一种混合供电系统的制作方法

本实用新型涉及一种供电系统，尤其是涉及一种混合供电系统。

背景技术：

20世纪80年代以来，船舶电力推进系统的应用范围在不断扩大，与采用传统的机械推进方式的船舶相比，采用电力推进方式的船舶在经济性、振动、噪声、船舶操纵、布置和安全可靠性等方面具有明显优点。采用电力推进方式的船舶主要采用柴油机驱动发电机，能够恒速运行、工况平稳，而且燃烧充分、废气排放少，是目前获得航运界认可的新型绿色船舶。然而，采用柴油机驱动发电机，仍然会产生废气排放以及存在着燃油泄漏污染水体的可能。

太阳能作为一种新型的绿色可再生能源，具有储量大、利用经济、清洁环保等优点，是目前使用最为广泛的一种新能源。本世纪以来新能源船舶开始出现，尤其是使用太阳能、风能以及蓄电池混合供电系统的小吨位全电力推进船舶开始在内河乃至近海投入试航，实现了船舶在寿命周期内零污染、零排放。在这种新能源小吨位全电力推进船舶中，混合供电系统是整个船舶的心脏，然而，由于混合供电系统中的太阳能光伏发电系统所采用的太阳能板通常是固定在一个特定位置的，但是太阳的照射位置会变，因此，太阳能光伏发电系统存在着效率低下的问题，若一直工作在低效率状态下，则会影响太阳能光伏发电系统的使用寿命。此外，若要将这种效率低下的太阳能光伏发电系统应用于大吨位全电力推进船舶中，则还是得依靠柴油机驱动发电机作为主要供电源，而仅将太阳能光伏发电系统作为辅助供电源用于照明等，这样仍然会产生废气排放以及存在着燃油泄漏污染水体的可能。

技术实现要素：

本实用新型所要解决的技术问题是提供一种混合供电系统，其采用的太阳能光伏发电系统能够自动跟踪太阳轨迹、最大效率化，且能够保证使用其的全电力推进船舶工况平稳。

本实用新型解决上述技术问题所采用的技术方案为：一种混合供电系统，其特征在于包括能够自动跟踪太阳轨迹的太阳能光伏发电系统、风力发电机组、整流器、PLC控制器、离网逆变器，所述的风力发电机组输出的交流电进入所述的整流器中，所述的太阳能光伏发电系统输出的直流电与所述的整流器输出的直流电或仅所述的整流器输出的直流电在所述的PLC控制器的控制作用下进入所述的离网逆变器中，所述的离网逆变器转换直流电为工频交流电以向交流负载供电。

所述的风力发电机组的输出端与所述的整流器的输入端连接，所述的整流器的输出端、所述的太阳能光伏发电系统的输出端通过第一开关、所述的离网逆变器的输入端分别与所述的PLC控制器连接，所述的离网逆变器的输出端输出工频交流电以向交流负载供电。在此，具体限定了太阳能光伏发电系统、风力发电机组、整流器、PLC控制器、离网逆变器之间的连接关系，其中太阳能光伏发电系统的输出端与PLC控制器之间设置的第一开关是为了在太阳光强的时候同时使用太阳能光伏发电系统和风力发电机组供电，而在太阳光弱的时候仅使用风力发电机组供电；第一开关可以手动控制断开和关闭，或也可以由PLC控制器控制断开和关闭。

该混合供电系统还包括电池组，所述的太阳能光伏发电系统输出的直流电与所述的整流器输出的直流电或仅所述的整流器输出的直流电在所述的PLC控制器的控制作用下为所述的电池组充电，所述的电池组输出的直流电进入所述的离网逆变器中。在此，电池组作为该混合供电系统中的储能单元或能量缓冲调度单元，在该混合供电系统正常工作时，有效的存储太阳能光伏发电系统和风力发电机组或仅风力发电机组发出的多余的电能，当该混合供电系统效率不足时由电池组向交流负载供电；电池组中的电池选用锂电池，选用锂电池代替传统的铅酸蓄电池，可以大大增强电池组的使用寿命和供电能力。

所述的电池组的输入端与所述的PLC控制器连接，所述的电池组的输出端通过第二开关与所述的离网逆变器的输入端连接。在此，具体限定了电池组与PLC控制器和离网逆变器的连接关系，其中电池组的输出端与离网逆变器的输入端之间设置的第二开关是为了当电池组电压过低时使第二开关断开以防止电池组过放电降低电池组的使用寿命；第二开关可以手动控制断开和关闭，或也可以由PLC控制器控制断开和关闭。

该混合供电系统还包括充电器，所述的充电器的输入端通过第三开关接入岸电电源，所述的充电器的输出端与所述的电池组的输入端连接。在此，通过增设充电器，这样当遇到极端天气，且太阳能光伏发电系统和风力发电机组无法提供电力、电池组供电也不足时，可以由岸电电源通过充电器向电池组充电，再利用电池组进行应急供电；第三开关一般为手动开关。

该混合供电系统还包括一个用于支撑所述的太阳能光伏发电系统的固定座，所述的固定座由座体和竖直活动设置于所述的座体上的立柱组成，所述的太阳能光伏发电系统由太阳能板、具有整流功能的光伏控制器、支撑组件、方位角控制机构、高度角控制机构、太阳自动跟踪控制器组成，所述的立柱作为所述的太阳能板的主支撑杆穿过所述的太阳能板，并使所述的太阳能板活动连接于所述的立柱上且整体倾斜，所述的光伏控制器转换所述的太阳能板的太阳能为电能，所述的光伏控制器的输出端通过所述的第一开关与所述的PLC控制器连接，所述的支撑组件包括副支撑杆和弹性三角支撑架，所述的副支撑杆横向放置且其一端与所述的立柱固定连接，所述的弹性三角支撑架的支撑部与所述的立柱固定连接，所述的弹性三角支撑架的三个弹性脚分别与所述的太阳能板的下部连接，所述的方位角控制机构驱动所述的立柱360度转动带动所述的太阳能板在一个平面内360度转动以调整所述的太阳能板的方位角，所述的高度角控制机构连接于所述的副支撑杆与所述的太阳能板的上部之间以调整所述的太阳能板的高度角，所述的太阳自动跟踪控制器安装于所述的太阳能板的上部上，所述的太阳自动跟踪控制器利用太阳光线信息控制所述的方位角控制机构和所述的高度角控制机构。在此，若该混合供电系统应用于全电力推进船，则将固定座安装于船舶的甲板上；可在座体的周壁上呈周向均匀安装多个抓手，一般可安装三个抓手，即在一个圆周内三个抓手呈相隔120度角布置；由于立柱需支撑太阳能板，因此立柱可采用高强度的材料制成，以提高强度；立柱的下部可通过活动套筒与座体连接；立柱的中部可通过活动套筒与太阳能板连接；光伏控制器采用现有技术；太阳自动跟踪控制器感测太阳光线信息，并根据太阳光线信息控制方位角控制机构调整太阳能板的方位角和高度角控制机构调整太阳能板的高度角，从而使得太阳能板能够自动跟踪太阳轨迹。

所述的方位角控制机构包括电机底座、方位角控制舵机、减速器和皮带轮传动机构，所述的皮带轮传动机构由第一皮带轮、第二皮带轮、张紧于所述的第一皮带轮和第二皮带轮的轮轴之间的皮带组成，所述的方位角控制舵机、所述的减速器和所述的第一皮带轮安装于所述的电机底座上，所述的方位角控制舵机由所述的太阳自动跟踪控制器控制，所述的方位角控制舵机的输出轴与所述的减速器的输入端连接，所述的减速器的输出端与所述的第一皮带轮连接，所述的第二皮带轮紧套装于所述的立柱上。在此，方位角控制舵机由太阳自动跟踪控制器控制工作(正转或反转)或停止，方位角控制舵机工作时驱动带轮传动机构工作，带动立柱转动。

所述的高度角控制机构包括顶杆、内置有减速器的高度角控制舵机和丝杠螺母副，所述的顶杆竖直放置且其顶端与所述的太阳能板的上部连接，所述的顶杆的底端与所述的高度角控制舵机连接，所述的高度角控制舵机的输出轴与所述的丝杠螺母副的一端连接，所述的丝杠螺母副的另一端与所述的副支撑杆螺接，所述的高度角控制舵机由所述的太阳自动跟踪控制器控制。在此，高度角控制舵机由太阳自动跟踪控制器控制工作(正转或反转)或停止，高度角控制舵机工作时使丝杠螺母副在竖直方向上直线运动，从而达到了调整太阳能板的高度角的目的；考虑到早上太阳刚升起时太阳能板的效率很低，因此此时可将太阳能板的高度角调整为0度～70度。

所述的太阳自动跟踪控制器由传感器、采样电路、放大电路、A/D转换电路、微控制器组成，所述的传感器包括筒状壳体和四个光敏电阻，所述的筒状壳体的顶部开口，所述的筒状壳体安装于所述的太阳能板的上部上，且所述的筒状壳体的轴线与所述的太阳能板的法线平行，四个所述的光敏电阻沿所述的筒状壳体的周向均匀设置于所述的筒状壳体的内周壁靠近底部的位置上，所述的光敏电阻与所述的采样电路的输入端连接，所述的采样电路的输出端与所述的放大电路的输入端连接，所述的放大电路的输出端与所述的A/D转换电路的输入端连接，所述的A/D转换电路的输出端与所述的微控制器连接，所述的微控制器控制所述的方位角控制舵机和所述的高度角控制舵机。在此，可将筒状壳体的高度设计为5～10厘米，且将筒状壳体的顶部开口，这样能够遮挡斜射的太阳光；光敏电阻采用现有技术，且其中对称的两个光敏电阻用于感测东西方向的太阳光线变化，通过调整太阳能板的方位角来实现，另外对称的两个光敏电阻用于感测南北方向的太阳光线变化，通过调整太阳能板的高度角来实现；当太阳光垂直照射到太阳能板时，感测东西方向的太阳光线变化的两个光敏电阻接受的太阳辐射强度相同，经采样电路后输出信号为零，当太阳光偏离太阳能板的主光轴时，感测东西方向的太阳光线变化的两个光敏电阻接受的太阳辐射强度不同，经采样电路后输出偏差信号，完成信号采样过程；偏差信号通过放大电路，经A/D转换电路后转换成数字信号，根据偏差信号的正负和大小决定方位角控制舵机的转向和转动角度，直到小于精度允许范围，方位角控制舵机停止动作；特别地，当东西方位或南北方位的两个光敏电阻感受到的光强差值偏差数字信号绝对值小于某个设定阀值时，微控制器不发出让方位角控制舵机动作的信号，当光强差值偏差数字信号绝对值超过设定阀值时，微控制器才发出信号控制方位角控制舵机转动，这样控制的目的是提高经济性；采样电路、放大电路、A/D转换电路均采用现有技术；微控制器可采用型号为STM32F3的单片机，单片机判断太阳能板的主轴线是否正对太阳，通过太阳能板的主轴线与理想位置的偏差调整方位角控制舵机和高度角控制舵机的运动状态，从而调整太阳能板的位置，使太阳能板的主轴线指向太阳，单片机根据输入的信息控制方位角控制舵机和高度角控制舵机工作或停止的技术可实现。

所述的风力发电机组由风力机、与所述的风力机相匹配的双馈风力发电机、风向仪组成，所述的风力机安装于所述的双馈风力发电机的外壳的一端，所述的风向仪安装于所述的双馈风力发电机的外壳的另一端，所述的双馈风力发电机的外壳活动安装于所述的立柱的顶端上，所述的风向仪感测风向以使所述的风力机的叶轮位置调整，所述的风力机的叶轮转动驱动所述的双馈风力发电机产生电能，所述的双馈风力发电机的输出端与所述的整流器的输入端连接。由于双馈风力发电机为低速发电机，因此不仅省去了低速的风力机与高速发电机之间的齿轮升速装置，简化了风力发电机组的结构，而且安装和维修方便；利用风向仪能够自动调整风力机的位置，从而使风力发电机组达到最高效率；将双馈风力发电机的外壳活动安装于立柱的顶端上，不仅能够确保风力发电机组随风向在立柱上自由转动，而且能够保证有足够的风力。

与现有技术相比，本实用新型的优点在于：

1)本实用新型的混合供电系统考虑到一天中太阳的位置会不断发生变化，因此使太阳能光伏发电系统能够自动跟踪太阳轨迹，从而大大提高了太阳能光伏发电系统的效率，同时延长了太阳能光伏发电系统的使用寿命。

2)本实用新型的混合供电系统由于太阳能光伏发电系统能够自动跟踪太阳轨迹，因此在太阳光强的时候，这种太阳能光伏发电系统足以作为大吨位全电力推进船舶的主要供电源。

附图说明

图1为本实用新型的混合供电系统的组成框图；

图2为本实用新型的混合供电系统中的太阳能光伏发电系统和风力发电机组的组成部分及与固定座的连接关系图；

图3为发明的混合供电系统中的太阳能光伏发电系统中的太阳自动跟踪控制器的组成结构图。

具体实施方式

以下结合附图实施例对本实用新型作进一步详细描述。

本实用新型提出的一种混合供电系统，如图所示，其包括能够自动跟踪太阳轨迹的太阳能光伏发电系统1、风力发电机组2、整流器3、PLC控制器4、离网逆变器5，风力发电机组2的输出端与整流器3的输入端连接，风力发电机组2输出的不规则的交流电进入整流器3中，整流器3的输出端、太阳能光伏发电系统1的输出端通过第一开关61、离网逆变器5的输入端分别与PLC控制器4连接，太阳能光伏发电系统1输出的直流电与整流器3输出的直流电或仅整流器3输出的直流电在PLC控制器4的控制作用下进入离网逆变器5中，离网逆变器5转换直流电为工频交流电以向交流负载供电。在此，太阳能光伏发电系统1的输出端与PLC控制器4之间设置的第一开关61是为了在太阳光强的时候同时使用太阳能光伏发电系统1和风力发电机组2供电，而在太阳光弱的时候仅使用风力发电机组2供电；第一开关61可以手动控制断开和关闭，或也可以由PLC控制器4控制断开和关闭。

在此具体实施例中，该混合供电系统还包括电池组7，电池组7的输入端与PLC控制器4连接，太阳能光伏发电系统1输出的直流电与整流器3输出的直流电或仅整流器3输出的直流电在PLC控制器4的控制作用下为电池组7充电，电池组7的输出端通过第二开关62与离网逆变器5的输入端连接，电池组7输出的直流电进入离网逆变器5中。在此，电池组7作为该混合供电系统中的储能单元或能量缓冲调度单元，在该混合供电系统正常工作时，有效的存储太阳能光伏发电系统1和风力发电机组2或仅风力发电机组2发出的多余的电能，当该混合供电系统效率不足时由电池组7向交流负载供电；电池组7中的电池选用锂电池，选用锂电池代替传统的铅酸蓄电池，可以大大增强电池组7的使用寿命和供电能力；其中电池组7的输出端与离网逆变器5的输入端之间设置的第二开关62是为了当电池组7电压过低时使第二开关62断开以防止电池组7过放电降低电池组7的使用寿命；第二开关62可以手动控制断开和关闭，或也可以由PLC控制器4控制断开和关闭。

在此具体实施例中，该混合供电系统还包括充电器9，充电器9的输入端通过第三开关63接入岸电电源，充电器9的输出端与电池组7的输入端连接。在此，通过增设充电器9，这样当遇到极端天气，且太阳能光伏发电系统1和风力发电机组2无法提供电力、电池组7供电也不足时，可以由岸电电源通过充电器9向电池组7充电，再利用电池组7进行应急供电；第三开关63一般为手动开关。

在此具体实施例中，该混合供电系统还包括一个用于支撑太阳能光伏发电系统1的固定座8，固定座8由座体81和竖直活动设置于座体81上的立柱82组成，太阳能光伏发电系统1由太阳能板11、具有整流功能的光伏控制器(图中未示出)、支撑组件12、方位角控制机构13、高度角控制机构14、太阳自动跟踪控制器15组成，立柱82作为太阳能板11的主支撑杆穿过太阳能板11，并使太阳能板11活动连接于立柱82上且整体倾斜，光伏控制器转换太阳能板11的太阳能为电能，光伏控制器的输出端通过第一开关61与PLC控制器4连接，支撑组件12包括副支撑杆121和弹性三角支撑架122，副支撑杆121横向放置且其一端与立柱82固定连接，弹性三角支撑架122的支撑部123与立柱82固定连接，弹性三角支撑架122的三个弹性脚124分别与太阳能板11的下部连接，方位角控制机构13驱动立柱82在360度范围内转动带动太阳能板11在一个平面内360度转动以调整太阳能板11的方位角，高度角控制机构14连接于副支撑杆121与太阳能板11的上部之间以调整太阳能板11的高度角，太阳自动跟踪控制器15安装于太阳能板11的上部上，太阳自动跟踪控制器15利用太阳光线信息控制方位角控制机构13和高度角控制机构14。在此，若该混合供电系统应用于全电力推进船，则将固定座8安装于船舶的甲板上；可在座体81的周壁上呈周向均匀安装多个抓手83，一般可安装三个抓手83，即在一个圆周内三个抓手83呈相隔120度角布置；由于立柱82需支撑太阳能板11，因此立柱82可采用高强度的材料制成，以提高强度；立柱82的下部可通过活动套筒与座体81连接；立柱82的中部可通过活动套筒与太阳能板11连接；光伏控制器采用现有技术；太阳自动跟踪控制器15感测太阳光线信息，并根据太阳光线信息控制方位角控制机构13调整太阳能板11的方位角和高度角控制机构14调整太阳能板11的高度角，从而使得太阳能板11能够自动跟踪太阳轨迹。

在此具体实施例中，方位角控制机构13包括电机底座131、方位角控制舵机132、减速器133和皮带轮传动机构，皮带轮传动机构由第一皮带轮134、第二皮带轮135、张紧于第一皮带轮134和第二皮带轮135的轮轴之间的皮带136组成，方位角控制舵机132、减速器133和第一皮带轮134安装于电机底座131上，方位角控制舵机132由太阳自动跟踪控制器15控制，方位角控制舵机132的输出轴与减速器133的输入端连接，减速器133的输出端与第一皮带轮134连接，第二皮带轮135紧套装于立柱82上。在此，方位角控制舵机132由太阳自动跟踪控制器15控制工作(正转或反转)或停止，方位角控制舵机132工作时驱动带轮传动机构工作，带动立柱82转动；皮带轮传动机构也可由现有的其它成熟的能够驱动外部部件转动的驱动机构替代。

在此具体实施例中，高度角控制机构14包括顶杆141、内置有减速器的高度角控制舵机142和丝杠螺母副143，顶杆141竖直放置且其顶端与太阳能板11的上部连接，顶杆141的底端与高度角控制舵机142连接，高度角控制舵机142的输出轴与丝杠螺母副143的一端连接，丝杠螺母副143的另一端与副支撑杆121螺接，高度角控制舵机142由太阳自动跟踪控制器15控制。在此，高度角控制舵机142由太阳自动跟踪控制器15控制工作(正转或反转)或停止，高度角控制舵机142工作时使丝杠螺母副143在竖直方向上直线运动，从而达到了调整太阳能板11的高度角的目的；考虑到早上太阳刚升起时太阳能板11的效率很低，因此此时可将太阳能板11的高度角调整为0度～70度。

在此具体实施例中，太阳自动跟踪控制器15由传感器151、采样电路152、放大电路153、A/D转换电路154、微控制器155组成，传感器151包括筒状壳体156和四个光敏电阻PD1、PD2、PD3、PD4，筒状壳体156的顶部开口，筒状壳体156安装于太阳能板11的上部上，且筒状壳体156的轴线与太阳能板11的法线平行，四个光敏电阻PD1、PD2、PD3、PD4沿筒状壳体156的周向均匀设置于筒状壳体156的内周壁靠近底部的位置上，四个光敏电阻PD1、PD2、PD3、PD4与采样电路152的输入端连接，采样电路152的输出端与放大电路153的输入端连接，放大电路153的输出端与A/D转换电路154的输入端连接，A/D转换电路154的输出端与微控制器155连接，微控制器155控制方位角控制舵机132和高度角控制舵机142。在此，可将筒状壳体156的高度设计为5～10厘米，且将筒状壳体156的顶部开口，这样能够遮挡斜射的太阳光；四个光敏电阻PD1、PD2、PD3、PD4采用现有技术，且其中对称的两个光敏电阻PD1、PD2用于感测东西方向的太阳光线变化，通过调整太阳能板11的方位角来实现，另外对称的两个光敏电阻PD3、PD4用于感测南北方向的太阳光线变化，通过调整太阳能板11的高度角来实现；当太阳光垂直照射到太阳能板11时，感测东西方向的太阳光线变化的两个光敏电阻PD1、PD2接受的太阳辐射强度相同，经采样电路152后输出信号为零，当太阳光偏离太阳能板11的主光轴时，感测东西方向的太阳光线变化的两个光敏电阻PD1、PD2接受的太阳辐射强度不同，经采样电路152后输出偏差信号，完成信号采样过程；偏差信号通过放大电路153，经A/D转换电路154后转换成数字信号，根据偏差信号的正负和大小决定方位角控制舵机132的转向和转动角度，直到小于精度允许范围，方位角控制舵机132停止动作；特别地，当东西方位或南北方位的两个光敏电阻感受到的光强差值偏差数字信号绝对值小于某个设定阀值时，微控制器155不发出让方位角控制舵机132动作的信号，当光强差值偏差数字信号绝对值超过设定阀值时，微控制器155才发出信号控制方位角控制舵机132转动，这样控制的目的是提高经济性；采样电路152、放大电路153、A/D转换电路154均采用现有技术；微控制器155可采用型号为STM32F3的单片机，单片机判断太阳能板11的主轴线是否正对太阳，通过太阳能板11的主轴线与理想位置的偏差调整方位角控制舵机132和高度角控制舵机142的运动状态，从而调整太阳能板11的位置，使太阳能板11的主轴线指向太阳，单片机根据输入的信息控制方位角控制舵机132和高度角控制舵机142工作或停止的技术可实现。

在此具体实施例中，风力发电机组2由风力机21、与风力机21相匹配的双馈风力发电机22、风向仪23组成，风力机21安装于双馈风力发电机22的外壳的一端，风向仪23安装于双馈风力发电机22的外壳的另一端，双馈风力发电机22的外壳活动安装于立柱82的顶端上，风向仪23感测风向以使风力机21的叶轮位置调整，风力机21的叶轮转动驱动双馈风力发电机22产生电能，双馈风力发电机22的输出端与整流器3的输入端连接。由于双馈风力发电机22为低速发电机，因此不仅省去了低速的风力机21与高速发电机之间的齿轮升速装置，简化了风力发电机组2的结构，而且安装和维修方便；利用风向仪23能够自动调整风力机21的位置，从而使风力发电机组2达到最高效率；将双馈风力发电机22的外壳活动安装于立柱82的顶端上，不仅能够确保风力发电机组2随风向在立柱82上自由转动，而且能够保证有足够的风力。

在本实施例中，PLC控制器4采用现有技术，其控制其它部件的技术可实现；离网逆变器5采用现有技术；方位角控制舵机132和高度角控制舵机142均采用现有的舵机。