流程圖。
【具體實施方式】
[0039]根據【背景技術】中的闡述，為了最大效率的將風電轉化為固體蓄熱介質的熱能，根據簡化的公式P=u2/R (P代表功率，U代表輸出電壓，R代表電阻絲的總電阻)，可知不論風力大小如何，不論風力發電機的輸出功率如何，電阻絲的總電阻越小越好。但與此同時，當電阻絲的總電阻越小時，流過風力發電機的電流越大，當電流過大時，風力發電機可能會燒毀，這樣又要求電阻絲的總電阻不能過小。由於電壓是隨著風力狀況而變化的，所以總電阻的理論允許最小值也是隨著風力狀況而變化的，這樣我們就需要使電阻絲的總電阻能夠隨著風力發電機的輸出電壓進行調整。一般，當風力過小(幾近無風)時風力發電機的輸出電壓很小，輸出功率也很小，過小的輸出功率不再值得被利用，若輸出電壓為風力發電機最大輸出電壓的1/100 (通常為4V以下)，則這樣小的電壓讓電阻絲產生的熱量太少，已不再值得利用。假定風力發電機的最大輸出電壓為
【權利要求】
1.一種固體蓄熱式風力二次發電裝置，包括風力發電機(1)，其特徵在於:還包括耐熱變頻風機(5)、至少3個蓄熱箱(2)、蒸汽發生器(6)、三級預熱器(13)、二級預熱器(11)和一級預熱器(10); 所述蓄熱箱(2)上設有進氣孔(211)和出氣孔(212)，出氣孔(212)處設有電磁閥門，蓄熱箱(2)的內壁上設有絕熱層(24)，蓄熱箱(2)內設有蓄熱體(22)，蓄熱體(22)內設有氣流通孔，氣流通孔中設有相互串聯的電阻絲(23)； 各蓄熱箱(2)相互並聯，耐熱變頻風機(5)、蓄熱箱(2)、蒸汽發生器(6)、三級預熱器(13)、二級預熱器(11)和一級預熱器(10)通過絕熱管道依次連接構成空氣循環迴路； 還包括汽輪發電機(7)、冷凝器(8)、抽氣器(9)和除氧器(12)，汽輪發電機(7)包括發電機(71)和汽輪機(72)，所述蒸汽發生器(6)、汽輪機(72)、冷凝器(8)、一級預熱器(10)、二級預熱器(11)、除氧器(12)和三級預熱器(13)依次連接構成另一循環迴路，所述抽氣器(9)連接在所述冷凝器(8)上； 還包括總控制器(3)、電磁繼電器組(4)和傳感系統，所述電磁閥門、耐熱變頻風機(5)、電磁繼電器組(4)和傳感系統均與所述總控制器(3)電連接； 所述電磁繼電器組(4)包括與各蓄熱箱(2)中各電阻絲分別並聯的電磁開關繼電器和與各蓄熱箱(2)中各電阻絲串聯的電磁開關繼電器，電磁繼電器組(4)通過轉換各電磁開關繼電器的狀態從而改變各蓄熱箱(2)中電阻絲的導通狀態和總電阻； 所述傳感系統包括連接在所述風力發電機(I)的輸出電路上的用於測量風力發電機輸出電壓的電壓傳感器和用於測量風力發電機輸出電流的電流傳感器，還包括設置在各蓄熱箱(2)中用於測量各蓄熱體的溫度的溫度傳感器，還包括設置在所述汽輪機(72)的蒸汽入口處的用於測量蒸汽壓力的壓力傳感器。
2.根據權利要求1所述的固體蓄熱式風力二次發電裝置，其特徵在於:所述各蓄熱體(22)的氣流通孔中還設有富餘電阻絲，還包括低壓配電櫃(14)和富餘電能回收控制器(15)，低壓配電櫃(14)連接在所述發電機(71)的輸出端上，富餘電能回收控制器(15)監測低壓配電櫃(14)的負載大小並控制富餘電阻絲的導通狀態。
3.根據權利要求2所述的固體蓄熱式風力二次發電裝置，其特徵在於:每個蓄熱箱(2)中的電阻絲(23)的總根數不小於15根，各電阻絲的阻值呈等差數列。
4.根據權利要求3所述的固體蓄熱式風力二次發電裝置，其特徵在於:還包括保護電阻，保護電阻串接在所述風力發電機(I)的輸出迴路的幹路上，保護電阻的兩端並聯有保護電磁開關繼電器，保護電磁開關繼電器電連接至所述總控制器(3 )。
5.利用權利要求1~4中任意一項所述固體蓄熱式風力二次發電裝置進行能源轉換的控制方法，包括以下步驟: slOO，總控制器讀入各蓄熱體的溫度數值、風力發電機的輸出電壓數值和電流數值；slOl，總控制器根據讀入的電流數值判斷是否超過風力發電機的允許值；sl02，當步驟slOl中讀入的電流數值超過風力發電機的允許值時總控制器控制保護電磁開關繼電器斷開； sl03，當步驟slOl中讀入的電流數值未超過風力發電機的允許值時總控制器控制保護電磁開關繼電器閉合； sl04，總控制器根據讀入的蓄熱體溫度數值判斷當前加熱的蓄熱體溫度是否達到設定值； sl05，若步驟104中當前加熱的蓄熱體溫度已達到設定值，則總控制器根據讀入的蓄熱體溫度數值計算所有的蓄熱體中哪個蓄熱體的溫度最低； sl06，總控制器控制與當前加熱蓄熱體對於的支路開關繼電器斷開，控制與溫度最低的蓄熱體對應的支路開關繼電器閉合； sl07，總控制器更新當前加熱蓄熱體的信息； sl08，若步驟104中當前加熱的蓄熱體溫度未達到設定值，或者已執行完步驟sl07，則總控制器根據風力發電機的電流允許值和讀入的風力發電機輸出電壓值計算該電壓下允許的電阻絲最小總阻值； sl09，總控制器根據步驟sl08計算得出的電阻絲最小總阻值和各電阻絲的阻值計算出各電磁開關繼電器的開閉狀態； Si 10，總控制器根據步驟sl09計算出的各電磁開關繼電器的開閉狀態控制與當前加熱蓄熱體中電阻絲相對應的各電磁開關繼電器的狀態。
【文檔編號】F01D15/10GK103573559SQ201310597690
【公開日】2014年2月12日 申請日期:2013年11月22日 優先權日:2013年11月22日
【發明者】蘇力新 申請人:煙臺卓越新能源科技有限公司