负载功率随风自适应的离网型农村住宅风电储热供暖系统

摘要

本发明公开了一种负载功率随风自适应的离网型农村住宅风电储热供暖系统，它属于热能及其利用领域。负载功率随风自适应的离网型农村住宅风电储热供暖系统，其结构如下：风力发电机（1）和风速传感器（5）的输出端与负载功率随风调控装置（6）的输入端连接，负载功率随风调控装置（6）的输出端通过开关控制器（2）与户内储热供暖转换装置的发热元件（4）连接，开关控制器（2）还与220V家用电源（3）连接。本发明为北方农村居民提供一种无污染、成本低、应用面广的分布式风能储热供暖系统，本系统可以充分利用风能这种无污染可再生资源，具有方便、节能、环保、减排的显著优点。

说明书

技术领域

本发明涉及一种负载功率随风自适应的离网型农村住宅风电储热供暖系统，它是利用风能储热供暖的节能减排供暖系统，属于热能及其利用领域。

背景技术

目前，国内外供暖方式从供暖设备设施划分主要有以下几种类型：一是集中供热。这是比较传统的供暖方式，主要又分为市政热力管网和小区内锅炉集中供热。二是分散式采暖方式：即每户独立成一个供暖体系。三是变频空调，冬季供热、夏季制冷。四是水源中央空调系统，又称地源热泵，利用地下20-30米处12℃～35℃左右的地下水资源或各类水源，夏季提供5℃～7℃的冷水给房间供冷；冬季提供45℃左右的热水供给房间供暖。

上述几种供暖方式分别存在以下问题：①由于许多住宅楼每户住宅内没有分户计量的阀门和热表，住户不能根据自己的需要调整所需的热量。②分散式采暖和变频空调虽然可以根据自己的需要灵活调整采暖时间和温度，但是其造价十分昂贵，另外造成空气污染也是一个必须面对的重要问题。③水源中央空调又称地源热泵，是一种节能环保的供暖方式，但是受地下水限制十分严重。总之，上述供暖方式均存在利用传统能源高碳排放、消耗大、不节能等缺陷，不符合国家低碳环保、节能减排的政策要求。

此外传统的风能供暖系统也存在如下诸多问题，它是把风能存储到蓄电池中，再通过逆变器把蓄电池中的直流电转换成电压为220V、频率为50Hz的交流电来为供暖设备供电。但问题是，蓄电池的饱和问题和二次污染问题，不仅浪费能源，而且会对环境造成严重污染。另一方面，风力发电机带固定负载时，只有发电机输出功率和负载功率相匹配时，发电机才能有效的输出功率，微风阶段发电机输出功率小于负载功率时，都能使发电机包扎停止转动，严重影响了风能的有效利用。

发明内容

为了解决上述技术问题，本发明提供了一种负载功率随风自适应的离网型农村住宅风电储热供暖系统，目的是为北方农村居民提供一种无污染、成本低、应用面广的分布式风能储热供暖系统，本系统可以充分利用风能这种无污染可再生资源，具有方便、节能、环保、减排的优点。

本发明的目的是通过下述技术方案实现的：

负载功率随风自适应的离网型农村住宅风电储热供暖系统，其结构如下：风力发电机和风速传感器的输出端与负载功率随风调控装置的输入端连接，负载功率随风调控装置的输出端通过开关控制器与户内储热供暖转换装置的发热元件连接，开关控制器还与220V家用电源连接。 

上述的户内储热供暖转换装置的结构如下：居民住宅屋内吊炕炕面，在吊炕炕面下面依次铺设卵石层、发热元件和吊炕底板。

上述发热元件采用远红外发热纤维软板，远红外发热纤维软板上设有正极和负极。

上述的负载功率随风调控装置的电路结构如下：风力发电机的输出端与整流电路的输入端连接，整流电路的输出端连接升压电路，升压电路的输出端与DC-DC变换电路的输入端连接，DC-DC变换电路的输出端与滤波电路的输入端连接，功率因数校正电路的输出端与升压电路、DC-DC变换电路和滤波电路的输入端连接，滤波电路的输出端与PWM驱动电路的输入端连接，PWM驱动电路的输出端与功率负载连接，功率负载为发热元件，功率负载的输出端与隔离I/O的输入端连接，隔离I/O的输出端与PWM驱动电路的输入端连接；信号采样和变换电路的输入端分别与风速传感器、风力发电机的输出端连接，信号采样和变换电路的输出端与PWM控制电路的输入端连接，PWM控制电路的输出端与隔离I/O的输入端连接。

由于采用上述技术方案，使得本发明具有如下优点和积极的效果：1）为居民户用风机发电系统设计了随风调控装置，有效的保证了低风功率稳定输出。2）无需逆变器等转换装置和储能用的蓄电池，结构简单，有效降低用户运行成本。3）可与光伏发电供暖系统构成风光互补系统，扩大应用适用区域。4）在无风天气风能不充足的情况下用户还可以选家用电源辅助热源。5）实现了节能减排、低碳环保的目的，充分利用了风能这种可再生能源。本发明为北方农村居民提供一种无污染、成本低、应用面广的分布式风能储热供暖系统，本系统可以充分利用风能这种无污染可再生资源，具有方便、节能、环保的显著优点，达到了低碳、节能、减排的目的。

附图说明

图1 本发明结构示意图。

图2 本发明储热供暖装置部分结构示意图。

图3 本发明发热元件部分结构示意图。

图4 本发明负载功率随风调控装置的电路结构方框图。

图中：1、风力发电机；2、开关控制器；3、220V家用电源；4、发热元件；5、风速传感器；6、负载功率随风调控装置，7、卵石层；8、吊炕炕面；9、吊炕底板。

具体实施方式

如图1所示，本发明负载功率随风自适应的离网型农村住宅风电储热供暖系统，其结构如下：风力发电机1和风速传感器5的输出端与负载功率随风调控装置6的输入端连接，负载功率随风调控装置6的输出端通过开关控制器2与户内储热供暖转换装置的发热元件4连接，开关控制器2还与220V家用电源3连接。 如图2所示，户内储热供暖转换装置的结构如下：包括居民住宅屋内吊炕炕面8，在吊炕炕面8下面依次铺设卵石层7、发热元件4和吊炕底板9，如图3所示，发热元件4采用远红外发热纤维软板，远红外发热纤维软板上设有正极和负极。风力发电机1可以采用小型户用风力发电机。

上述的负载功率随风调控装置可以采用市售具有采集风速传感器、风力发电机1的信号，采用PWM控制电路随风速控制功率负载发热元件4功率的现有装置，也可以采用本发明人设计的负载功率随风调控装置，这不能用于限制本发明的保护范围。

如图4所示，本发明负载功率随风调控装置的电路结构如下：风力发电机1的输出端与整流电路的输入端连接，整流电路的输出端连接升压电路，升压电路的输出端与DC-DC变换电路的输入端连接，DC-DC变换电路的输出端与滤波电路的输入端连接，功率因数校正电路的输出端与升压电路、DC-DC变换电路和滤波电路的输入端连接，滤波电路的输出端与PWM驱动电路的输入端连接，PWM驱动电路的输出端与功率负载连接，功率负载为发热元件4，功率负载的输出端与隔离I/O的输入端连接，隔离I/O的输出端与PWM驱动电路的输入端连接；信号采样和变换电路的输入端分别与风速传感器5、风力发电机1的输出端连接，信号采样和变换电路的输出端与PWM控制电路的输入端连接，PWM控制电路的输出端与隔离I/O的输入端连接。

采用本发明结构的负载功率随风调控装置可以使系统运行更加稳定。

本发明的工作原理如下：系统的电路结构为：风力发电机1将风能转变成电能后作为交流主供电电源连接负载功率随风调控装置6，再由开关控制器2连接发热元件4构成回路；由发热元件4将电能转变为热能为居民住宅屋内供暖。发热元件4为远红外发热纤维软板。 开关控制器2还与民用220V交流电源3连接。所用负载功率随风调控装置主要包括信号采集和变换电路、整流电路、升压电路、滤波电路、PWM控制电路、PWM驱动电路，其原理为采集风速传感器、小型风力发电机电信号，经变换、升压、滤波，与采集的负载功率匹配，以实现稳定、高效的低风输出，负载功率随风调控装置6采集风速传感器5、小型户用风力发电机1的信号，采用PWM驱动电路随风速控制功率负载发热元件4功率。风能采集装置为小型户用型风力发电机1，按照农村居民用户用电需求，一般选型1000W以下的风机。负载功率随风调控装置实时采集风速以及风力发电机的输出功率，自动预测和调整负载功率输入，以保证小型风力发电机在低输出功率时也能够直接给负载供电，从而省去蓄电池和逆变器。

本系统无需逆变器等转换装置和储能用的蓄电池，其成本较低，结构简单，比传统风能供暖系统利用率高的多。逆变器主要是针对太阳能电池板发电系统而言的，一般情况下，风力发电机应用在发电系统上，同时还包括控制器、蓄电池、逆变器等。因为小型户用型风能发电系统输出的是12～220V不同等级的交流电，而许多场合需要的是220v的交流电，这就需要用逆变器将蓄电池中的直流转变成标准市电220V的交流。本系统发热元件采用远红外发热纤维软板，可以采用直流电，也可以采用民用市电的交流电，同样获得电能高效转换，所以无需安装逆变器。由于逆变器样式繁多，质量也有优劣之分，所以不安装逆变器成本可以节约500-1000元。另外，逆变器存在一个转化效率的问题，本系统用的储热元件是发热软板，风力发电机输出的220V的交流电可以直接对其供电，这就提高了转化效率。

本系统的发热元件4为远红外发热纤维软板，主要用于储热供暖。卵石层主要是为了减缓热量散失，能更有效的储热。

远红外线发热纤维软板是由本发明人之一朴在林等人发明，参见中国实用新型专利“一种远红外发热软板”（专利号：200620153474.0）和“一种远红外发热网材”（专利号：200620153473.6），现已由沈阳韩贝尔科技有限公司定型生产，其结构如图3图所示。公众可任意按规格要求制定或购买。

本发明的创新点还在于整个系统只需要风力发电机和发热元件以及简单的链接电路就实现有风储热、放热从而对住宅供暖的目的。其次，本发明可以在连续无风的情况下，用家用电源作为辅助热源，保证稳定持续供暖。

本发明适用于风能较充足地区的农村居民住宅，具有结构简单，运输安装方便，运行可靠，使用寿命长等特点，是风能与建筑一体化良好的供暖选择。同时，在夏季风能较充足时也可以通过并网设备向电网供电。本发明也响应了国家节能减排、发展低碳经济的号召，有效的利用了可再生能源。

本发明是一种利用新型清洁型能源的节能减排供暖系统，其目的是为广大农民提供一种无污染、成本少、应用面广的分布式新型供暖模式，具有十分重要的社会、经济和生态效益。

风能是一种清洁、高效和永不衰竭的新能源，它资源丰富，既可以免费使用，又无需运输，对环境无任何污染，是各国政府可持续发展的能源战略决策。本系统充分利用了风能，具有十分显著的社会、经济和生态效益，必将成为未来发展的趋势，一个风能供暖时代即将到来。