專利名稱：一種多功能風光互補型發(fā)電系統(tǒng)教學實驗平臺的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及教學試驗器具領域，尤其涉及一套新型多功能風光互補型發(fā)電系統(tǒng)教學實驗平臺。
背景技術：
當前，全球范圍內(nèi)能源環(huán)境正面臨巨大危機。石油儲量、煤儲量均在減少，環(huán)境污染日趨嚴重，生態(tài)平衡嚴重破壞，對新能源的應用正受到世界各國的普遍關注。新能源發(fā)電主要包括了太陽能發(fā)電，風能發(fā)電，生物質(zhì)能發(fā)電等。在目前眾多可再生能源與新能源技術開發(fā)中，潛力大、最具開發(fā)價值的是風能和太陽能。它們是一種取之不盡、用之不竭的可再生能源。風力發(fā)電環(huán)境友好、技術成熟、可靠性高、成本低且規(guī)模效益顯著，是發(fā)展最快的新型能源。而太陽能發(fā)電不受地域限制，維護方便，故而適用范圍廣泛。目前，我國正把大力開發(fā)利用新能源及可再生能源作為優(yōu)化我國能源結(jié)構(gòu)、保障我國能源安全的戰(zhàn)略新高點。然而，當前總體上我國的新能源技術的發(fā)展仍處于初級階段，在新能源產(chǎn)業(yè)蓬勃發(fā)展的大形勢下，卻面臨著新能源技術方面專業(yè)人才短缺的現(xiàn)象，這種狀況將嚴重制約中國新能源產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。與之對應的，各高校所開展的新能源技術課程才剛剛起步，教學模式還不成熟，配套的專業(yè)教材與專業(yè)設備，實驗儀器都處于良莠不齊，亟待規(guī)劃和有效開發(fā)中。目前，針對新能源發(fā)電技術的配套教學設備數(shù)量有限，功能比較單一，甚至華而不實，不能積極有效地起到輔助教學，加深理解的作用，嚴重影響著新能源方面人才的培養(yǎng)。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明提供一種太陽能與風能發(fā)電原理、風光互補與蓄電池充放電、風光互補并網(wǎng)逆變、離網(wǎng)逆變、直流供電等新能源發(fā)電有關技術的學習，模塊化的解決方案的教學實驗
T D O本發(fā)明的技術方案是一種多功能風光互補型發(fā)電系統(tǒng)教學實驗平臺，包括實驗操作面板和發(fā)電設備；所述實驗操作面板上繪制有風光互補性型發(fā)電系統(tǒng)的電路連接圖； 所述發(fā)電設備包括模擬太陽光源、太陽能電池陣列、原動風機、發(fā)電風機、風光互補型控制器、并網(wǎng)逆變器、離網(wǎng)逆變器和蓄電池，所述發(fā)電器件通過實驗操作面板上的電路連接圖電連接，其連接關系為所述太陽能電池陣列和發(fā)電風機輸出電能分別接入所述風光互補型控制器的輸入端，所述離網(wǎng)逆變器和并網(wǎng)逆變器分別并聯(lián)到所述風光互補型控制器的輸出端，所述蓄電池經(jīng)防反二極管與所述風光互補型控制器連接；所述離網(wǎng)逆變器與并網(wǎng)逆變器輸出端分別與交流輸出接口相連；直流輸出接口并聯(lián)接入所述風光互補型控制器的輸出端；所述模擬太陽光源用于產(chǎn)生模擬太陽光；所述原動風機用于產(chǎn)生風能驅(qū)動發(fā)電風機。所述實驗操作面板上設有多個電壓表和電流表，用于檢測所述風光互補型控制器輸入端和輸出端的電流和電壓。所述實驗操作面板上連接線路上設有斷路器，用于控制電路通斷。所述實驗操作面板上連接線路上設有指示燈，用于顯示電路通斷。
進一步，還包括多路電壓電流數(shù)據(jù)采集卡、計算機和顯示器，所述采集卡采集所述風光互補型控制器輸入端和輸出端的電流和電壓數(shù)據(jù)傳輸?shù)剿鲇嬎銠C，所述顯示器顯示所述電流和電壓數(shù)據(jù)。本發(fā)明的有益效果是
1.整套系統(tǒng)涵蓋了目前風能、太陽能發(fā)電技術幾乎所有的用電方式，采用實驗操作面板，結(jié)合斷路器和指示燈，直觀展現(xiàn)了本風光互補型發(fā)電系統(tǒng)的基本組成和功能特色，且方便學生接線與實驗操作；
2.專門設有防反二極管的蓄電池充放電分路設計及相關保護功能。采用專用風光互補型控制器對其進行充放電控制，與風機發(fā)電、太陽能電池板發(fā)電形成聯(lián)合供電系統(tǒng)，提供給下一級直流負載或者為離網(wǎng)逆變提供直流電源；
5.獨立的離網(wǎng)逆變器模塊，實現(xiàn)風光互補系統(tǒng)及蓄電池聯(lián)合供電的離網(wǎng)逆變過程，為交流負載提供標準的220V交流電；
6.獨立的并網(wǎng)逆變器模塊，實現(xiàn)風光互補系統(tǒng)及蓄電池聯(lián)合供電系統(tǒng)的并網(wǎng)逆變過程，將產(chǎn)生與公用電網(wǎng)同頻同相的交流電直接輸送至市電(電網(wǎng))；
7.設計有獨立的數(shù)據(jù)采集模塊，方便實時的監(jiān)測與存儲功能，提供高精度的數(shù)據(jù)存儲和圖形顯示，并可生成數(shù)據(jù)存儲文件，對數(shù)據(jù)進行后期處理，完成數(shù)據(jù)存儲、打印、顯示等功倉泛。


附圖I為本發(fā)明的系統(tǒng)平臺功能原理附圖2為本發(fā)明的系統(tǒng)平臺顯示界面面板附圖3為本發(fā)明的系統(tǒng)平臺實驗操作面板附圖4為本發(fā)明的系統(tǒng)平臺機械附圖5為本發(fā)明開發(fā)的數(shù)據(jù)采集監(jiān)控操作和顯示界面。具體實施辦法
以下結(jié)合附圖對本發(fā)明的系統(tǒng)實驗平臺進行詳細描述。如圖I所示，發(fā)電設備包括太陽能電池陣列、支架及其追日控制系統(tǒng)，作為供電單元及研究對象，實現(xiàn)太陽能到電能的轉(zhuǎn)化以及系統(tǒng)對外界環(huán)境下電池板最大功率的跟
足示O原動風力制造電機及實驗發(fā)電風機，在實驗室室內(nèi)條件下通過原動風機來產(chǎn)生風能，帶動發(fā)電風機轉(zhuǎn)動轉(zhuǎn)化成電能，模擬外界風力大小控制風機轉(zhuǎn)速。風光互補型控制器，作為對前路供電的綜合控制單元，具有風能和太陽能電池兩路輸入端口，控制風機和太陽能電池對蓄電池進行智能充電，具有防雷、太陽能防反充、過電壓自動剎車、蓄電池反接和開路保護等，具有兩路DC輸出，可分別工作，互不干擾。鉛酸蓄電池及防反二極管，為儲能單元，風能、光源充足時吸收多余的電能，無風或光源較弱時補充不足的能量，并且由二極管控制充放電流向。并網(wǎng)逆變器，電能轉(zhuǎn)換單元。前級風能與太陽能轉(zhuǎn)換的電能，經(jīng)控制器一路輸出端口連接至并網(wǎng)逆變器，將輸入的直流電壓轉(zhuǎn)換為市電的220V交流電并網(wǎng)逆變器，以同頻同相純正弦的并網(wǎng)電流輸出，并進行相關保護。
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離網(wǎng)逆變器，將控制器輸出直流電轉(zhuǎn)化為220V的交流用電，供給常用的交流負載如風扇，電燈等使用，并提供相關的保護。變送器及數(shù)據(jù)采集卡，帶USB輸出直接連接至計算機，可以采樣多路電壓與電流 蓄電池電壓與充放電電流、交流負載電壓與電流、直流負載電壓與電流、并網(wǎng)電流與電壓等。
液晶顯示計算機，顯示器嵌入在實驗平臺面板上，配合軟件進行顯示。交直流負載，作為本系統(tǒng)的用電負荷，滿足參數(shù)條件下可任意選取負載產(chǎn)品。模擬太陽光源，保證室內(nèi)教學的要求，以及克服室外環(huán)境不穩(wěn)定等不足，模擬太陽能發(fā)電的光源效果。其工作流程是，經(jīng)外部電機旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的風能，帶動風機旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生電能，同時太陽電池光伏陣列接收到光源后也產(chǎn)生電能，以上電能同時輸入到風光互補型控制器中，對于風機產(chǎn)生的交流電通過整流轉(zhuǎn)化成直流電。蓄電池接入風光互補型控制器，由控制器實現(xiàn)對蓄電池的智能充放電，在風光互補產(chǎn)生的電力充足的時候儲存多余電能，在負載功率較大時釋放電能補充風光互補系統(tǒng)發(fā)電功率上的不足?；パa系統(tǒng)的電能與蓄電池中儲存的電能通過風光互補控制器經(jīng)兩路獨立輸出，互不干擾，一路連接并網(wǎng)逆變器進行并網(wǎng)逆變的工作；另外一路共用，可以送至離網(wǎng)逆變器對交流負載進行供電，也可以直接對參數(shù)匹配的直流負載進行供電。以上各支路都采用電流電壓表進行面板的指示并且由面板后的變送器將數(shù)據(jù)信號輸送至數(shù)據(jù)采集卡，通過USB接口與軟件進行通信，實現(xiàn)電腦界面上對發(fā)電系統(tǒng)的數(shù)據(jù)監(jiān)控與存儲。附圖2為本發(fā)明的系統(tǒng)平臺顯示界面面板圖，面板最上方為開發(fā)的系統(tǒng)名稱，中部整個區(qū)域為液晶顯示屏，嵌入在系統(tǒng)的面板上，方便實驗室對軟件界面的觀測，操作等。 左下方開有USB接口，實驗時可以用數(shù)據(jù)線實現(xiàn)將數(shù)據(jù)傳送至電腦主機，也可以直接插入存儲設備對數(shù)據(jù)采集卡上的數(shù)據(jù)進行直接存儲。附圖3為本發(fā)明的系統(tǒng)平臺實驗操作面板，形象的將原理圖中的功能設置和區(qū)域劃分展現(xiàn)出來，并且結(jié)合實驗平臺的特殊性質(zhì)設計了實驗連線接口，發(fā)電設備經(jīng)實驗操作面板電連接。其中電壓電流表顯示區(qū)I左邊七組為直流的電流電壓表，使得學生在實驗室觀察數(shù)據(jù)更加直觀，最右邊為一組數(shù)字的交流電流電壓表，可對交流的電流、電壓、功率、功率因數(shù)有更加精確地顯示；實驗時對于電流表需要進行串聯(lián)連接，電壓表進行并聯(lián)連接。并網(wǎng)逆變器2和為離網(wǎng)逆變器3模塊同時顯示了內(nèi)部原理的簡圖，學生在實驗中也可以通過簡圖來了解各模塊的整體工作原理，引發(fā)對個模塊的興趣，更深層次挖掘和學習其工作原理。面板的指示區(qū)下方左邊為電池板的輸入端，畫有兩塊電池板進行表示，引入四根電池板的導線，實驗時可以根據(jù)學生實際的操作進行串聯(lián)或者并聯(lián)的連接。電能引入后，每一級通路都設有通路指示燈，可以直觀的顯示哪一路正在工作。K1-K7為各路的斷路器，起到保護和開關的作用，其中太陽能電池板、風機輸入端與風光互補控制器間分別裝有雙路斷路器和三路斷路器，控制電能輸入類型，可控制斷路器實現(xiàn)太陽能電池單獨供電實驗，風機單獨供電實驗，風光互補同時供電實驗。在蓄電池部分特別設有兩個反向的二極管，控制蓄電池充電與放電具有獨立支路，巧妙的觀測電池兩端的供放電情況。面板右側(cè)有三個插座，上方第一個為并網(wǎng)插座，即常規(guī)的市電，通過連線逆變支路接口與插座相連，即可實現(xiàn)并網(wǎng)。下方兩個分別為交流負載的供電插座以及直流負載的供電插座。這種設計不拘泥于負載的具體產(chǎn)品，只要在功率允許的范圍內(nèi)都可以自由選擇，方便學校和學生根據(jù)實際情況對負載進行選擇。附圖4為本發(fā)明的系統(tǒng)平臺機械圖，系統(tǒng)平臺上設有屏幕顯示區(qū)4、實驗操作區(qū)5、 主機箱放置區(qū)6和蓄電池放置區(qū)7，中間為電腦鍵盤的放置抽屜，而風機、電池板和光源等為外部接入，不占用平臺的空間。附圖5為本發(fā)明開發(fā)的數(shù)據(jù)采集監(jiān)控軟件操作、顯示界面。最上方為該界面可開展的實驗項目，鼠標任意點擊某一實驗，軟件即可切換至當前實驗界面。下方為軟件模擬的指示儀表，與面板上的儀表同步顯示，在當前實驗下，方便學生讀取。最下方的按鈕可以設置采樣時間，按下停止按鈕則停止當前采集狀態(tài)，并將獲得的數(shù)據(jù)保存數(shù)據(jù)到默認地址下。新型多功能風光互補型發(fā)電系統(tǒng)教學實驗平臺可以根據(jù)新能源發(fā)電課程要求，開展風能與太陽能光伏發(fā)電相關實驗教學活動。通過實驗，學生能深刻理解，最終達到夯實基礎、加深理解、提高素質(zhì)、培養(yǎng)學生實踐與創(chuàng)新能力的目的。同時，基于該平臺，能夠為學生提供更多的自主實驗機會，利用實驗平臺提供的風機，太陽能電池板、蓄電池儲能單元以及負載單元等若干個相互獨立的模塊，自主設計與開發(fā)，組合與創(chuàng)新，進行更深一層科研探索。
權(quán)利要求
1.一種多功能風光互補型發(fā)電系統(tǒng)教學實驗平臺，包括實驗操作面板和發(fā)電設備；其特征在于，所述實驗操作面板上繪制有風光互補性型發(fā)電系統(tǒng)的電路連接圖；所述發(fā)電設備包括模擬太陽光源、太陽能電池陣列、原動風機、發(fā)電風機、風光互補型控制器、并網(wǎng)逆變器、離網(wǎng)逆變器和蓄電池，所述發(fā)電器件通過實驗操作面板上的電路連接圖電連接，其連接關系為所述太陽能電池陣列和發(fā)電風機輸出電能分別接入所述風光互補型控制器的輸入端，所述離網(wǎng)逆變器和并網(wǎng)逆變器分別并聯(lián)到所述風光互補型控制器的輸出端，所述蓄電池經(jīng)防反二極管與所述風光互補型控制器連接；所述離網(wǎng)逆變器與并網(wǎng)逆變器輸出端分別與交流輸出接口相連；直流輸出接口并聯(lián)接入所述風光互補型控制器的輸出端；所述模擬太陽光源用于產(chǎn)生模擬太陽光；所述原動風機用于產(chǎn)生風能驅(qū)動發(fā)電風機。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的一種多功能風光互補型發(fā)電系統(tǒng)教學實驗平臺，其特征在于，所述實驗操作面板上設有多個電壓表和電流表，用于檢測所述風光互補型控制器輸入端和輸出端的電流和電壓。
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述的一種多功能風光互補型發(fā)電系統(tǒng)教學實驗平臺，其特征在于，所述實驗操作面板上連接線路上設有斷路器，用于控制電路通斷。
4.根據(jù)權(quán)利要求I所述的一種多功能風光互補型發(fā)電系統(tǒng)教學實驗平臺，其特征在于，所述實驗操作面板上連接線路上設有指示燈，用于顯示電路通斷。
5.根據(jù)權(quán)利要求I所述的一種多功能風光互補型發(fā)電系統(tǒng)教學實驗平臺，其特征在于，還包括多路電壓電流數(shù)據(jù)采集卡、計算機和顯示器，所述采集卡采集所述風光互補型控制器輸入端和輸出端的電流和電壓數(shù)據(jù)傳輸?shù)剿鲇嬎銠C，所述顯示器顯示所述電流和電壓數(shù)據(jù)。
全文摘要
本發(fā)明公開一種多功能風光互補型發(fā)電系統(tǒng)教學實驗平臺，該試驗平臺包括實驗操作面板和發(fā)電設備；所述實驗操作面板上繪制有風光互補性型發(fā)電系統(tǒng)的電路連接圖；所述發(fā)電設備包括模擬太陽光源、太陽能電池陣列、原動風機、發(fā)電風機、風光互補型控制器、并網(wǎng)逆變器、離網(wǎng)逆變器和蓄電池，所述發(fā)電器件通過實驗操作面板上的電路連接圖。該平臺涵蓋了目前風能、太陽能發(fā)電技術幾乎所有的用電方式，采用實驗操作面板，結(jié)合斷路器和指示燈，直觀展現(xiàn)了本風光互補型發(fā)電系統(tǒng)的基本組成和功能特色，且方便學生接線與實驗操作。
文檔編號H02J7/35GK102610147SQ20121005605
公開日2012年7月25日 申請日期2012年3月6日 優(yōu)先權(quán)日2012年3月6日
發(fā)明者廖志凌, 徐東, 楊兆銀, 梅從立 申請人:江蘇大學