风能、海洋能与太阳能制备压缩空气的装置及控制方法

摘要

本发明公开一种风能、海洋能与太阳能制备压缩空气的装置及控制方法，包括风机、叶轮、太阳能电池组、蓄电池、工业用电接口、空气罐、空压机、传感器、变速器、控制器等，根据空气罐的实时压力选择相应的自动变速器档位可使驱动电动机尽可能在效率最高的转速范围内工作，以减少没有变速器所需的空气压缩级数，采用工业用电补充措施可消除风能、海洋能与太阳能供能的不稳定性，在电动机和空压机间设有飞轮可使电动机和空压机的转速更平稳；同时利用风能、海洋能与太阳能为各级空压机的驱动电动机提供直流电能，实现多种可再生能源的互补，减缓单一可再生能源的不稳定性，并获得更大可用功率的效果。

权利要求

1.一种风能、海洋能与太阳能制备压缩空气的装置，包括风机（1）、叶轮（39）、太阳能电池组（36），其特征是：风机（1）依次连接第一发电机（2）和第一整流单元（3），叶轮（39）依次连接第二发电机（38）和第二整流单元（37）；太阳能电池组（36）的电流输出端、第一整流单元（3）的输出端、第二整流单元（37）的输出端均并联蓄电池（35）；工业用电接口（33）两输出端接第三整流单元（31），第三整流单元（31）依次连接二极管（30）和第三可控开关（32）后并联蓄电池（35）；第一电动机（6）的电能输入端通过第一可控开关（5）并联蓄电池（35），第二电动机（29）的电能输入端通过第二可控开关（4）并联蓄电池（35）；蓄电池（35）的两电极间设有电压表（34）；第一电动机（6）的输出端与第一空压机（11）的输入端之间依次连接有第一飞轮（7）、第一自动变速器（8）及第一减速器（9）；第二电动机（29）的输出端与第二空压机（19）的输入端之间依次连接有第二飞轮（28）、第二自动变速器（27）及第二减速器（26）；第一空压机（11）的进气端连接空气进化器（10）、出气端与第一空气罐（17）的进气端相连，第一空气罐（17）的出气端与第二空压机（19）的进气端之间连接电磁阀（18），第二空压机（19）的出气端与第二空气罐（24）的进气端相连；第一、第二空气罐（17、24）上分别设有第一、第二压力传感器（16、23），电压表（34）、第一、第二压力传感器（16、23）、第一、第二、第三可控开关（5、4、32）、第一、第二自动变速器（8、27）、电磁阀（18）均分别通过信号线连接控制器（14）。

2.根据权利要求1所述的风能、海洋能与太阳能制备压缩空气的装置，其特征是： 第一空压机（11）的出气端与第一空气罐（17）的进气端之间依次连接第一散热器（12）、第一单向阀（13）和第二散热器（15）；第二空压机（19）的出气端与第二空气罐（24）的进气端之间依次连接第三散热器（20）、第二单向阀（21）和第四散热器（22）。

3.一种如权利要求1所述的风能、海洋能与太阳能制备压缩空气的装置的控制方法：

其特征是具有如下步骤：

A、当风能、海洋能及太阳能的供电电能不足时，电压表（34）显示蓄电池（35）的电压值下降，当电压表（34）对应的蓄电池（35）的电量低于其额定电量20%～40%范围内的任一值时，控制器（14）控制第三可控开关（32）接通；当电压表（34）对应的蓄电池（35）的电量高于其额定电量60%～80%范围内的任一值时，控制器（14）控制第三可控开关（32）断开；

B、当风能、海洋能及太阳能的供电电能富裕时，电压表（34）显示蓄电池（35）的电压值升高；

C、将第一空气罐（17）、第二空气罐（24）的最高压力至最低压力进行分级，级数分别与第一自动变速器（8）、第二自动变速器（27）的传动比由高到低的档位数相同，控制器（14）根据第一压力传感器（16）、第二压力传感器（23）分别显示的第一空气罐（17）、第二空气罐（24）的压力分别为第一自动变速器（8）、第二自动变速器（27）选择对应的档位。

4.根据权利要求3所述的风能、海洋能与太阳能制备压缩空气的装置的控制方法：其特征是：步骤C中：当第一空气罐（17）的实时压力达到其额定压力105%～130%范围内的任一值时，控制器（14）控制第一可控开关（5）断开，同时控制第一自动变速器（8）挂空挡，第一空压机（11）停止工作；当第一空气罐（17）的实时压力低于其额定压力80%～95%范围内的任一值时，控制器（14）控制第一可控开关（5）接通，同时控制第一自动变速器（8）挂与实时压力对应的档位，第一空压机（11）工作。

说明书

风能、海洋能与太阳能制备压缩空气的装置及控制方法

技术领域

[0001] 本发明属于可再生能源利用及存储领域，尤其涉及一种利用风能、海洋能与太阳能制备压缩空气的装置及该压缩空气制备装置的控制方法。

背景技术

[0002] 能源和环境是人类必须面对的可持续发展重大问题之一，开发和使用清洁的可再生能源是世界各国科学家的共识。目前，地球上主要的可再生能源有太阳能、水力能、风能、海洋能和生物质能。

[0003] 太阳能是指太阳光的辐射能量，它是可再生能源的主要来源。太阳能资源丰富，可免费使用、无需运输且对环境无污染，广泛地被用于发电或生产热水。

[0004] 风能是地球表面空气流动所产生的动能，属洁净的能量，在海面或近海地区具有丰富的可用风能。风能除了用来发电外，也有将其转化为电能后制备压缩空气。中国专利申请号为201010145924.2、名称为“一种风能转换蓄能机构”，提供了经过多个气动力马达经多级压缩制备压缩空气，其结构较为复杂，且能量转化效率不高。

[0005] 海洋能以其可再生性和良好的环保效应成为未来最具发展潜力的绿色清洁能源之一，也有着巨大利用潜力。现有关于海洋能的利用技术以发电、淡化海水为主，如中国专利申请号为200910038665.0、名称为“利用海洋能源进行海水淡化和发电的方法及装置”，通过采能器采集海洋波涌的能量，将采集到的能量通过海水加压泵对海水进行加压，然后通过海水高压管输入到海水淡化系统中进行淡水生产；海水淡化生产后的尾水还带有很高的压力，将其导入水轮发电机系统进行发电作业。

[0006] 由于气象条件的变化，风能、海洋能与太阳能都受到气象的影响具有不稳定的特点，因此，其能量转化也不稳定。

发明内容

[0007] 为了克服现有风能、海洋能与太阳能制备高压压缩空气时会出现不稳定的缺陷，本发明提供一种结构简单、能量供应稳定、能量转化效率高的利用风能、海洋能与太阳能制备压缩空气的装置，本发明同时还提供对该装置的控制方法。

[0008] 为实现上述目的，本发明利用风能、海洋能与太阳能制备压缩空气的装置采用的技术方案是：包括风机、叶轮、太阳能电池组，风机依次连接第一发电机和第一整流单元，叶轮依次连接第二发电机和第二整流单元；太阳能电池组的电流输出端、第一整流单元的输出端、第二整流单元的输出端均并联蓄电池；工业用电接口两输出端接第三整流单元，第三整流单元依次连接二极管和第三可控开关后并联蓄电池；第一电动机的电能输入端通过第一可控开关并联蓄电池，第二电动机的电能输入端通过第二可控开关并联蓄电池；蓄电池的两电极间设有电压表；第一电动机的输出端与第一空压机的输入端之间依次连接有第一飞轮、第一自动变速器及第一减速器；第二电动机的输出端与第二空压机的输入端之间依次连接有第二飞轮、第二自动变速器及第二减速器；第一空压机的进气端连接空气进化器、出气端与第一空气罐的进气端相连，第一空气罐的出气端与第二空压机的进气端之间连接电磁阀，第二空压机的出气端与第二空气罐的进气端相连；第一空气罐上设有第一压力传感器，第二空气罐上设有第二压力传感器；电压表、第一、第二压力传感器、第一、第二、第三可控开关、第一、第二自动变速器、电磁阀均分别通过信号线连接控制器。

[0009] 本发明利用风能、海洋能与太阳能制备压缩空气的装置的控制方法采用的技术方案是具有如下步骤：A、当风能、海洋能及太阳能的供电电能不足时，电压表显示蓄电池的电压值下降，当电压表对应的蓄电池的电量低于其额定电量20%～40%范围内的任一值时，控制器控制第三可控开关接通；当电压表对应的蓄电池的电量高于其额定电量60%～80%范围内的任一值时，控制器控制第三可控开关断开；B、当风能、海洋能及太阳能的供电电能富裕时，电压表显示蓄电池的电压值升高；当电压表对应的蓄电池的电量高于其额定电量60%～80%范围内的任一值时，控制器控制第三可控开关断开；C、将第一空气罐、第二空气罐的最高压力至最低压力进行分级，级数分别与第一自动变速器、第二自动变速器的传动比由高到低的档位数相同，控制器根据第一压力传感器、第二压力传感器分别显示的第一空气罐、第二空气罐的压力分别为第一自动变速器、第二自动变速器选择对应的档位。

[0010] 本发明采用上述技术方案后，具有的有益效果是：

[0011] 1）同时利用风能、海洋能与太阳能为各级空压机的驱动电动机提供直流电能，可实现多种可再生能源的互补，减缓单一可再生能源的不稳定性，并获得更大可用功率的效果，采用直流驱动使能量耦合更简单。

[0012] 2）设有蓄电池可使空压机驱动电动机获得更稳定的驱动电压；采用工业用电补充措施可消除风能、海洋能与太阳能供能的不稳定性。

[0013] 3）在电动机和空压机间设有飞轮可使电动机和空压机的转速更平稳；在电动机和空压机间设有减速器、空压机出气端与对应的空气罐入气口间设有多组散热器，可延长被压缩空气的散热时间及散热效率，以使空气压缩过程尽可能接近等温变化获取更高的能量转化效率。

[0014] 4）根据空气罐的实时压力选择相应的自动变速器档位可使驱动电动机尽可能在效率最高的转速范围内工作，以减少没有变速器所需的空气压缩级数。

[0015] 5）根据第二空气罐与第一空气罐的压力状态控制第一空压机与第二空压机是否工作，可避免第一空压机与第二空压机做无用功。

附图说明

[0016] 以下结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细说明：

[0017] 图1是本发明的利用风能、海洋能与太阳能制备压缩空气的装置的结构连接示意图；

[0018] 图中：1.风机；2.第一发电机；3.第一整流单元；4.第二可控开关；5.第一可控开关；6.第一电动机；7.第一飞轮；8.第一自动变速器；9.第一减速器；10.空气净化器；11.第一空压机；12.第一散热器；13.第一单向阀；14.控制器；15.第二散热器；16.第一压力传感器；17.第一空气罐；18.电磁阀；19.第二空压机；20.第三散热器；21.第二单向阀；22.第四散热器；23.第二压力传感器；24.第二空气罐；25.压缩空气输出接口；26.第二减速器；27.第二自动变速器；28.第二飞轮；29.第二电动机；30.二极管；31.第三整流单元；32.第三可控开关；33.工业用电接口；34.电压表；35.蓄电池；36.太阳能电池组；
37.第二整流单元；38.第二发电机；39.叶轮。

具体实施方式

[0019] 如图1所示，本发明风能、海洋能与太阳能制备压缩空气的装置包括风机1、叶轮39、太阳能电池组36,其中：风机1机械连接于第一发电机2，第一发电机2的电流输出端连接第一整流单元3的输入端；叶轮39机械连接于第二发电机38，第二发电机38的电流输出端连接第二整流单元37的输入端；太阳能电池组36的电流输出端、第一整流单元3的输出端、第二整流单元37的输出端均并联于蓄电池35；工业用电接口33两输出端接第三整流单元31，第三整流单元31的输出端经过二极管30和第三可控开关32后也并联于蓄电池35，二极管30保证电流仅由第三整流单元31输出端的正极流向蓄电池35的正极；第一电动机6的电能输入端通过第一可控开关5并联于蓄电池35，第二电动机29的电能输入端通过第二可控开关4并联于蓄电池35；蓄电池35的两电极间设有电压表34。

[0020] 风机1将风能转化为机械能驱动第一发电机2发电，电能经第一整流单元3整流后输送给第一电动机6和第二电动机29；叶轮39将海洋能转化为机械能驱动第二发电机38发电，电能经第二整流单元37整流后输送给第一电动机6和第二电动机29；太阳能电池组36将太阳能转化为电能输出给第一电动机6和第二电动机29，从而实现利用风能、海洋能、太阳能为制备压缩空气提供驱动的供电电能。

[0021] 第一电动机6的机械输出端与第一空压机11的机械输入端之间依次连接有第一飞轮7、第一自动变速器8、第一减速器9；第二电动机29的机械输出端与第二空压机19的机械输入端之间依次连接有第二飞轮28、第二自动变速器27、第二减速器26。

[0022] 第一飞轮7可使第一电动机6和第一空压机11的转速更平稳，第二飞轮28可使第二电动机29和第二空压机19的转速更平稳；第一减速器9可对第一电动机6进行减速增矩，并延长第一级空气压缩的散热时间以提高散热效率，第二减速器26可对第二电动机29进行减速增矩，并延长第二级空气压缩的散热时间以提高散热效率。

[0023] 第一空压机11的进气端连接空气进化器10，第一空压机11的出气端与第一空气罐17的进气端相连，且第一空压机11的出气端与第一空气罐17的进气端之间依次连接第一散热器12、第一单向阀13和第二散热器15。第一空气罐17的出气端与第二空压机19的进气端之间连接有电磁阀18；第二空压机19的出气端与第二空气罐24的进气端相连接，且第二空压机19的出气端与第二空气罐24的进气端之间依次连接有第三散热器20、第二单向阀21和第四散热器22，第二空气罐24上设有压缩空气输出接口25，第一空气罐17上设有第一压力传感器16，第二空气罐24上设有第二压力传感器23。

[0024] 第一散热器12和第二散热器15可提高散热效率，以使第一级空气压缩过程尽可能接近等温变化，第一单向阀13保证压缩空气仅由第一空压机11的出气端流向第一空气罐17的进气端；第三散热器20与第四散热器22可提高散热效率，以使第二级空气压缩过程尽可能接近等温变化；第二单向阀21保证压缩空气仅由第二空压机19的出气端流向第二空气罐24的进气端；在第二空气罐24上设有压缩空气输出接口25，便于第二空气罐24的高压气体对外灌装。

[0025] 电压表34、第一压力传感器16、第二压力传感器23分别通过信号线连接于控制器14，第一可控开关5、第二可控开关4、第三可控开关32、第一自动变速器8、第二自动变速器
27、电磁阀18分别通过控制线连接于控制器14。

[0026] 如图1所示，本发明风能、海洋能与太阳能制备压缩空气装置的控制方法是：电压表34显示蓄电池35的电压，并通过信号线传递到控制器14；风能、海洋能、太阳能为制备压缩空气提供驱动供电电能是否稳定通过电压表34显示蓄电池35的电压来判断；当风能、海洋能、太阳能为制备压缩空气提供驱动供电电能不足时，蓄电池35会向第一电动机6和/或第二电动机29提供电能，电压表34显示蓄电池35的电压值下降；当风能、海洋能、太阳能为制备压缩空气提供驱动供电电能富裕时，富裕电能会流向蓄电池35，电压表34显示蓄电池35的电压值升高；当电压表34显示电压对应的蓄电池35的电量低于其额定电量20%～40%范围内的任一具体值时（如SOC低于30%时），控制器14控制第三可控开关32接通，工业用电接口33通过第三整流电源31为装置提供补充电能，弥补风能、海洋能与太阳能提供电能的不足，以确保第一电动机6和第二电动机29有稳定的电能供应；当电压表34对应的蓄电池35的电量高于其额定电量60%～80%范围内的任一具体值时（如SOC高于
70%时），控制器14控制第三可控开关32断开，不利用工业用电接口33提供补充电能，避免能源的浪费。

[0027] 将第一空气罐17的最高压力至最低压力进行分级，级数与第一自动变速器8的档位数相同，第一自动变速器8的正常变速档位数在2到8之间选取。例如，第一自动变速器8一共有6个正常变速档位，其传动比由高到低分别对应第1档、第2档、第3档、第4档、第5档与第6档，第一空气罐17的额定压力为P1，P1在2Mpa～5Mpa之间选取，则对应地将第一空气罐17的实时压力分为6级，其压力级由低到高分别为第1级（0～P1/6）、第2级（P1/6～P1/3）、第3级（P1/3～P1/2）、第4级（P1/2～2P1/3）、第5级（2P1/3～5P1/6）与第6级（5P1/6～P1），当第一空气罐17的实时压力分别位于第1级、第2级、第3级、第4级、第5级与第6级时，则第一自动变速器8的工作档位对应为第6档、第5档、第4档、第
3档、第2档与第1档。控制器14根据第一压力传感器16显示的第一空气罐17的压力为第一自动变速器8选择对应的档位，可使第一电动机6尽可能在效率最高的转速范围内工作，同时起到降速增矩提高压力的目的，以减少没有变速器所需的空气压缩级数。同样地，将第二空气罐24的最高压力至最低压力进行分级，级数与第二自动变速器27的档位数相同，第二空气罐24的最高压力级对应第二自动变速器27的最低档位，第二空气罐24的最低压力级对应第二自动变速器27的最高档位，第二自动变速器27的正常变速档位数在2到8之间选取。例如，第二自动变速器27一共有6个正常变速档位，其传动比由高到低分别对应第1档、第2档、第3档、第4档、第5档与第6档，第二空气罐24的额定压力为P2，P2在10Mpa~30Mpa之间选取，则对应将第二空气罐24的实时压力分为6级，其压力级由低到高分别为第1级（0~ P2/6）、第2级（P2/6~ P2/3）、第3级（P2/3~ P2/2）、第4级（P2/2~2P2/3）、第5级（2P2/3~5P2/6）与第6级（5P2/6~ P2），当第二空气罐24的实时压力分别位于第1级、第2级、第3级、第4级、第5级与第6级，则第二自动变速器27的工作档位对应为第6档、第5档、第4档、第3档、第2档与第1档。控制器14根据第二压力传感器23显示的压力为第二自动变速器27选择对应的档位可使第二电动机29尽可能在效率最高的转速范围内工作，同时起到降速增矩提高压力的目的，以减少没有变速器所需的压缩级数。

[0028] 第一压力传感器16将第一空气罐17的实时压力值传递给控制器14，当第一空气罐17的实时压力达到其额定压力105%～130%范围内的任一具体值时（如其额定压力的110%），控制器14控制第一可控开关5断开，同时控制第一自动变速器8挂空挡，使第一空压机11停止工作，避免第一空压机11做无用功；当第一空气罐17的实时压力低于其额定压力80%～95%范围内的任一具体值时（如其额定压力的90%），控制器14控制第一可控开关5接通，同时控制第一自动变速器8挂与上述压力对应的档位，使第一空压机11工作。

[0029] 如图1所示，本发明风能、海洋能与太阳能制备压缩空气装置的控制方法是：第一压力传感器16将第一空气罐17的实时压力值传递给控制器14，当第一空气罐17的实时压力超过其额定压力75%～90%范围内的任一具体值时（如其额定压力的80%），控制器14控制电磁阀18接通，并控制第二可控开关2接通，根据第二压力传感器23显示的第二空气罐24的实时压力值控制第二自动变速器27挂相对应的档位，使第二空压机19工作；第一压力传感器16将第一空气罐17的实时压力值传递给控制器14，当第一空气罐17的实时压力低于其额定压力60%～70%范围内的任一具体值时（如其额定压力的70%），控制器14控制电磁阀18断开，并控制第二可控开关2断开，同时控制第二自动变速器27挂空挡，使第二空压机19停止工作，以避免第二空压机19做无用功。

[0030] 以上是本发明的具体应用范例，对本发明的保护范围不构成任何限制，除上述实施例外，本发明还可以有其他实施方式，凡采用等同替换或等效变换形成的技术方案均落在本发明所要保护的范围之内。