本發(fā)明涉及一種風(fēng)力發(fā)電裝置及方法，尤其涉及一種帶諧振槽的能量抽取式風(fēng)力發(fā)電裝置及方法，屬于風(fēng)力發(fā)電技術(shù)領(lǐng)域。

背景技術(shù)：

風(fēng)能是一種清潔無(wú)污染的可再生能源，大規(guī)模利用風(fēng)能，普及風(fēng)力發(fā)電，對(duì)改變能源結(jié)構(gòu)、保護(hù)環(huán)境具有重要的意義。但風(fēng)能能量密度較低，風(fēng)向和風(fēng)力大小的不確定性，導(dǎo)致風(fēng)力發(fā)電效率一直難以提高，如何提高風(fēng)力發(fā)電效率一直是風(fēng)電技術(shù)研究的重點(diǎn)。

現(xiàn)有提高發(fā)電機(jī)效率的技術(shù)中，如公開(kāi)號(hào)cn2472400y，通過(guò)降低發(fā)電機(jī)旋轉(zhuǎn)磁體的漏磁系數(shù)，從而提高發(fā)電機(jī)的效率，但由于實(shí)際發(fā)電機(jī)磁芯的存在，磁力線密度已經(jīng)很高，減少漏磁對(duì)發(fā)電機(jī)效率的提升空間有限?，F(xiàn)有提高風(fēng)力發(fā)電效率的技術(shù)中，如公開(kāi)號(hào)為cn102146887a、cn104696164a，在垂直軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)的迎風(fēng)面設(shè)置擋板，擋住氣流在風(fēng)力發(fā)電機(jī)風(fēng)輪上產(chǎn)生阻力，提高旋轉(zhuǎn)扭矩，從而提高風(fēng)力發(fā)電效率，但該方法增加了結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性和不穩(wěn)定性，在強(qiáng)風(fēng)條件下，容易受到破壞，且僅僅適用于垂直軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)；如公開(kāi)號(hào)為cn201696229u、cn102278280a，使用一種聚風(fēng)面裝置，增加風(fēng)量，從而提高風(fēng)力發(fā)電效率，但該方法增加了結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性和不穩(wěn)定性，在強(qiáng)風(fēng)條件下，容易受到破壞，且效率提升并不明顯；如公開(kāi)號(hào)為cn102022258a、cn103147936a、cn102465844a、cn205559158u等，均是設(shè)計(jì)了新型的葉片結(jié)構(gòu)或是不同的葉片曲線，優(yōu)化最佳的葉片模型，從而提高風(fēng)力發(fā)電效率，但不同葉片結(jié)構(gòu)，其啟動(dòng)風(fēng)速、最佳運(yùn)行風(fēng)速、尖速比、抗風(fēng)性均不同，因此對(duì)安裝環(huán)境的風(fēng)速要求比較高。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明所要解決的技術(shù)問(wèn)題是：提供一種帶諧振槽的能量抽取式風(fēng)力發(fā)電裝置及方法，通過(guò)能量開(kāi)關(guān)控制電容的方式，在風(fēng)力變化的過(guò)程中，合理的儲(chǔ)存和轉(zhuǎn)移輸出能量，提高了風(fēng)力發(fā)電機(jī)的效率。

本發(fā)明為解決上述技術(shù)問(wèn)題采用以下技術(shù)方案：

一種帶諧振槽的能量抽取式風(fēng)力發(fā)電裝置，包括：風(fēng)力發(fā)電機(jī)、諧振槽、至少一個(gè)電容、至少一個(gè)能量抽取開(kāi)關(guān)、迎風(fēng)面力傳感器、背風(fēng)面力傳感器、微控制器、開(kāi)關(guān)控制電路、電壓采集電路、dc-ac電路和負(fù)載；其中，諧振槽包括諧振電感、諧振電容，諧振電感與諧振電容串聯(lián)后兩端接風(fēng)力發(fā)電機(jī)的輸出繞組；電容與能量抽取開(kāi)關(guān)一一對(duì)應(yīng)，能量抽取開(kāi)關(guān)包括一個(gè)動(dòng)端、兩個(gè)不動(dòng)端，動(dòng)端經(jīng)過(guò)電容后分別接諧振電容一端、dc-ac電路的地、負(fù)載，其中一個(gè)不動(dòng)端分別接諧振電容另一端、電壓采集電路的輸入端，另一個(gè)不動(dòng)端接dc-ac電路的輸入端；dc-ac電路的輸出端分別與電壓采集電路的輸入端、負(fù)載連接；迎風(fēng)面力傳感器、背風(fēng)面力傳感器分別安裝于風(fēng)力發(fā)電機(jī)每個(gè)葉片的迎風(fēng)面、背風(fēng)面，且迎風(fēng)面力傳感器、背風(fēng)面力傳感器的輸出端分別與微控制器的輸入端連接，微控制器的輸出端經(jīng)開(kāi)關(guān)控制電路與能量抽取開(kāi)關(guān)的動(dòng)端連接，電壓采集電路的輸出端與微控制器的輸入端連接。

作為本發(fā)明裝置的一種優(yōu)選方案，所述風(fēng)力發(fā)電機(jī)為垂直軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)。

作為本發(fā)明裝置的一種優(yōu)選方案，所述開(kāi)關(guān)控制電路為三極管驅(qū)動(dòng)電路。

作為本發(fā)明裝置的一種優(yōu)選方案，所述微控制器為stm32單片機(jī)。

作為本發(fā)明裝置的一種優(yōu)選方案，所述dc-ac電路為逆變器。

作為本發(fā)明裝置的一種優(yōu)選方案，所述負(fù)載為用電器。

一種帶諧振槽的能量抽取式風(fēng)力發(fā)電方法，包括如下步驟：

步驟1，打開(kāi)裝置的電源，風(fēng)力發(fā)電機(jī)開(kāi)始運(yùn)轉(zhuǎn)，微控制器讀取每個(gè)葉片迎風(fēng)面和背風(fēng)面上力傳感器測(cè)得的風(fēng)力值，分別計(jì)算迎風(fēng)面力傳感器測(cè)得的風(fēng)力平均值以及背風(fēng)面力傳感器測(cè)得的風(fēng)力平均值，對(duì)二者做差，并與預(yù)先設(shè)定的閾值進(jìn)行比較，進(jìn)入下一步；

步驟2，若差值大于等于預(yù)先設(shè)定的閾值，進(jìn)入步驟3；若差值小于預(yù)先設(shè)定的閾值，進(jìn)入步驟4；

步驟3，風(fēng)力發(fā)電機(jī)吸收風(fēng)能并儲(chǔ)存在諧振槽中，微控制器控制其中一個(gè)能量抽取開(kāi)關(guān)將與之對(duì)應(yīng)的電容與dc-ac電路的輸入端連接，并返回步驟1，再次進(jìn)行比較判斷；

步驟4，微控制器控制其中一個(gè)能量抽取開(kāi)關(guān)將與之對(duì)應(yīng)的電容并聯(lián)到諧振電容兩端，將諧振槽中儲(chǔ)存的能量轉(zhuǎn)移到電容上，并通過(guò)電壓采集電路監(jiān)測(cè)電容的充電電壓，當(dāng)電容的充電電壓達(dá)到峰值后，控制能量抽取開(kāi)關(guān)將電容切換到dc-ac電路，由dc-ac電路將電容上能量轉(zhuǎn)移輸出，返回步驟1，再次進(jìn)行比較判斷。

本發(fā)明采用以上技術(shù)方案與現(xiàn)有技術(shù)相比，具有以下技術(shù)效果：

1、本發(fā)明利用諧振網(wǎng)絡(luò)，在風(fēng)速變小時(shí)，通過(guò)能量抽取開(kāi)關(guān)控制電容并聯(lián)到諧振回路上，將儲(chǔ)存在諧振回路上的能量轉(zhuǎn)移到電容上取出，實(shí)現(xiàn)能量的合理分配，從而提高風(fēng)力發(fā)電效率。

2、本發(fā)明結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，便于安裝，電容切換控制方便，發(fā)電效率提升明顯。

附圖說(shuō)明

圖1是本發(fā)明一種帶諧振槽的能量抽取式風(fēng)力發(fā)電裝置的結(jié)構(gòu)示意圖。

圖2是本發(fā)明一種帶諧振槽的能量抽取式風(fēng)力發(fā)電方法的控制流程圖。

圖3是本發(fā)明一種帶諧振槽的能量抽取式風(fēng)力發(fā)電裝置具體的實(shí)施電路圖。

其中，1-風(fēng)力發(fā)電機(jī)，2-諧振槽，3-電容，4-能量抽取開(kāi)關(guān)。

具體實(shí)施方式

下面詳細(xì)描述本發(fā)明的實(shí)施方式，所述實(shí)施方式的示例在附圖中示出，其中自始至終相同或類(lèi)似的標(biāo)號(hào)表示相同或類(lèi)似的元件或具有相同或類(lèi)似功能的元件。下面通過(guò)參考附圖描述的實(shí)施方式是示例性的，僅用于解釋本發(fā)明，而不能解釋為對(duì)本發(fā)明的限制。

如圖1所示，為一種帶諧振槽的能量抽取式高效風(fēng)力發(fā)電裝置示意圖，裝置包括：風(fēng)力發(fā)電機(jī)1，諧振槽2，電容3，能量抽取開(kāi)關(guān)4，迎風(fēng)面力傳感器，背風(fēng)面力傳感器，微控制器，開(kāi)關(guān)控制電路，電壓采集電路，dc-ac電路，負(fù)載。其中，諧振槽2由諧振電感和諧振電容組成。風(fēng)力發(fā)電機(jī)為一小型垂直軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)，包括發(fā)電機(jī)塔架、發(fā)電機(jī)基座、葉片、葉片支撐臂、發(fā)電機(jī)，由微控制器及其最小系統(tǒng)電路、開(kāi)關(guān)控制電路組成的電路板置于塔架內(nèi)，諧振槽、能量抽取開(kāi)關(guān)和電容安裝在發(fā)電機(jī)的基座內(nèi)，諧振槽的兩個(gè)輸入端接發(fā)電機(jī)的一個(gè)輸出繞組，電容兩端電壓輸出到負(fù)載，微控制器通過(guò)開(kāi)關(guān)控制電路控制能量抽取開(kāi)關(guān)，力傳感器安裝在每個(gè)葉片的迎風(fēng)面和背風(fēng)面，與微控制器相連。電容由多個(gè)普通無(wú)極性電容組成；能量抽取開(kāi)關(guān)由多個(gè)獨(dú)立控制的單刀雙擲開(kāi)關(guān)組成；微控制器為stm32單片機(jī)；開(kāi)關(guān)控制電路為三極管驅(qū)動(dòng)電路；dc-ac電路為逆變器；負(fù)載為用電器。

本發(fā)明是利用諧振槽儲(chǔ)存發(fā)電機(jī)獲取的風(fēng)能，通過(guò)能量抽取開(kāi)關(guān)控制電容并聯(lián)到諧振回路上，將儲(chǔ)存在諧振回路上的能量轉(zhuǎn)移到電容上取出，實(shí)現(xiàn)能量的合理分配，從而提高風(fēng)力發(fā)電效率。在風(fēng)力發(fā)電的過(guò)程中，通過(guò)安裝在每個(gè)葉片迎風(fēng)面和背風(fēng)面的力傳感器測(cè)得風(fēng)葉兩面的風(fēng)力差值并與閾值比較，從而感知風(fēng)力的變化。當(dāng)風(fēng)力差值大于閾值時(shí)，風(fēng)力對(duì)發(fā)電機(jī)做功，通過(guò)能量抽取開(kāi)關(guān)斷開(kāi)電容，系統(tǒng)吸收風(fēng)能并儲(chǔ)存在諧振回路中；當(dāng)風(fēng)力差值小于閾值時(shí)，發(fā)電機(jī)對(duì)摩擦力和空氣做功，通過(guò)能量抽取開(kāi)關(guān)控制電容并聯(lián)到諧振電容的兩端，對(duì)電容進(jìn)行充電，從而將諧振回路吸收的能量轉(zhuǎn)移到電容上，通過(guò)電壓采集模塊判斷電容是否充滿電，充滿電后，能量抽取開(kāi)關(guān)控制電容切換到dc-ac電路輸入端將電容上能量取出。

如圖2所示，為一種帶諧振槽的能量抽取式高效風(fēng)力發(fā)電裝置的控制流程，具體如下：

步驟一：將風(fēng)力發(fā)電機(jī)固定，并將風(fēng)力發(fā)電機(jī)輸出繞組連接諧振網(wǎng)絡(luò)輸入端，將力傳感器安裝在風(fēng)力發(fā)電機(jī)的葉片上，完成本裝置的安裝，風(fēng)力發(fā)電機(jī)開(kāi)始運(yùn)轉(zhuǎn)，進(jìn)入下一步。

步驟二：打開(kāi)系統(tǒng)的電源，微控制器讀取每個(gè)風(fēng)葉迎風(fēng)面和背風(fēng)面上安裝的力傳感器測(cè)得的風(fēng)力值，對(duì)采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，計(jì)算迎風(fēng)面力傳感器測(cè)得的風(fēng)力平均值與背風(fēng)面力傳感器測(cè)得的風(fēng)力平均值，對(duì)二者做差并與設(shè)定的閾值比較。進(jìn)入下一步。

步驟三：若差值大于閾值，則說(shuō)明發(fā)電機(jī)受外力旋轉(zhuǎn)，發(fā)電機(jī)吸收風(fēng)能并儲(chǔ)存在諧振回路中，進(jìn)入步驟四；若差值小于閾值，則說(shuō)明發(fā)電機(jī)受慣性旋轉(zhuǎn)，發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速減緩的過(guò)程中，葉片對(duì)摩擦力和空氣做功，消耗諧振回路中儲(chǔ)存的能量，進(jìn)入步驟五。

步驟四：微控制器控制能量抽取開(kāi)關(guān)斷開(kāi)電容，使諧振回路盡可能的吸收風(fēng)能。返回步驟三。

步驟五：微控制器控制能量抽取開(kāi)關(guān)將電容并聯(lián)到諧振電容的兩端，將諧振回路中儲(chǔ)存的能量轉(zhuǎn)移到電容上，并通過(guò)電壓采集模塊監(jiān)測(cè)到電容充電電壓達(dá)到峰值后，控制能量抽取開(kāi)關(guān)將電容切換到dc-ac電路，將電容上能量轉(zhuǎn)移輸出。返回步驟三。

如圖3所示，為具體實(shí)施的系統(tǒng)電路原理圖，將諧振槽的兩個(gè)輸入端接風(fēng)力發(fā)電機(jī)的一個(gè)輸出繞組，繞在磁芯上的1000匝線圈作為諧振電感，選取600uf/450v耐壓的無(wú)極性電容作為諧振電容，選取3個(gè)200uf/450v耐壓的無(wú)極性電容作為能量抽取電容，選取3個(gè)歐姆龍hf46f-5-hs1繼電器作為3個(gè)能量抽取開(kāi)關(guān)，分別控制這些電容是否并聯(lián)到諧振電容兩端。使用stm32f103zet6單片機(jī)及其最小系統(tǒng)構(gòu)建主控電路，采用mmbt2907a三極管作為每個(gè)繼電器開(kāi)關(guān)的驅(qū)動(dòng)，每個(gè)三極管的基極連接到單片機(jī)的i/o口上。采用多個(gè)力傳感器，分別安裝在每個(gè)葉片的迎風(fēng)面和背風(fēng)面，并將每個(gè)傳感器數(shù)據(jù)線分別接入單片機(jī)的帶有adc通道的i/o口上，將諧振電容兩端的電壓經(jīng)過(guò)分壓電阻網(wǎng)絡(luò)降低電壓后，輸入到單片機(jī)帶有adc通道的i/o口上，對(duì)電壓峰值進(jìn)行監(jiān)測(cè)。

實(shí)施電路搭建完畢，開(kāi)啟系統(tǒng)電源，在風(fēng)力發(fā)電過(guò)程中，根據(jù)單片機(jī)讀取到的所有葉片上迎風(fēng)面和背風(fēng)面的壓力傳感器的測(cè)量值，將所有迎風(fēng)面?zhèn)鞲衅骱捅筹L(fēng)面?zhèn)鞲衅鞯闹捣謩e求平均值，二者做差，將差值與實(shí)驗(yàn)測(cè)定的閾值進(jìn)行比較。若差值大于閾值，則說(shuō)明外力對(duì)發(fā)電機(jī)做功，發(fā)電機(jī)不斷吸收風(fēng)能并儲(chǔ)存在諧振回路中，此時(shí)單片機(jī)應(yīng)立即控制繼電器斷開(kāi)電容，并繼續(xù)讀取和計(jì)算迎風(fēng)面和背風(fēng)面的風(fēng)力差值，再次與閾值比較。若當(dāng)前迎風(fēng)面與背風(fēng)面的壓力差值小于閾值，則說(shuō)明發(fā)電機(jī)對(duì)摩擦力和空氣做功，儲(chǔ)存在諧振回路中的能量隨著發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速慢慢降低而損耗，此時(shí)單片機(jī)應(yīng)立即控制繼電器并聯(lián)上電容，對(duì)電容進(jìn)行充電，將諧振回路中儲(chǔ)存的能量轉(zhuǎn)移到電容上，dc-ac電路采集電容兩端的電壓，并判斷是否為最大峰值，若為最小值則等待，若為最大值，則說(shuō)明電容上充滿電，單片機(jī)應(yīng)立即控制繼電器將電容切換到dc-ac電路輸入端，通過(guò)逆變電路將電容上的能量輸出，此時(shí)風(fēng)力發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速立即下降，發(fā)電機(jī)頻率和幅值立即降低，單片機(jī)繼續(xù)讀取和計(jì)算迎風(fēng)面和背風(fēng)面的風(fēng)力差值，再次與閾值比較。如此循環(huán)，不斷根據(jù)迎風(fēng)面和背風(fēng)面風(fēng)力的變化，單片機(jī)控制繼電器切換電容，在風(fēng)力對(duì)發(fā)電機(jī)主動(dòng)做功時(shí)，系統(tǒng)吸收風(fēng)能并儲(chǔ)存在諧振回路中，在發(fā)電機(jī)對(duì)外主動(dòng)做功時(shí)，系統(tǒng)將儲(chǔ)存在諧振回路中的能量轉(zhuǎn)移到電容上輸出，從而實(shí)現(xiàn)能量的合理分配，減少已吸收風(fēng)能的損失，提高風(fēng)力發(fā)電的效率。

以上實(shí)施例僅為說(shuō)明本發(fā)明的技術(shù)思想，不能以此限定本發(fā)明的保護(hù)范圍，凡是按照本發(fā)明提出的技術(shù)思想，在技術(shù)方案基礎(chǔ)上所做的任何改動(dòng)，均落入本發(fā)明保護(hù)范圍之內(nèi)。