固体蓄热式风力二次发电装置及其控制方法
【专利摘要】本发明涉及一种风力发电机，特别是涉及一种能量二次转换的风力发电机。其目的是为了提供一种在保护风力发电机的同时提高风能利用率、可稳定地输出电能的固体蓄热式风力二次发电装置及其控制方法。本发明固体蓄热式风力二次发电装置包括风力发电机、耐热变频风机、至少3个蓄热箱、蒸汽发生器、三个预热器、汽轮发电机、冷凝器、抽气器、除氧器、总控制器、电磁继电器组和传感系统，蓄热箱上设进气孔和出气孔，出气孔处设电磁阀门，蓄热箱内的蓄热体内设气流通孔，气流通孔中设相互串联的电阻丝；电磁继电器组包括与各电阻丝分别并联的电磁开关继电器和与各电阻丝串联的电磁开关继电器，电磁继电器组控制各电阻丝的导通状态和总电阻。
【专利说明】固体蓄热式风力二次发电装置及其控制方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种风力发电机，特别是涉及一种能量二次转换的风力发电机。
【背景技术】
[0002]现有的风力发电机由于风力不稳定，所发出的电能也是不稳定的，有风、无风、风大、风小这些状况随着时间变化是无法抗拒的自然现象。由于这个不稳定因素，现有的风力发电系统很难直接与电力负载系统匹配。而目前的电力输配系统，只有通过特有的复杂技术设备和体系，才能对风力所发电能进行有限的吸收和兼容，这种复杂的技术设备和体系导致成本巨大，这是目前风力发电系统得不到广泛应用的主要原因。如果利用蓄电池组蓄积风电在技术上虽然是可行的，但关键问题是需要特大的蓄电池组才能满足蓄电的需求，全世界目前没有哪个国家采用这个方法蓄能，其原因是投资造价十分巨大，得不偿失。目前我国风资源最丰富的地区(如内蒙古)，投人大量资金建了很多的风电场，由于上述的原因，风电场“弃风”现象十分严重，大量的风力资源被白白浪费，无法有效利用。
[0003]先将风力发电机发出的电能通过电阻丝转换为热能，将热能存储在固定蓄热介质中，然后利用循环换热空气将固体蓄热介质中存储的热能换出从而利用汽轮发电机发电是一种可能的途径。但这其中要解决以下一些实际问题:
[0004]1、风力发电机在不同的风力风速下，所发出的电压和电流不同，而风力发电机有一个最高允许工作电流，所以电阻丝的电阻不能过小。另一方面，电阻丝的电阻越大，则其发热功率越小，不能充分的将电能转换为热能。因此，如何在保证风力发电机安全的同时根据实际工况最大效率的将电能转化为热能是其中一个关键技术问题。
[0005]2、利用电阻丝产生热量，电阻丝的温度会很高，如何防止电阻丝过热而损坏是其中的又一个技术问题。
[0006]3、风力发电机发出的电能不稳定，因此固体蓄热介质中同一时间段内蓄积的总热量也是不相同的。例如，实际情形是今天可能有风，明天可能没风。而我们最终要求汽轮发电机发出的电能是稳定的，如何去实现这一点是其中再一个关键技术问题。
[0007]4、整个能量转换过程涉及到较多的环节，如何最大效率的提高整个系统的能量利用效率是其中的再一个技术问题。
【发明内容】
[0008]本发明要解决的技术问题是提供一种在保护风力发电机的同时提高风能利用率、可稳定地输出电能的固体蓄热式风力二次发电装置。
[0009]本发明要解决的另一个技术问题是提供一种利用上述装置进行能源转换的控制方法。
[0010]本发明固体蓄热式风力二次发电装置，包括风力发电机，其还包括耐热变频风机、至少3个蓄热箱、蒸汽发生器、三级预热器、二级预热器和一级预热器；
[0011]所述蓄热箱上设有进气孔和出气孔，出气孔处设有电磁阀门，蓄热箱的内壁上设有绝热层，蓄热箱内设有蓄热体，蓄热体内设有气流通孔，气流通孔中设有相互串联的电阻丝；
[0012]各蓄热箱相互并联，耐热变频风机、蓄热箱、蒸汽发生器、三级预热器、二级预热器和一级预热器通过绝热管道依次连接构成空气循环回路；
[0013]还包括汽轮发电机、冷凝器、抽气器和除氧器，汽轮发电机包括发电机和汽轮机，所述蒸汽发生器、汽轮机、冷凝器、一级预热器、二级预热器、除氧器和三级预热器依次连接构成另一循环回路，所述抽气器连接在所述冷凝器上；
[0014]还包括总控制器、电磁继电器组和传感系统，所述电磁阀门、耐热变频风机、电磁继电器组和传感系统均与所述总控制器电连接；
[0015]所述电磁继电器组包括与各蓄热箱中各电阻丝分别并联的电磁开关继电器和与各蓄热箱中各电阻丝串联的电磁开关继电器，电磁继电器组通过转换各电磁开关继电器的状态从而改变各蓄热箱中电阻丝的导通状态和总电阻；
[0016]所述传感系统包括连接在所述风力发电机的输出电路上的用于测量风力发电机输出电压的电压传感器和用于测量风力发电机输出电流的电流传感器，还包括设置在各蓄热箱中用于测量各蓄热体的温度的温度传感器，还包括设置在所述汽轮机的蒸汽入口处的用于测量蒸汽压力的压力传感器。
[0017]本发明固体蓄热式风力二次发电装置，其中所述各蓄热体的气流通孔中还设有富余电阻丝，还包括低压配电柜和富余电能回收控制器，低压配电柜连接在所述发电机的输出端上，富余电能回收控制器监测低压配电柜的负载大小并控制富余电阻丝的导通状态。
[0018]本发明固体蓄热式风力二次发电装置，其中每个蓄热箱中的电阻丝的总根数不小于15根，各电阻丝的阻值呈等差数列。
[0019]本发明固体蓄热式风力二次发电装置，其还包括保护电阻，保护电阻串接在所述风力发电机的输出回路的干路上，保护电阻的两端并联有保护电磁开关继电器，保护电磁开关继电器电连接至所述总控制器。
[0020]本发明利用上述任意一项固体蓄热式风力二次发电装置进行能源转换的控制方法，包括以下步骤:
[0021]slOO，总控制器读入各蓄热体的温度数值、风力发电机的输出电压数值和电流数值；
[0022]SlOl，总控制器根据读入的电流数值判断是否超过风力发电机的允许值；
[0023]S102，当步骤SlOl中读入的电流数值超过风力发电机的允许值时总控制器控制保护电磁开关继电器断开；
[0024]S103，当步骤SlOl中读入的电流数值未超过风力发电机的允许值时总控制器控制保护电磁开关继电器闭合；
[0025]sl04，总控制器根据读入的蓄热体温度数值判断当前加热的蓄热体温度是否达到设定值；
[0026]sl05，若步骤104中当前加热的蓄热体温度已达到设定值，则总控制器根据读入的蓄热体温度数值计算所有的蓄热体中哪个蓄热体的温度最低；
[0027]sl06，总控制器控制与当前加热蓄热体对于的支路开关继电器断开，控制与温度最低的蓄热体对应的支路开关继电器闭合；[0028]sl07，总控制器更新当前加热蓄热体的信息；
[0029]S108，若步骤104中当前加热的蓄热体温度未达到设定值，或者已执行完步骤sl07，则总控制器根据风力发电机的电流允许值和读入的风力发电机输出电压值计算该电压下允许的电阻丝最小总阻值；
[0030]sl09，总控制器根据步骤sl08计算得出的电阻丝最小总阻值和各电阻丝的阻值计算出各电磁开关继电器的开闭状态；
[0031]SllO，总控制器根据步骤sl09计算出的各电磁开关继电器的开闭状态控制与当前加热蓄热体中电阻丝相对应的各电磁开关继电器的状态。
[0032]本发明固体蓄热式风力二次发电装置与现有技术不同之处在于本发明固体蓄热式风力二次发电装置通过至少3个蓄热体进行蓄热，风力发电机发出的电能通过电阻丝对蓄热体进行加热，可以解决弃风现象，无论风力状况如何均可将风能转换为热能。由传感系统中的电压传感器和电流传感器采集风力发电机的输出电力参数，总控制器根据测得的参数对电磁继电器组进行控制，通过电磁继电器组能够实现对蓄热体中电阻丝的总电阻进行调整，从而实现在保证风力发电机安全的同时最大效率的使风力发电机发出的电能转化为蓄热体的热能。各蓄热体蓄积的热能经循环空气放热给蒸汽发生器从而利用蒸汽压力推动汽轮发电机发电，通过控制电磁阀门可以控制各蓄热箱的出气孔开闭状态，从而选择使用哪个蓄热体进行换热。由于采用至少3个蓄热体，所以当正在换热的蓄热体温度降低到一定程度时，可以转换蓄热体进行换热，从而能够保证蒸汽发生器中产生的蒸汽压力足够且波动较小，这样就使得汽轮发电机的转速相对更稳定，输出电压和频率稳定。为了能够进行自动控制，还设有采集蒸汽压力的传感器，通过测得的蒸汽压力调整耐热变频风机的转速从而使蒸汽压力保持稳定。本发明固体蓄热式风力二次发电装置中的各级预热器利用了余热，所以整体上提高了风能的利用率。所以本发明固体蓄热式风力二次发电装置在保护风力发电机的同时提高风能利用率、可稳定地输出电能。
[0033]下面结合附图对本发明的固体蓄热式风力二次发电装置作进一步说明。
【专利附图】
【附图说明】
[0034]图1为本发明固体蓄热式风力二次发电装置第一个实施例中各蓄热箱中的电阻部分的电路示意图；
[0035]图2为本发明固体蓄热式风力二次发电装置第一个实施例中各蓄热箱的剖视示意图；
[0036]图3为本发明固体蓄热式风力二次发电装置第一个实施例的整体示意图；
[0037]图4为本发明固体蓄热式风力二次发电装置第一个实施例中整体的蓄热电路回路的简化不意图；
[0038]图5为本发明固体蓄热式风力二次发电装置第一个实施例中总控制器控制蓄热箱内电阻丝总电阻的流程图。
【具体实施方式】
[0039]根据【背景技术】中的阐述，为了最大效率的将风电转化为固体蓄热介质的热能，根据简化的公式P=u2/R (P代表功率，U代表输出电压，R代表电阻丝的总电阻)，可知不论风力大小如何，不论风力发电机的输出功率如何，电阻丝的总电阻越小越好。但与此同时，当电阻丝的总电阻越小时，流过风力发电机的电流越大，当电流过大时，风力发电机可能会烧毁，这样又要求电阻丝的总电阻不能过小。由于电压是随着风力状况而变化的，所以总电阻的理论允许最小值也是随着风力状况而变化的，这样我们就需要使电阻丝的总电阻能够随着风力发电机的输出电压进行调整。一般，当风力过小(几近无风)时风力发电机的输出电压很小，输出功率也很小，过小的输出功率不再值得被利用，若输出电压为风力发电机最大输出电压的1/100 (通常为4V以下)，则这样小的电压让电阻丝产生的热量太少，已不再值得利用。假定风力发电机的最大输出电压为
【权利要求】
1.一种固体蓄热式风力二次发电装置，包括风力发电机(1)，其特征在于:还包括耐热变频风机(5)、至少3个蓄热箱(2)、蒸汽发生器(6)、三级预热器(13)、二级预热器(11)和一级预热器(10); 所述蓄热箱(2)上设有进气孔(211)和出气孔(212)，出气孔(212)处设有电磁阀门，蓄热箱(2)的内壁上设有绝热层(24)，蓄热箱(2)内设有蓄热体(22)，蓄热体(22)内设有气流通孔，气流通孔中设有相互串联的电阻丝(23)； 各蓄热箱(2)相互并联，耐热变频风机(5)、蓄热箱(2)、蒸汽发生器(6)、三级预热器(13)、二级预热器(11)和一级预热器(10)通过绝热管道依次连接构成空气循环回路； 还包括汽轮发电机(7)、冷凝器(8)、抽气器(9)和除氧器(12)，汽轮发电机(7)包括发电机(71)和汽轮机(72)，所述蒸汽发生器(6)、汽轮机(72)、冷凝器(8)、一级预热器(10)、二级预热器(11)、除氧器(12)和三级预热器(13)依次连接构成另一循环回路，所述抽气器(9)连接在所述冷凝器(8)上； 还包括总控制器(3)、电磁继电器组(4)和传感系统，所述电磁阀门、耐热变频风机(5)、电磁继电器组(4)和传感系统均与所述总控制器(3)电连接； 所述电磁继电器组(4)包括与各蓄热箱(2)中各电阻丝分别并联的电磁开关继电器和与各蓄热箱(2)中各电阻丝串联的电磁开关继电器，电磁继电器组(4)通过转换各电磁开关继电器的状态从而改变各蓄热箱(2)中电阻丝的导通状态和总电阻； 所述传感系统包括连接在所述风力发电机(I)的输出电路上的用于测量风力发电机输出电压的电压传感器和用于测量风力发电机输出电流的电流传感器，还包括设置在各蓄热箱(2)中用于测量各蓄热体的温度的温度传感器，还包括设置在所述汽轮机(72)的蒸汽入口处的用于测量蒸汽压力的压力传感器。
2.根据权利要求1所述的固体蓄热式风力二次发电装置，其特征在于:所述各蓄热体(22)的气流通孔中还设有富余电阻丝，还包括低压配电柜(14)和富余电能回收控制器(15)，低压配电柜(14)连接在所述发电机(71)的输出端上，富余电能回收控制器(15)监测低压配电柜(14)的负载大小并控制富余电阻丝的导通状态。
3.根据权利要求2所述的固体蓄热式风力二次发电装置，其特征在于:每个蓄热箱(2)中的电阻丝(23)的总根数不小于15根，各电阻丝的阻值呈等差数列。
4.根据权利要求3所述的固体蓄热式风力二次发电装置，其特征在于:还包括保护电阻，保护电阻串接在所述风力发电机(I)的输出回路的干路上，保护电阻的两端并联有保护电磁开关继电器，保护电磁开关继电器电连接至所述总控制器(3 )。
5.利用权利要求1~4中任意一项所述固体蓄热式风力二次发电装置进行能源转换的控制方法，包括以下步骤: slOO，总控制器读入各蓄热体的温度数值、风力发电机的输出电压数值和电流数值；slOl，总控制器根据读入的电流数值判断是否超过风力发电机的允许值；sl02，当步骤slOl中读入的电流数值超过风力发电机的允许值时总控制器控制保护电磁开关继电器断开； sl03，当步骤slOl中读入的电流数值未超过风力发电机的允许值时总控制器控制保护电磁开关继电器闭合； sl04，总控制器根据读入的蓄热体温度数值判断当前加热的蓄热体温度是否达到设定值； sl05，若步骤104中当前加热的蓄热体温度已达到设定值，则总控制器根据读入的蓄热体温度数值计算所有的蓄热体中哪个蓄热体的温度最低； sl06，总控制器控制与当前加热蓄热体对于的支路开关继电器断开，控制与温度最低的蓄热体对应的支路开关继电器闭合； sl07，总控制器更新当前加热蓄热体的信息； sl08，若步骤104中当前加热的蓄热体温度未达到设定值，或者已执行完步骤sl07，则总控制器根据风力发电机的电流允许值和读入的风力发电机输出电压值计算该电压下允许的电阻丝最小总阻值； sl09，总控制器根据步骤sl08计算得出的电阻丝最小总阻值和各电阻丝的阻值计算出各电磁开关继电器的开闭状态； Si 10，总控制器根据步骤sl09计算出的各电磁开关继电器的开闭状态控制与当前加热蓄热体中电阻丝相对应的各电磁开关继电器的状态。
【文档编号】F01D15/10GK103573559SQ201310597690
【公开日】2014年2月12日 申请日期:2013年11月22日 优先权日:2013年11月22日
【发明者】苏力新 申请人:烟台卓越新能源科技有限公司