專利名稱：風(fēng)光氫綜合能源發(fā)電系統(tǒng)性能測試方法及其測試平臺(tái)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種風(fēng)光氫綜合能源發(fā)電系統(tǒng)性能的測試方法及其專用測試平臺(tái)。
背景技術(shù)：
風(fēng)光氫綜合能源發(fā)電系統(tǒng)是一種綜合利用太陽能電池板產(chǎn)生的電能和風(fēng)力發(fā)電機(jī)產(chǎn) 生的電能電解水制取氫氣，并最終得到氫燃料電池的一種發(fā)電系統(tǒng)，這樣將太陽能和風(fēng)能 轉(zhuǎn)化為氫能儲(chǔ)存起來，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)自然能源的利用。在現(xiàn)有技術(shù)中，公開號(hào)CN101024883A 的專利曾公布了一種風(fēng)、光制氫及提煉重水的方法與設(shè)備。它共有5大部分構(gòu)成l.太 陽能發(fā)電部分、2.風(fēng)力發(fā)電部分、3.水電解氫氧部分、4.普氫貯存部分、5.制高壓超純 氫部分等；其中第一部分由太陽能集熱板組成的集熱器組、集熱回路、循環(huán)泵、熱交換器、 蒸氣回路、汽輪發(fā)動(dòng)機(jī)、發(fā)電機(jī)、冷卻器構(gòu)成；第二部分中由立軸、變速輪、力臂、活動(dòng) 風(fēng)門、地輪、軌道、發(fā)電機(jī)等構(gòu)成。第三部分中由變電降壓器、直流脈沖電源器、電解槽、 氣水分離器、冷卻干燥氣、循環(huán)泵、電動(dòng)機(jī)、供水池、重水集水池、重水輸出管、氫氣出 口A、氧氣出口B構(gòu)成；第四部分中由鋼制外殼、氧氣出口、氫氣出口、活動(dòng)壓板、膠制 IC氫軟膽、膠制貯氧軟膽、閥門、氫氣進(jìn)口 A'、氧氣進(jìn)口 B'構(gòu)成；第五部分中由催化 脫氧干燥凈化器、金屬氫化物終端凈化壓縮器；產(chǎn)品貯存鋼瓶以及連接管道；閥門K1 K6、 Kl' K6'等構(gòu)成。本設(shè)備以140KW規(guī)格每小時(shí)可產(chǎn)高壓超純氫101.2kg;產(chǎn)氧氣896kg; 提煉重水O. 15kg;耗水2000kg;效率90%;壓力13-15MPa;純度可達(dá)99.9999%。公開 號(hào)CN1664169曾公開了一種風(fēng)光互補(bǔ)制氫方法及其裝置。它利用太陽能電池板和風(fēng)力發(fā)電 機(jī)綜合發(fā)電電解水制取氫氣。太陽能和風(fēng)能的結(jié)合能彌補(bǔ)單純由太陽能或單純由風(fēng)能發(fā)電 制取氫氣的不足和缺點(diǎn)，保證了水電解器能源源不斷地獲得電能電解水制氫。水電解的最 低電壓在2-3伏特，所以只需要小型的太陽能電池板和微型風(fēng)力發(fā)電機(jī)即可。該裝置可以 根據(jù)不同的需要和規(guī)模靈活地組裝，它既可以建成家庭用的小型氫能供應(yīng)系統(tǒng)，又可以建 成大型的氫能供應(yīng)系統(tǒng)。
上述的現(xiàn)有專利，均只是公開了一種風(fēng)光氫綜合能源發(fā)電技術(shù)或者系統(tǒng)，但是它們均 沒有公開這種風(fēng)光氫綜合能源發(fā)電系統(tǒng)的設(shè)計(jì)過程。在發(fā)電機(jī)技術(shù)領(lǐng)域中，很多發(fā)電機(jī)在設(shè)計(jì)時(shí)均有相應(yīng)的性能測試方法和測試平臺(tái)，可用于檢測研究發(fā)電機(jī)的設(shè)計(jì)是否合理，再 根據(jù)檢測結(jié)果對(duì)發(fā)電機(jī)進(jìn)行優(yōu)化和改進(jìn)，但是現(xiàn)有技術(shù)中尚不存在專門的對(duì)風(fēng)光氫綜合能 源發(fā)電系統(tǒng)進(jìn)行性能測試分析的方法和平臺(tái)，這樣就制約了風(fēng)光氫綜合能源發(fā)電系統(tǒng)的利 用和發(fā)展。
所以如何開發(fā)出一種小型風(fēng)力發(fā)電機(jī)性能測試方法和相應(yīng)的測試平臺(tái)，以方便研究分 析其實(shí)際工作狀況并對(duì)其性能進(jìn)行優(yōu)化，就成為本行業(yè)內(nèi)亟待解決的問題。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是為了克服上述現(xiàn)有技術(shù)的不足而提供一種可方便技術(shù) 人員研究分析風(fēng)光氫綜合能源發(fā)電系統(tǒng)工作狀況以對(duì)其進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)的風(fēng)光氫綜合能源 發(fā)電系統(tǒng)性能測試方法和相應(yīng)的測試平臺(tái)。
為解決上述技術(shù)問題，發(fā)明人采用了如下的技術(shù)方案-
一種風(fēng)光氫綜合能源發(fā)電系統(tǒng)性能測試方法，其特點(diǎn)在于包括以下步驟
a、 分別建立風(fēng)光氫綜合能源發(fā)電系統(tǒng)中風(fēng)力發(fā)電機(jī)、光伏電池、氫燃料電池三大部
分的數(shù)學(xué)模型，再經(jīng)計(jì)算分別得到其特性方程，制得相應(yīng)軟件模塊并將其預(yù)設(shè)入工控機(jī)內(nèi)；
b、 將待測試風(fēng)光氫綜合能源發(fā)電系統(tǒng)的屬性參數(shù)，包括風(fēng)力發(fā)電機(jī)部分的葉片幾何 尺寸、翼型升阻力系數(shù)、葉片安裝位置、傳動(dòng)系統(tǒng)傳動(dòng)比、電機(jī)參數(shù)、塔架高度等參數(shù)； 光伏電池部分的短路電流、最大工作電流、最大工作電壓、開路電壓、太陽輻射參考值、 電流溫度系數(shù)、電壓溫度系數(shù)、列陣串聯(lián)電阻等參數(shù)；氫燃料電池部分的進(jìn)入增濕器中的 摩爾流量、陽極體積、燃料電池溫度、摩爾密度、燃料流速、通道截面面積等參數(shù)，預(yù)輸 入工控機(jī)；
c、 設(shè)計(jì)一包括通風(fēng)機(jī)和風(fēng)道的人造風(fēng)源和一防太陽能光源，其中仿太陽能光源功率 視待測試的光伏電池功率而定，具體地可將仿太陽能光源功率設(shè)置為高于光伏電池功率數(shù) 的20%，這樣更有利于檢測；
d、 使用變頻器調(diào)節(jié)控制所述人造風(fēng)源中通風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)速，在風(fēng)道的出風(fēng)口得到連續(xù)變 化的模擬自然風(fēng)速；采用仿太陽能光源作為光伏電池的能量來源，輔以工控機(jī)控制光源功 率，制造可變化的發(fā)光環(huán)境，以模擬光伏電池在自然情況下的運(yùn)行情況；通過風(fēng)速和光源 強(qiáng)度的變化組合，來模擬自然情況下復(fù)合能源系統(tǒng)的工作情況；
e、 在人造風(fēng)源的出風(fēng)口設(shè)置一風(fēng)速計(jì)檢測此連續(xù)變化的風(fēng)速信號(hào)，并使用數(shù)據(jù)采集 卡將其轉(zhuǎn)化為連續(xù)變化的數(shù)字信號(hào)后輸入工控機(jī)內(nèi)，經(jīng)計(jì)算得到小型風(fēng)力發(fā)電機(jī)性能理論曲線圖；同時(shí)采用所述太陽能光源照射所需測試的光伏電池，在光伏電池相鄰位置采用光 強(qiáng)傳感器和溫度儀檢測所述防太陽能光源所發(fā)出的光強(qiáng)和溫度，將此檢測到的光強(qiáng)和溫度 的變化值輸入工控機(jī)內(nèi)，經(jīng)計(jì)算得到光伏電池性能理論曲線圖；同時(shí)綜合小型風(fēng)力發(fā)電機(jī) 性能理論曲線圖和光伏電池性能理論曲線圖后，計(jì)算得到氫燃料電池的功率變化理論曲線 f、 將待檢測的小型風(fēng)力發(fā)電機(jī)面向出風(fēng)口設(shè)置于與風(fēng)速計(jì)相鄰位置，并使用數(shù)據(jù)采 集卡采集小型風(fēng)力發(fā)電機(jī)性能實(shí)際值，將此值輸入工控機(jī)得到小型風(fēng)力發(fā)電機(jī)性能實(shí)際曲 線圖；同時(shí)通過數(shù)據(jù)采集卡采集所需測試的光伏電池的性能實(shí)際值，將此值輸入工控機(jī)得 到所需測試的光伏電池的性能實(shí)際曲線圖；同時(shí)經(jīng)數(shù)據(jù)采集卡采集氫燃料電池的實(shí)際功 率，得到氫燃料電池的功率變化實(shí)際曲線g、 將小型風(fēng)力發(fā)電機(jī)性能實(shí)際曲線圖與理論曲線圖比較，從而判斷小型風(fēng)力發(fā)電機(jī) 性能是否符合要求；將所需測試的光伏電池性能實(shí)際曲線圖與理論曲線圖比較，從而判斷 所需測試的光伏電池性能是否符合要求；將氫燃料電池性能實(shí)際曲線圖與理論曲線圖比 較，從而判斷風(fēng)光氫綜合能源發(fā)電系統(tǒng)性能是否符合要求。
本方法所針對(duì)的風(fēng)光氫綜合能源發(fā)電系統(tǒng)是指，包括風(fēng)力發(fā)電機(jī)、太陽能電池及氫燃 料電池等幾大部分構(gòu)成的綜合能源系統(tǒng)，其使用時(shí)是將風(fēng)力發(fā)電機(jī)、太陽能電池產(chǎn)生的電 流輸入到電解槽，從而在電解液中電解出氫氣，然后將氫氣依次通過壓縮設(shè)備和蓄氫設(shè)備 后，氫存放在氫燃料電池中以備使用。其中，風(fēng)力發(fā)電機(jī)采用現(xiàn)有通用技術(shù)；而太陽能電 池則采用光伏電池，將太陽能直接轉(zhuǎn)化為電能存放在光伏電池中；再最終將產(chǎn)生的電能轉(zhuǎn) 化為氫燃料電池，可方便儲(chǔ)備使用。
在本方法中，其中a步驟所述建立風(fēng)力發(fā)電機(jī)的數(shù)學(xué)模型，是指申請(qǐng)人自主設(shè)計(jì)的一 種新型動(dòng)態(tài)入流空氣動(dòng)力學(xué)理論，以此為基礎(chǔ)，申請(qǐng)人建立了風(fēng)力發(fā)電機(jī)組系統(tǒng)非線性數(shù) 學(xué)分析模型，實(shí)現(xiàn)了風(fēng)力發(fā)電機(jī)組系統(tǒng)之間各部件的耦合仿真分析。并在此數(shù)學(xué)分析模型 的基礎(chǔ)上，開發(fā)應(yīng)用軟件，此數(shù)學(xué)模型解決了傳統(tǒng)的風(fēng)力發(fā)電機(jī)數(shù)學(xué)模型葉素動(dòng)量理論不 能考慮由于空氣質(zhì)量引起的時(shí)間滯后的缺陷，能夠使分析結(jié)果更加精確。其中光伏電池和 氫燃料電池的數(shù)學(xué)模型均為現(xiàn)有技術(shù)中已知的數(shù)學(xué)模型。步驟d中使用變頻器調(diào)節(jié)控制通 風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速時(shí)，可以直接由人工操作控制，也可直接將變頻調(diào)節(jié)器與工控機(jī)相連，由電腦預(yù) 設(shè)程序?qū)崿F(xiàn)自動(dòng)控制；防太陽能光源的光強(qiáng)大小可通過調(diào)節(jié)與其串聯(lián)的可變電阻的阻值大 小來進(jìn)行調(diào)節(jié)和模擬自然光變化情況；步驟e、 f、 g中的小型風(fēng)力發(fā)電機(jī)性能理論分析曲 線圖和實(shí)際測試曲線圖主要指其變化的風(fēng)速和輸出功率之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系曲線圖；所述光伏電池性能理論曲線圖和實(shí)際曲線圖主要是指P-V特性曲線，I-V特性曲線。所述氫燃料電
池的功率變化理論曲線圖和實(shí)際曲線圖主要是指功率隨時(shí)間的變化曲線；在上述各步驟中 的各種計(jì)算和比較過程均是由工控機(jī)自動(dòng)控制實(shí)現(xiàn)并直接輸出比較結(jié)果，同時(shí)其中用于計(jì)
算的數(shù)學(xué)模型和軟件模塊即為步驟a中所設(shè)計(jì)的數(shù)學(xué)模型和相應(yīng)軟件模塊，計(jì)算所采用的
數(shù)據(jù)即為步驟b中輸入的參數(shù)和步驟e、 f中測得的數(shù)據(jù)值。
本發(fā)明還提供一種上述性能測試方法中使用的風(fēng)光氫綜合能源發(fā)電系統(tǒng)性能測試平
臺(tái)，其特點(diǎn)在于包括風(fēng)能部分測試系統(tǒng)、光能部分測試系統(tǒng)和氫能轉(zhuǎn)化部分測試系統(tǒng)；其
中風(fēng)能部分測試系統(tǒng)包括通風(fēng)機(jī)、風(fēng)道、風(fēng)速計(jì)、待測小型風(fēng)力發(fā)電機(jī)和工控機(jī)，所述通
風(fēng)機(jī)設(shè)置于風(fēng)道的一端，風(fēng)道的另一端出風(fēng)口處設(shè)置風(fēng)速計(jì)與待測小型風(fēng)力發(fā)電機(jī)，其中
通風(fēng)機(jī)與一變頻調(diào)速器相連，變頻調(diào)速器與工控機(jī)相連，風(fēng)速計(jì)與待測小型風(fēng)力發(fā)電機(jī)通
過數(shù)據(jù)采集卡與工控機(jī)相連；光能部分測試系統(tǒng)包括仿太陽能光源、可變電阻、光強(qiáng)傳感
器、溫度測量儀、待測光伏電池，其中防太陽能光源與可變電阻相連，并可通過改變可變
電阻的電阻大小調(diào)節(jié)防太陽能光源發(fā)光強(qiáng)度大小，待測光伏電池設(shè)置于防太陽能光源可照
射處，光強(qiáng)傳感器和溫度測量儀與待測光伏電池相鄰設(shè)置，光強(qiáng)傳感器、溫度測量儀與待
測光伏電池均通過數(shù)據(jù)采集卡與工控機(jī)相連；氫能轉(zhuǎn)化部分包括氫燃料電池，所述氫燃料
電池通過數(shù)據(jù)采集卡與工控機(jī)相連。本測試平臺(tái)與上述測試方法是匹配的，是為實(shí)踐上述
測試方法而專門設(shè)計(jì)的測試平臺(tái)。
本技術(shù)方案中的發(fā)電機(jī)性能測試方法及設(shè)計(jì)的測試平臺(tái)，能方便技術(shù)人員檢測分析研 究風(fēng)光氫綜合能源發(fā)電系統(tǒng)工作狀況以對(duì)其進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，填補(bǔ)了風(fēng)光氫綜合能源發(fā)電系 統(tǒng)研究中對(duì)于設(shè)計(jì)測試優(yōu)化這方面的技術(shù)空白，同時(shí)本方法中采用的風(fēng)力發(fā)電機(jī)的新型數(shù) 學(xué)模型，能夠使本測試方法的分析結(jié)果更加精確、可靠。


圖1為本發(fā)明風(fēng)光氫綜合能源發(fā)電系統(tǒng)性能測試原理圖； 圖2為本發(fā)明的測試平臺(tái)結(jié)構(gòu)示意圖3為本發(fā)明中風(fēng)力發(fā)電機(jī)測試部分所建數(shù)學(xué)模型中的橢圓坐標(biāo)系定義圖4為本發(fā)明中風(fēng)力發(fā)電機(jī)測試部分所建數(shù)學(xué)模型中的風(fēng)速變化功率變化曲線圖5為本發(fā)明中光伏電池I-U曲線
圖6為本發(fā)明中光伏電池p-U曲線
圖7為本發(fā)明中氫燃料電池功率測試曲線
具體實(shí)施例方式
下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步詳述 實(shí)施例
一種風(fēng)光氫綜合能源發(fā)電系統(tǒng)性能測試方法，其特點(diǎn)在于包括以下步驟
a、 分別建立風(fēng)光氫綜合能源發(fā)電系統(tǒng)中風(fēng)力發(fā)電機(jī)、光伏電池、氫燃料電池三大部 分的數(shù)學(xué)模型，再經(jīng)計(jì)算分別得到其特性方程，制得相應(yīng)軟件模塊并將其預(yù)設(shè)入工控機(jī)內(nèi)；
b、 將待測試風(fēng)光氫綜合能源發(fā)電系統(tǒng)的屬性參數(shù)，包括風(fēng)力發(fā)電機(jī)部分的葉片幾何 尺寸、翼型升阻力系數(shù)、葉片安裝位置、傳動(dòng)系統(tǒng)傳動(dòng)比、電機(jī)參數(shù)、塔架高度等參數(shù)； 光伏電池部分的短路電流、最大工作電流、最大工作電壓、開路電壓、太陽輻射參考值、 電流溫度系數(shù)、電壓溫度系數(shù)、列陣串聯(lián)電阻等參數(shù)；氫燃料電池部分的進(jìn)入增濕器中的 摩爾流量、陽極體積、燃料電池溫度、摩爾密度、燃料流速、通道截面面積等參數(shù)，預(yù)輸 入工控機(jī)；
C、設(shè)計(jì)一包括通風(fēng)機(jī)和風(fēng)道的人造風(fēng)源和一防太陽能光源，其中防太陽能光源功率 視待測試的光伏電池功率而定，仿太陽能光源功率設(shè)置為高于光伏電池功率數(shù)的20%;
d、 使用變頻器調(diào)節(jié)控制所述人造風(fēng)源中通風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)速，在風(fēng)道的出風(fēng)口得到連續(xù)變 化的模擬自然風(fēng)速；采用仿太陽能光源作為光伏電池的能量來源，輔以工控機(jī)控制光源功 率，制造可變化的發(fā)光環(huán)境，以模擬光伏電池在自然情況下的運(yùn)行情況；通過風(fēng)速和光源 強(qiáng)度的變化組合，來模擬自然情況下復(fù)合能源系統(tǒng)的工作情況，例如可模擬白天風(fēng)漸漸減 小，光射漸漸增大的自然狀態(tài)，也可模擬傍晚風(fēng)漸漸增大，光射漸漸減小的自然狀況；
e、 在人造風(fēng)源的出風(fēng)口設(shè)置一風(fēng)速計(jì)檢測此連續(xù)變化的風(fēng)速信號(hào)，并使用數(shù)據(jù)采集 卡將其轉(zhuǎn)化為連續(xù)變化的數(shù)字信號(hào)后輸入工控機(jī)內(nèi)，經(jīng)計(jì)算得到小型風(fēng)力發(fā)電機(jī)性能理論 曲線圖；同時(shí)采用所述太陽能光源照射所需測試的光伏電池，在光伏電池相鄰位置采用光 強(qiáng)傳感器和溫度儀檢測所述防太陽能光源所發(fā)出的光強(qiáng)和溫度，將此檢測到的光強(qiáng)和溫度 的變化值輸入工控機(jī)內(nèi)，經(jīng)計(jì)算得到光伏電池性能理論曲線圖；同時(shí)綜合小型風(fēng)力發(fā)電機(jī) 性能理論曲線圖和光伏電池性能理論曲線圖后，計(jì)算得到氫燃料電池的功率變化理論曲線 f、 將待檢測的小型風(fēng)力發(fā)電機(jī)面向出風(fēng)口設(shè)置于與風(fēng)速計(jì)相鄰位置，并使用數(shù)據(jù)采 集卡采集小型風(fēng)力發(fā)電機(jī)性能實(shí)際值，將此值輸入工控機(jī)得到小型風(fēng)力發(fā)電機(jī)性能實(shí)際曲 線圖；同時(shí)通過數(shù)據(jù)采集卡采集所需測試的光伏電池的性能實(shí)際值，將此值輸入工控機(jī)得到所需測試的光伏電池的性能實(shí)際曲線圖；同時(shí)經(jīng)數(shù)據(jù)采集卡采集氫燃料電池的實(shí)際功 率，得到氫燃料電池的功率變化實(shí)際曲線g、將小型風(fēng)力發(fā)電機(jī)性能實(shí)際曲線圖與理論曲線圖比較，從而判斷小型風(fēng)力發(fā)電機(jī) 性能是否符合要求；將所需測試的光伏電池性能實(shí)際曲線圖與理論曲線圖比較，從而判斷 所需測試的光伏電池性能是否符合要求；將氫燃料電池性能實(shí)際曲線圖與理論曲線圖比 較，從而判斷風(fēng)光氫綜合能源發(fā)電系統(tǒng)性能是否符合要求。
圖l為本發(fā)明風(fēng)光氫綜合能源發(fā)電系統(tǒng)性能測試原理圖，如圖所示，通過工控機(jī)，對(duì) 變頻器和可調(diào)電阻進(jìn)行調(diào)節(jié)，實(shí)現(xiàn)對(duì)人造風(fēng)源和仿太陽能光源的調(diào)節(jié)，實(shí)現(xiàn)對(duì)風(fēng)速和光強(qiáng) 度的調(diào)節(jié)，上述調(diào)節(jié)是通過計(jì)算機(jī)程序模擬自然情況下不同的工況組合進(jìn)行的調(diào)節(jié)，例如 當(dāng)需模擬黎明時(shí)的自然情況，就應(yīng)該是光強(qiáng)逐漸增大的同時(shí)風(fēng)速逐漸減小，當(dāng)需模擬傍晚 時(shí)的自然情況，就應(yīng)該是光強(qiáng)逐漸減小的同時(shí)風(fēng)速逐漸增大；在人造風(fēng)源和仿太陽能光源 模擬自然條件進(jìn)行工作的同時(shí)，利用由風(fēng)速計(jì)、光強(qiáng)傳感器、溫度儀以及數(shù)據(jù)采集卡等構(gòu) 成的信號(hào)采集系統(tǒng)采集風(fēng)速和光強(qiáng)溫度等在模擬自然情況下的實(shí)際變化值，同時(shí)通過信號(hào) 采集系統(tǒng)自動(dòng)采集或者通過人工輸入等方式獲得帶測試的風(fēng)力發(fā)電機(jī)組、光伏電池和氫燃 料電池的性能參數(shù)，并將上述所有數(shù)據(jù)均輸入到工控機(jī)內(nèi)進(jìn)行計(jì)算，獲得待測試的系統(tǒng)各 部分的理論特性曲線圖；通過信號(hào)采集系統(tǒng)獲取待測試的系統(tǒng)各部分的實(shí)際工作性能數(shù) 據(jù)，得到待測試系統(tǒng)各部分的實(shí)際特性曲線圖，將理論特性曲線圖與實(shí)際特性曲線圖比較， 研究綜合能源系統(tǒng)的性能是否滿足要求，再反饋到設(shè)計(jì)中去，可反應(yīng)出設(shè)計(jì)時(shí)候是否存在 缺陷，便于調(diào)整和修改風(fēng)光氫綜合能源發(fā)電系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案。其中的計(jì)算和比較均是通過 預(yù)設(shè)在工控機(jī)內(nèi)部的軟件程序中的數(shù)學(xué)性能分析模型來自動(dòng)進(jìn)行計(jì)算和比較，其數(shù)學(xué)建模 的過程將隨后進(jìn)行介紹。
本實(shí)施方式中所針對(duì)的風(fēng)光氫綜合能源發(fā)電系統(tǒng)是指，包括風(fēng)力發(fā)電機(jī)、太陽能電池 及氫燃料電池等幾大部分構(gòu)成的綜合能源系統(tǒng)，其使用時(shí)是將風(fēng)力發(fā)電機(jī)、太陽能電池產(chǎn) 生的電流輸入到電解槽，從而在電解液中電解出氫氣，然后將氫氣依次通過壓縮設(shè)備和蓄 氫設(shè)備后，氫存放在氫燃料電池中以備使用。其中，風(fēng)力發(fā)電機(jī)采用現(xiàn)有通用技術(shù)；而太 陽能電池則采用光伏電池，將太陽能直接轉(zhuǎn)化為電能存放在光伏電池中；再最終將產(chǎn)生的 電能轉(zhuǎn)化為氫燃料電池，可方便儲(chǔ)備使用。
在上述方法中，其中a步驟所述建立風(fēng)力發(fā)電機(jī)的數(shù)學(xué)模型，是指申請(qǐng)人自主設(shè)計(jì)的 一種新型動(dòng)態(tài)入流空氣動(dòng)力學(xué)理論，以此為基礎(chǔ)，申請(qǐng)人建立了風(fēng)力發(fā)電機(jī)組系統(tǒng)非線性 數(shù)學(xué)分析模型，實(shí)現(xiàn)了風(fēng)力發(fā)電機(jī)組系統(tǒng)之間各部件的耦合仿真分析。并在此數(shù)學(xué)分析模型的基礎(chǔ)上，開發(fā)應(yīng)用軟件。具體地說，其過程包括以下部分。 空氣動(dòng)力學(xué)部分
申請(qǐng)人開拓性地將應(yīng)用于直升機(jī)懸翼空氣動(dòng)力學(xué)計(jì)算的動(dòng)態(tài)尾流理論用于風(fēng)力發(fā)電 機(jī)的空氣動(dòng)力學(xué)計(jì)算。
其解析解就是由尸r3/7說7利用在橢圓坐標(biāo)系下推導(dǎo)出的閉環(huán)形式的勢函數(shù)，該函數(shù)可 給出槳盤上任意壓力不連續(xù)分布，較適合旋翼空氣動(dòng)力學(xué)計(jì)算。該函數(shù)形式如下
O)(v， 7/,『,0 = t S c (v)2: (! T7)[C: cos(m+ D m sin(m
附=0 =加+1,針31> (1)
這里系數(shù)e，和"7可以唯一地定義旋翼流場的壓力分布，v，7和^為橢圓坐標(biāo)系坐標(biāo)，
參考圖3。在槳盤上有7-0和v-Vi^77，函數(shù)p， Q分別是第一類和第二類Legendre函數(shù)， 那么槳盤上壓力分布
尸(尸，W力=一22《(v)2;: (iO)[C"w cos(附^) +￡) 戰(zhàn)sin(附p)〗
， (2)
考慮0^和cD「滿足Lap;Lace方程，可得到
尸、p,^0 = I; |7;>)[ot)k coso^)+(c sin(附w]
:0w-附+l，m+3…
(3)
如上所述，將勢函數(shù)分割成兩部分由加速度所產(chǎn)生的部分和由于動(dòng)量通量所產(chǎn)生的 部分，兩部分都滿足Laplace方程，由此而建立旋翼垂直方向誘導(dǎo)速度和勢函數(shù)之間的關(guān) 系
"& (5) ^ = -^|# = 0三￡
(7)左乘戶/和cos(m y)(或sin(m y))，并沿槳盤積分得到:<formula>formula see original document page 11</formula>(9)
結(jié)合實(shí)際應(yīng)用，將誘導(dǎo)速度表達(dá)式改寫為可根據(jù)需要的諧波次數(shù)N 及每個(gè)諧波函數(shù)需要的徑向形函數(shù)個(gè)數(shù)&階段的形式。階段后的誘導(dǎo)速度表達(dá)式修改
為<formula>formula see original document page 11</formula>(10)
申請(qǐng)人曾采用上述方法對(duì)某失速型600千瓦風(fēng)力發(fā)電機(jī)組進(jìn)行空氣動(dòng)力學(xué)性能分析， 研究表明在考慮穩(wěn)態(tài)風(fēng)速時(shí)，計(jì)算的結(jié)果同用葉素動(dòng)量理論和Bladed軟件分析得到的結(jié) 果相比是近似的，表明這種理論可以用來進(jìn)行空氣動(dòng)力學(xué)性能的計(jì)算。在考慮動(dòng)態(tài)的風(fēng)速 變化時(shí)，釆用此種理論能夠考慮到空氣質(zhì)量引起的時(shí)間滯后性，如圖4所示。
機(jī)械傳動(dòng)部分
如圖5所示。風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的功率傳動(dòng)鏈主要是由風(fēng)輪轉(zhuǎn)子、低速軸、齒輪箱、高速 軸和發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子構(gòu)成的。申請(qǐng)人在新型空氣動(dòng)力學(xué)理論的基礎(chǔ)上，建立了傳動(dòng)系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)
風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的傳動(dòng)系統(tǒng)通?？梢钥闯墒怯捎邢迋€(gè)慣性元件、彈性元件及阻尼元件組 成的系統(tǒng)。因此，在建立風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的機(jī)理模型中，通常采用彈簧阻尼質(zhì)量系統(tǒng)為力學(xué) 模型，此力學(xué)模型的基本動(dòng)力學(xué)方程式為
{^}糾+{(:}^}+化}{"}={^ (11)
式中(腐是整體質(zhì)量矩陣，{^}是整體阻尼矩陣，U]是整體剛度矩陣，{對(duì)是外載荷陣列，
{4{4糾分別為節(jié)點(diǎn)的位移、速度、加速度陣列。
風(fēng)輪轉(zhuǎn)子和低速軸的動(dòng)態(tài)特性
根據(jù)建模機(jī)理，可以用一個(gè)簡單的彈簧-質(zhì)量-阻尼模型來描述風(fēng)輪轉(zhuǎn)子和低 速軸的動(dòng)態(tài)特性。運(yùn)動(dòng)方程式為
(12)
r二^(0w—《)+萬々^+5: 《)
式中^:風(fēng)輪轉(zhuǎn)子的角位移；《低速軸的角位移；^ :風(fēng)輪轉(zhuǎn)子的阻尼；A低速軸的外阻尼；《低速軸的內(nèi)阻尼；低速軸的剛度；f :低速軸上的扭矩。 齒輪箱的動(dòng)態(tài)特性
<formula>formula see original document page 12</formula> (13)
式中高速軸的扭矩；高速軸的角位移。 高速軸和發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子的動(dòng)態(tài)特性
由于高速軸的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量比發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量小的多，因此可以忽略不計(jì)。故最后 得到的運(yùn)動(dòng)方程為
<formula>formula see original document page 12</formula>(14)
式中知高速軸的剛度；高速軸的外阻尼；&、高速軸的內(nèi)阻尼；發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子的 角位移。
發(fā)電機(jī)的動(dòng)態(tài)分析模型
感應(yīng)發(fā)電機(jī)也稱為異步發(fā)電機(jī)，有鼠籠型和繞線型兩種。鼠籠型異步發(fā)電機(jī)不需要外 加勵(lì)磁，沒有滑環(huán)和電刷，結(jié)構(gòu)簡單、堅(jiān)固，基本上不需要維護(hù)，因而在風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中 得到了廣泛應(yīng)用。感應(yīng)電機(jī)既可作為電動(dòng)機(jī)運(yùn)行，也可作為發(fā)電機(jī)運(yùn)行。當(dāng)作電動(dòng)機(jī)運(yùn)行 時(shí)，其轉(zhuǎn)速^總是低于同步速r。為電網(wǎng)頻率，化為極對(duì)數(shù)。這時(shí)電機(jī)中產(chǎn)生的 電磁轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)向相同。感應(yīng)電機(jī)高于同步速時(shí)，則電磁轉(zhuǎn)矩的方向與旋轉(zhuǎn)方向相反，電機(jī) 作為發(fā)電機(jī)運(yùn)行，其作用是把機(jī)械功率轉(zhuǎn)變?yōu)殡姽β?。發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)差率S為式(15)， 5"> 0作電動(dòng)機(jī)運(yùn)行，S 〈 0作發(fā)電機(jī)運(yùn)行。
<formula>formula see original document page 12</formula> (15)
感應(yīng)發(fā)電機(jī)的功率輸出特性如圖6所示。感應(yīng)發(fā)電機(jī)的輸出功率與轉(zhuǎn)速有關(guān)，通常在 高于同步轉(zhuǎn)速3% 5%的轉(zhuǎn)速時(shí)達(dá)到最大值。超過這個(gè)轉(zhuǎn)速，感應(yīng)發(fā)電機(jī)進(jìn)入不穩(wěn)定運(yùn)行 區(qū)。
恒速感應(yīng)式發(fā)電機(jī)的模型可以簡化為一階線性微分方程形式(16)，該模型代表了一 臺(tái)直接并網(wǎng)的感應(yīng)式發(fā)電機(jī)。
<formula>formula see original document page 12</formula>(16)
其中A為發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)矩/轉(zhuǎn)速曲線的斜率；r為發(fā)電機(jī)的時(shí)間常數(shù)。 上述數(shù)學(xué)模型為申請(qǐng)人自主研發(fā)設(shè)計(jì)，解決了傳統(tǒng)的風(fēng)力發(fā)電機(jī)數(shù)學(xué)模型葉素動(dòng)量理 論不能考慮由于空氣質(zhì)量引起的時(shí)間滯后的缺陷，能夠使分析結(jié)果更加精確。在本方法中，其中a步驟所述光伏電池和氫燃料電池的數(shù)學(xué)模型均為現(xiàn)有技術(shù)中告知
的數(shù)學(xué)模型。具體地說，其中太陽能光伏電池特性曲線計(jì)算數(shù)學(xué)模型為
<formula>formula see original document page 13</formula>
式中ISC——短路電流；Im——最大工作電流；Vm——最大工作電壓；Voc—開路電
壓；Ir、 Tr一太陽輻射和光伏電池溫度參考值， 一般取為lkW/ra2， 25°C; IT、 Tc一任意時(shí)
刻的光伏陣列傾斜面上的總太陽輻射及溫度；"——電流溫度系數(shù)；"——電壓溫度系數(shù)； Rs一陣列串聯(lián)電阻。
氫燃料電池特性曲線計(jì)算數(shù)學(xué)模型為
上式中，乙一是電池的熱力學(xué)電勢，代表著電池的可逆電壓；VMt是陽極和陰極激 活產(chǎn)生的激活電壓降(也稱作激活超電勢)；V。，是歐姆電壓降(也稱作歐姆超電勢)，是由 離子在電解質(zhì)中和電子在外電路中傳導(dǎo)產(chǎn)生的電阻引起的電壓降部分；V。。n表示反應(yīng)氣體濃 度降低產(chǎn)生的濃差電壓降(也稱作濃差超電勢)；VFC表示燃料電池的開路電壓，而式(3. 31) 中后三項(xiàng)表示運(yùn)行過程中電壓的下降部分?jǐn)?shù)值。J為電池的電流密度，A為電池的活性區(qū) 域，n為電池組數(shù)目。
本實(shí)施例步驟d中使用變頻器調(diào)節(jié)控制通風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速時(shí)，是直接將變頻調(diào)節(jié)器與工控機(jī) 相連，由電腦預(yù)設(shè)程序?qū)崿F(xiàn)自動(dòng)控制；防太陽能光源的光強(qiáng)大小可通過調(diào)節(jié)與其串聯(lián)的可 變電阻的阻值大小來進(jìn)行調(diào)節(jié)和模擬自然光變化情況；步驟e、 f、 g中的小型風(fēng)力發(fā)電機(jī) 性能理論分析曲線圖和實(shí)際測試曲線圖主要指其變化的風(fēng)速和輸出功率之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系曲線圖；所述光伏電池性能理論曲線圖和實(shí)際曲線圖主要是指P-V特性曲線，I-V特性曲
線，如圖5、圖6所示。所述氫燃料電池的功率變化理論曲線圖和實(shí)際曲線圖主要是指功
率隨時(shí)間的變化曲線，如圖7所示；在上述各步驟中的各種計(jì)算和比較過程均是由工控機(jī)
自動(dòng)控制實(shí)現(xiàn)并直接輸出比較結(jié)果，同時(shí)其中用于計(jì)算的數(shù)學(xué)模型和軟件模塊即為步驟a
中所設(shè)計(jì)的數(shù)學(xué)模型和相應(yīng)軟件模塊，計(jì)算所采用的數(shù)據(jù)即為步驟b中輸入的參數(shù)和步驟
e、 f中測得的數(shù)據(jù)值。
如圖2所示，本發(fā)明還提供一種上述性能測試方法中使用的風(fēng)光氫綜合能源發(fā)電系統(tǒng)
性能測試平臺(tái)，包括風(fēng)能部分測試系統(tǒng)、光能部分測試系統(tǒng)和氫能轉(zhuǎn)化部分測試系統(tǒng)；其
中風(fēng)能部分測試系統(tǒng)包括通風(fēng)機(jī)1、風(fēng)道2、風(fēng)速計(jì)3、待測小型風(fēng)力發(fā)電機(jī)4和工控機(jī)5，
所述通風(fēng)機(jī)1設(shè)置于風(fēng)道2的一端，風(fēng)道2的另一端出風(fēng)口 6處設(shè)置風(fēng)速計(jì)3與待測小型
風(fēng)力發(fā)電機(jī)4，其中通風(fēng)機(jī)1與一變頻調(diào)速器7相連，變頻調(diào)速器7與工控機(jī)5相連，風(fēng)
速計(jì)3與待測小型風(fēng)力發(fā)電機(jī)4通過數(shù)據(jù)采集卡8與工控機(jī)5相連；光能部分測試系統(tǒng)包
括仿太陽能光源9、可變電阻IO、光強(qiáng)傳感器ll、溫度測量儀12、待測光伏電池13，其
中防太陽能光源9與可變電阻10相連，并可通過改變可變電阻10的電阻大小調(diào)節(jié)防太陽
能光源9發(fā)光強(qiáng)度大小，待測光伏電池13設(shè)置于防太陽能光源9直射處，光強(qiáng)傳感器ll
和溫度測量儀12與待測光伏電池13相鄰設(shè)置，光強(qiáng)傳感器ll、溫度測量儀12與待測光
伏電池13均通過數(shù)據(jù)采集卡8與工控機(jī)5相連；氫能轉(zhuǎn)化部分包括氫燃料電池14，所述
氫燃料電池14通過數(shù)據(jù)采集卡8與工控機(jī)5相連。
具體地說，其中通風(fēng)機(jī)l設(shè)計(jì)為并列的數(shù)臺(tái)， 一起為風(fēng)道2提供風(fēng)源，風(fēng)道2設(shè)置為
出風(fēng)口6直徑小于通風(fēng)機(jī)1位置處直徑的形狀，可利于模擬自然風(fēng)的產(chǎn)生，其中工控機(jī)5
內(nèi)預(yù)設(shè)程序，可通過工控機(jī)5控制變頻調(diào)速器7進(jìn)而控制通風(fēng)機(jī)1產(chǎn)生模擬自然風(fēng)，同時(shí)
工控機(jī)5可自動(dòng)通過數(shù)據(jù)采集卡8采集風(fēng)速計(jì)3和待測小型風(fēng)力發(fā)電機(jī)4的數(shù)據(jù)，并進(jìn)行
計(jì)算、比較，從而判別出待檢測的小型風(fēng)力發(fā)電機(jī)4性能是否能達(dá)到要求。在光能部分測
試系統(tǒng)中，所述仿太陽能光源9具體可采用專業(yè)仿太陽能設(shè)備，在風(fēng)能部分測試系統(tǒng)、光
能部分測試系統(tǒng)和氫能轉(zhuǎn)化部分測試系統(tǒng)中采用的數(shù)據(jù)采集卡8可以是不相同的數(shù)據(jù)采集
卡，只需其能實(shí)現(xiàn)各自的數(shù)據(jù)采集功能即可，其中的工控機(jī)5為同一工控機(jī)，此工控機(jī)內(nèi)
分別設(shè)置有三個(gè)部分各自的軟件模塊。其中第三部分的性能判斷分析，需借助前兩部分的
分析判斷結(jié)果，當(dāng)軟件模塊判斷出三部分均分別能達(dá)到性能要求時(shí)，即可判別出待檢測的
風(fēng)光氫綜合能源發(fā)電系統(tǒng)的性能能達(dá)到要求。
權(quán)利要求
1、一種風(fēng)光氫綜合能源發(fā)電系統(tǒng)性能測試方法，其特征在于包括以下步驟a、分別建立風(fēng)光氫綜合能源發(fā)電系統(tǒng)中風(fēng)力發(fā)電機(jī)、光伏電池、氫燃料電池三大部分的數(shù)學(xué)模型，再經(jīng)計(jì)算分別得到其特性方程，制得相應(yīng)軟件模塊并將其預(yù)設(shè)入工控機(jī)內(nèi)；b、將待測試風(fēng)光氫綜合能源發(fā)電系統(tǒng)的屬性參數(shù)，包括風(fēng)力發(fā)電機(jī)部分的葉片幾何尺寸、翼型升阻力系數(shù)、葉片安裝位置、傳動(dòng)系統(tǒng)傳動(dòng)比、電機(jī)參數(shù)、塔架高度等參數(shù)；光伏電池部分的短路電流、最大工作電流、最大工作電壓、開路電壓、太陽輻射參考值、電流溫度系數(shù)、電壓溫度系數(shù)、列陣串聯(lián)電阻等參數(shù)；氫燃料電池部分的進(jìn)入增濕器中的摩爾流量、陽極體積、燃料電池溫度、摩爾密度、燃料流速、通道截面面積等參數(shù)，預(yù)輸入工控機(jī)；c、設(shè)計(jì)一包括通風(fēng)機(jī)和風(fēng)道的人造風(fēng)源和一防太陽能光源；d、使用變頻器調(diào)節(jié)控制所述人造風(fēng)源中通風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)速，在風(fēng)道的出風(fēng)口得到連續(xù)變化的模擬自然風(fēng)速；采用仿太陽能光源作為光伏電池的能量來源，輔以工控機(jī)控制光源功率，制造可變化的發(fā)光環(huán)境，以模擬光伏電池在自然情況下的運(yùn)行情況；通過風(fēng)速和光源強(qiáng)度的變化組合，來模擬自然情況下復(fù)合能源系統(tǒng)的工作情況；e、在人造風(fēng)源的出風(fēng)口設(shè)置一風(fēng)速計(jì)檢測此連續(xù)變化的風(fēng)速信號(hào)，并使用數(shù)據(jù)采集卡將其轉(zhuǎn)化為連續(xù)變化的數(shù)字信號(hào)后輸入工控機(jī)內(nèi)，經(jīng)計(jì)算得到小型風(fēng)力發(fā)電機(jī)性能理論曲線圖；同時(shí)采用所述太陽能光源照射所需測試的光伏電池，在光伏電池相鄰位置采用光強(qiáng)傳感器和溫度儀檢測所述防太陽能光源所發(fā)出的光強(qiáng)和溫度，將此檢測到的光強(qiáng)和溫度的變化值輸入工控機(jī)內(nèi)，經(jīng)計(jì)算得到光伏電池性能理論曲線圖；同時(shí)綜合小型風(fēng)力發(fā)電機(jī)性能理論曲線圖和光伏電池性能理論曲線圖后，計(jì)算得到氫燃料電池的功率變化理論曲線圖；f、將待檢測的小型風(fēng)力發(fā)電機(jī)面向出風(fēng)口設(shè)置于與風(fēng)速計(jì)相鄰位置，并使用數(shù)據(jù)采集卡采集小型風(fēng)力發(fā)電機(jī)性能實(shí)際值，將此值輸入工控機(jī)得到小型風(fēng)力發(fā)電機(jī)性能實(shí)際曲線圖；同時(shí)通過數(shù)據(jù)采集卡采集所需測試的光伏電池的性能實(shí)際值，將此值輸入工控機(jī)得到所需測試的光伏電池的性能實(shí)際曲線圖；同時(shí)經(jīng)數(shù)據(jù)采集卡采集氫燃料電池的實(shí)際功率，得到氫燃料電池的功率變化實(shí)際曲線圖；g、將小型風(fēng)力發(fā)電機(jī)性能實(shí)際曲線圖與理論曲線圖比較，從而判斷小型風(fēng)力發(fā)電機(jī)性能是否符合要求；將所需測試的光伏電池性能實(shí)際曲線圖與理論曲線圖比較，從而判斷所需測試的光伏電池性能是否符合要求；將氫燃料電池性能實(shí)際曲線圖與理論曲線圖比較，從而判斷風(fēng)光氫綜合能源發(fā)電系統(tǒng)性能是否符合要求。
2、如權(quán)利要求1所述性能測試方法中使用的風(fēng)光氫綜合能源發(fā)電系統(tǒng)性能測試平臺(tái)，其特征在于包括風(fēng)能部分測試系統(tǒng)、光能部分測試系統(tǒng)和氫能轉(zhuǎn)化部分測試系統(tǒng)；其中風(fēng)能部分測試系統(tǒng)包括通風(fēng)機(jī)、風(fēng)道、風(fēng)速計(jì)、待測小型風(fēng)力發(fā)電機(jī)和工控機(jī)，所述通風(fēng)機(jī)設(shè)置于風(fēng)道的一端，風(fēng)道的另一端出風(fēng)口處設(shè)置風(fēng)速計(jì)與待測小型風(fēng)力發(fā)電機(jī)，其中通風(fēng)機(jī)與一變頻調(diào)速器相連，變頻調(diào)速器與工控機(jī)相連，風(fēng)速計(jì)與待測小型風(fēng)力發(fā)電機(jī)通過數(shù)據(jù)采集卡與工控機(jī)相連；光能部分測試系統(tǒng)包括仿太陽能光源、可變電阻、光強(qiáng)傳感器、溫度測量儀、待測光伏電池，其中防太陽能光源與可變電阻相連，并可通過改變可變電阻 的電阻大小調(diào)節(jié)防太陽能光源發(fā)光強(qiáng)度大小，待測光伏電池設(shè)置于防太陽能光源可照射 處，光強(qiáng)傳感器和溫度測量儀與待測光伏電池相鄰設(shè)置，光強(qiáng)傳感器、溫度測量儀與待測 光伏電池均通過數(shù)據(jù)采集卡與工控機(jī)相連；氫能轉(zhuǎn)化部分包括氫燃料電池，所述氫燃料電 池通過數(shù)據(jù)采集卡與工控機(jī)相連。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種風(fēng)光氫綜合能源發(fā)電系統(tǒng)性能的測試方法及其測試平臺(tái)，其方法包括建立風(fēng)力發(fā)電機(jī)、光伏電池、氫燃料電池三大部分的數(shù)學(xué)模型，并將其制為軟件模塊和各屬性參數(shù)一起預(yù)設(shè)入工控機(jī)內(nèi)，設(shè)計(jì)可控制的模擬自然環(huán)境，并測試計(jì)算得出發(fā)電系統(tǒng)各部分的性能理論曲線圖，再將待檢測發(fā)電系統(tǒng)各部分的實(shí)際性能，得出各部分性能實(shí)際曲線圖，兩者相比較從而判斷綜合能源發(fā)電系統(tǒng)性能是否符合要求。本發(fā)明能方便技術(shù)人員檢測分析研究風(fēng)光氫綜合能源發(fā)電系統(tǒng)工作狀況以便對(duì)其進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，其中采用的風(fēng)力發(fā)電機(jī)的新型數(shù)學(xué)模型，能夠使分析結(jié)果更加精確、可靠。
文檔編號(hào)G01R31/34GK101545952SQ20091010368
公開日2009年9月30日 申請(qǐng)日期2009年4月24日 優(yōu)先權(quán)日2009年4月24日
發(fā)明者何玉林, 李奇敏, 李成武, 靜 杜, 楊顯剛, 鑫 金 申請(qǐng)人:重慶大學(xué)