低成本、超长寿命小型风力发电装置蓄电系统

摘要

一种低成本、超长寿命小型风力发电装置蓄电系统，包括由锂离子蓄电池或超级电容器构成的缓冲蓄电单元和由铅酸或镍氢或镍镉蓄电池构成的主蓄电单元，该缓冲蓄电单元进行高频次充放电，主蓄电单元储存大容量电能，用于当缓冲蓄电单元枯竭时，向缓冲蓄电单元充电或满足负载需求；当缓冲蓄电单元寿命终止时，则在主蓄电单元划分出一缓冲蓄电区，主蓄电单元中剩余部分作为主蓄电区，缓冲蓄电单元和缓冲蓄电区容量相等，如此反复，直至新的主蓄电区不能再分隔出新的缓冲蓄电区，主蓄电单元被分出的缓冲蓄电区数量上限值=主蓄电单元总容量与缓冲蓄电区容量的比值-1。本发明使小型风力发电蓄电系统的使用寿命超长提高，是既有风力发电蓄电系统寿命的3-10倍。

说明书

技术领域

 本发明涉及一种低成本、超长寿命需要面对高频次充放电的蓄电系统，特别是一种低成本、超长寿命小型风力发电装置蓄电系统。

背景技术

很多小型风力发电装置（百瓦级）属于间歇能源利用，风环境经常变化，除部分发电直接并网情况外，很多场合均需要与之配套蓄电系统。

蓄电系统是风力发电装置整套系统中核心部件之一，其寿命直接影响到整套发电装置的寿命，小型风力发电装置及用电设备往往存在高频率特性，即经常要充电放电，因此蓄电系统必须面临高频次的充放电。

目前与小型风力发电装置配套的蓄电系统均是由单一品种的蓄电池（常用的有铅酸、镍镉、镍氢）串、并联构成，满足蓄电以及放电需要，且以铅酸蓄电池为主。不同的电池构成的蓄电系统循环次数基本取决于电池单体的循环寿命。

虽然铅酸蓄电池容量高，成本低，但其充放电循环次数过少，80%DOD（DOD,放电深度）时为400次，通常1-2年必须更换蓄电池组，蓄电池的成本占整套系统的15-25%，因其短寿命带来的维护成本颇高。

目前市场上的锂离子电池以及超级电容（一种新型储能装置，包括双层电容器和赝电电容器两种，充放电循环次数为数万次），几乎无记忆效应，充放电循环次数非常大，但是价格非常昂贵，经济上无法承受。因此整个蓄电系统采用锂离子或者超级电容，目前不可行。

在容量设计方面，往往根据当地动风期（可以驱动风力发电机）与静风期（无法驱动风力发电机）时长对比、负载特征进行设计，拿风力发电用来照明来举例分析。假定动风期：静风期=1:2，则蓄电容量为总时长（动风期+静风期）内用电设备的总耗能*安全系数（1.1-1.3）。那么这种设计方法则导致风力一次能源利用率低、不能够抵御极端恶劣条件等问题。如连续都是动风期，则产生的电力无法存储，如果连续静风期则无法保障用能设备正常工作。而因为既有的蓄电系统充放电循环次数均有限，如果简单增大蓄电池的容量，将导致非常高的维护成本。

总而言之，目前小型风力发电装置蓄电系统存在寿命短、风能一次能源利用率低、静风期工作时间短等诸多问题，既有的蓄能设计方法无法解决上述问题。

因此本发明将突破传统的小型风力发电装置蓄电系统设计理念，采用全新的设计方法与技术，实现低成本、超长寿命小型风力发电装置蓄电系统设计，而且具备实现简单、应用领域宽等诸多优点。

发明内容

为了克服现有各类小型风力发电装置蓄电系统设计中，普遍面临的而尚无有效解决办法的较短寿命、较低风能一次能源利用率、静风期工作时间短等诸多问题，本发明提供了一种全新理念、低成本、超长寿命、高风能一次能源利用率的蓄电系统，实现了较低成本前提下，不仅仅大幅提高风能一次能源利用率，而且实现了小型风力发电装置蓄电系统的超长使用寿命，与传统蓄电设计方法比较，蓄电系统寿命提高3-10倍。

为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：一种低成本、超长寿命小型风力发电装置蓄电系统，包括由锂离子蓄电池或超级电容器构成的缓冲蓄电单元和由铅酸或镍氢或镍镉蓄电池构成的主蓄电单元，风力发电系统和该主蓄电单元的输出端并接于缓冲蓄电单元输入端，该缓冲蓄电单元的输出端连接用电设备和主蓄电单元的输入端，使缓冲蓄电单元由风力发电系统频繁充电，并频繁向用电设备提供电力，同时还供主蓄电单元充电，当缓冲蓄电单元的能量低于10%-20%时，主蓄电单元向缓冲蓄电单元充电。

由锂离子电池（或超级电容器）构成的缓冲蓄电单元容量以及主蓄电单元容量根据具体应用领域不同而不同。而且，该主蓄电单元容量为当地最长静风期内（2-3年内最长静风记录）用电设备的总耗电量；该缓冲蓄电单元容量为当地正常动风期与静风期一次循环（上一年的循环周期平均值）内用电设备的总耗电量*调整系数（1.5-2.5），如果动风期与静风期循环周期不固定，变化越大则选择调整系数越大。

因此，借助无记忆效应、循环次数寿命高的缓冲蓄电单元完成了高频的充放电过程，而主蓄电单元则大大拉长了充放电的周期间隔，降低了充放频率，大幅提高了蓄电系统整体使用寿命。

且主蓄电单元应用阶梯缓冲渐变式设计方法。当缓冲蓄电单元循环寿命终止或故障不能正常工作时，则在主蓄电单元划分出一用于频繁充放电的缓冲蓄电区（功能类似前述缓冲蓄电单元，但称为缓冲蓄电区，避免与前述缓冲蓄电单元混淆），主蓄电单元中剩余部分则作为新的主蓄电区（功能类似前述主蓄电单元，但称为主蓄电区，避免与前述主蓄电单元混淆）。

该缓冲蓄电单元和缓冲蓄电区的容量相等。该缓冲蓄电区和主蓄电区的输入端并接于该风力发电系统，该缓冲蓄电区的输出端连接用电设备，该主蓄电区的输出端选择性连接用电设备和缓冲蓄电区的输入端，且该主蓄电区的大小是变化的，当先分割出的缓冲蓄电区循环寿命终止或故障不能正常工作时，则在主蓄电区再划分出一片缓冲蓄电区，主蓄电区中剩余部分作为新的主蓄电区，如此类推，直至新的主蓄电区不能再分隔出新的缓冲蓄电区，其中主蓄电单元被分出的缓冲蓄电区数量上限值N=主蓄电单元总容量与缓冲蓄电区容量的比值-1（取整），即划分的缓冲区数量最多不能超过N，该缓冲蓄电区的数量推荐值为1-5个，即使有条件设置更多，也尽量不超过5。

一旦风力发电系统遇到较长阴雨天或者静风天，缓冲蓄电区电力枯竭（能量低于10%-20%），则按照两种模式保障用能系统正常工作。模式一：该主蓄电区的输出端连接缓冲蓄电区，由主蓄电区向缓冲蓄电区充电，缓冲蓄电区负责负载电力需求。模式二：该主蓄电区的输出端连接负载，由主蓄电区直接供电给负载，缓冲蓄电区等待风力发电系统充电。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

1、本发明提供的低成本、超长寿命小型风力发电装置蓄电系统，通过锂离子电池（或超级电容器）构成的缓冲蓄电单元，以及由铅酸或镍镉或镍氢构成的主蓄电单元，双蓄电单元模块架构方式，大大降低了主蓄电单元的固定时间内充放次数，拉长了主蓄电单元充放周期间隔，从而提高了整体蓄电系统的使用寿命，寿命提高3-10倍。

2、本发明提供的低成本、超长寿命小型风力发电装置蓄电系统，缓冲蓄电单元采用无记忆性、充放循环次数高的锂离子电池（或超级电容器），成功地解决了小型风力发电装置及用能高频次充放电带来的寿命降低问题。

3、本发明提供的低成本、超长寿命小型风力发电装置蓄电系统的缓冲蓄电单元，即锂离子电池（或超级电容器）缓冲蓄电单元容量设计不大，初始投资不高，具备较优经济性，具备低成本的特点。

4、本发明提供的低成本、超长寿命小型风力发电装置蓄电系统，采用普通铅酸或镍氢或镍镉普通蓄电池构成主蓄电单元，价格低廉，初投资较低，成本低。

5、本发明提供的低成本、超长寿命小型风力发电装置蓄电系统的缓冲蓄电单元与主蓄电单元容量进行了优化设计，适应多种气候区，最长可以实现15天静风期极端恶劣条件下设备正常使用。

6、本发明提供的低成本、超长寿命小型风力发电装置蓄电系统的主蓄电单元采用阶梯缓冲渐变式设计，即使在缓冲蓄电单元失效情况下，也可以提高主蓄电单元的使用寿命。在不设计缓冲蓄电单元情况下，单一的主蓄电单元采用阶梯缓冲渐变式进行设计，仅仅设立一级缓冲蓄电区使用寿命是原寿命的1.6倍，如果设立两级缓冲蓄电区则使用寿命是原寿命的2倍以上。

附图说明

图1低成本、超长寿命小型风力发电装置蓄电系统设计基本原理总图。

图2低成本、超长寿命小型风力发电装置蓄电系统动风期工作原理图。

图3低成本、超长寿命小型风力发电装置蓄电系统静风期工作原理图。

图4低成本、超长寿命小型风力发电装置蓄电系统缓冲蓄电单元电量枯竭工作原理图。

图5低成本、超长寿命小型风力发电装置蓄电系统缓冲蓄电单元寿命终止开启缓冲区1动风期工作原理图。

图6低成本、超长寿命小型风力发电装置蓄电系统缓冲蓄电单元寿命终止开启缓冲区1静风期工作原理图。

图7低成本、超长寿命小型风力发电装置蓄电系统缓冲区1电量枯竭工作原理图(模式一)。

图8低成本、超长寿命小型风力发电装置蓄电系统缓冲区1电量枯竭工作原理图(模式二)。

图9低成本、超长寿命小型风力发电装置蓄电系统缓冲区1寿命终止时工作原理图。

具体实施方式

下面将以某种型号风力发电样机的蓄电系统（W-NO.01）（后简称样机）为例，详细说明该小型风力发电装置蓄电系统设计方法的应用与实施。

如图1所示，低成本、超长寿命小型风力发电装置蓄电系统设计基本原理总图。由图中可知，本发明包括由锂离子蓄电池或超级电容器构成的缓冲蓄电单元和由铅酸或镍氢或镍镉蓄电池构成的主蓄电单元，风力发电系统和该主蓄电单元的输出端并接于缓冲蓄电单元输入端，该缓冲蓄电单元的输出端连接用电设备和主蓄电单元的输入端，使缓冲蓄电单元由风力发电系统频繁充电，并频繁向用电设备提供电力，同时还供主蓄电单元充电，当缓冲蓄电单元的能量低于10%-20%时，主蓄电单元向缓冲蓄电单元充电；

当缓冲蓄电单元循环寿命终止或故障不能正常工作时，则在主蓄电单元划分出一用于频繁充放电的缓冲蓄电区，主蓄电单元中剩余部分作为用于大容量存储电能并随时准备放电的主蓄电区，该缓冲蓄电区和主蓄电区的输入端并接于该风力发电系统，该缓冲蓄电区的输出端连接用电设备，该主蓄电区的输出端选择性连接用电设备和缓冲蓄电区的输入端，且该主蓄电区的大小是变化的，当先分割出的缓冲蓄电区循环寿命终止或故障不能正常工作时，则在主蓄电区再划分出一片缓冲蓄电区，主蓄电区中剩余部分作为新的主蓄电区，如此类推，直至新的主蓄电区不能再分隔出新的缓冲蓄电区，其中主蓄电单元被分出的缓冲蓄电区数量上限值=主蓄电单元总容量与缓冲蓄电区容量的比值-1（取整），即划分的缓冲区数量最多不能超过N，该缓冲蓄电区的数量推荐值为1-5个，即使有条件设置更多，也尽量不超过5；

该缓冲蓄电单元和缓冲蓄电区的容量相等。

如图2所示，该实施例样机包含四个部分：小型风力发电机、蓄电系统（包括缓冲蓄电单元与主蓄电单元，缓冲蓄电单元采用锂离子电池组构成，主蓄电单元采用铅酸蓄电池组构成）、用电设备（照明灯具，灯功率30W、工作电压220V）、控制系统（图中略）。

选择使用地区为长沙市，每日（24小时）照明时常为4小时，则每晚需电量0.55Ah。长沙最长静风期定为8天，则主蓄电单元容量为0.55Ah*8=4.4Ah。动风期与静风期一次循环周期定为24小时，则缓冲蓄电单元容量设计为0.55*（24/24）*调整系数（取2）=1.1Ah。一个动风期与静风期周期内有风时间为5小时，匹配风力发电机功率为50瓦。

如图2所示，动风期，风力发电机进行发电对缓冲蓄电单元进行充电，同时缓冲蓄电单元对主蓄电单元进行充电，缓冲蓄电单元提供负载电力。

如图3所示，静风期，则由缓冲蓄电单元进行放电满足用电设备负荷，同时继续对主蓄电单元进行放电，主蓄电单元依旧保持充电状态。

如图4所示，一旦遇到较长静风期（超过2天），即缓冲蓄电单元电量耗尽，则主蓄电单元迅速向缓冲蓄电单元充电，直至充满，则继续按照前面叙述模式工作。此设计机型，可以在最极端的恶劣条件下（全部为静风期），可以满足10天正常照明。

如图5所示，一旦锂离子构成的缓冲蓄电单元寿命终止，则依据主蓄电单元的阶梯缓冲渐变式设计方法，将主蓄电单元，切割出部分蓄电区域，构成缓冲蓄电区1，如在此样机中，切割出1.1Ah的蓄电区域。动风期，缓冲蓄电区1进行充电，同时主蓄电区也进行充电（注：此时缓冲区1不向主蓄电区充电），如果有负载则缓冲蓄电区1承担。

如图6所示，静风期工作模式时，缓冲蓄电区1进行放电，驱动照明灯具。

如图7所示，一旦遇到较长静风期（超过2天），缓冲蓄电区1电量枯竭（低于10-20%）。模式一，则主蓄电区向缓冲蓄电区进行充电，直至充满，缓冲蓄电区维持负载供电。

如图8所示，一旦遇到较长静风期（超过2天），缓冲蓄电区1电量枯竭。模式二，则主蓄电区不向缓冲蓄电区进行充电，直接驱动负载工作，缓冲蓄电区等待天气好转，由风力发电系统充电。

如图9所示，一旦缓冲蓄电区1寿命也终止的时候，则再开辟出缓冲蓄电区2，则继续重复上述工作过程，此种机型仅设计了2个缓冲蓄电区。

整体计算下来，该机型可以提高同参数小型风力发电装置蓄电系统使用寿命约5-7倍。初投资约增加30%。全生命周期分析，该机型成本是同等机型成本的25%。