用于特高压铁塔的光伏风力联合供电系统及供电方法

技术领域

本发明属于输配电技术领域，具体涉及一种用于特高压铁塔的光伏风力联合供电系统及供电方法。

背景技术

开发利用可再生资源，如风能、太阳能等，对缓解能源短缺和保护地球环境具有重要的作用。我国幅员辽阔，全国各地区地形和气候差异性大，高压输电线路的安全稳定面临多方面的挑战，运行维护的难度非常大，管理不当极易造成生命和财产损失。输电线路巡检是电力系统中最容易发生事故的工种之一，采用铁塔集成智能摄像头或传感器进行在线巡检，能够实时查看现场状态且巡检效率较高，然而铁塔上的巡检类用电设备使用需要持续供电进行维持，现有技术往往通过在地面接线的方式进行供电，线材延伸较长，增加了运维成本；还有一部分技术中采用光伏进行供电，这类供电方式在光照不足的地区，或者长时间阴雨天气下难以维持足够的供电量，且光伏板要提供足够的发电功率，往往需要较大的体积；在高空的特高压铁塔上空间狭小，无法提供足够的空间满足较大体积的光伏板架设和固定；为了输电线路智能巡检未来的发展，本专利利用铁塔高空中的风能及太阳能建立一个自供电系统，由风力发电机与光伏板联合对用电设备进行供电，且对风力发电机进行改进，使其能够适应铁塔狭小的环境。

发明内容

本发明提供了用于特高压铁塔的光伏风力联合供电系统及供电方法，该系统通过改进的小体积风力发电机与光伏发电进行配合，将特高压铁塔高空中的风能及太阳能进行综合利用，采用综合供电系统进行自供电，为高空线路的智能巡检设备进行持续供电。为实现上述技术效果，本发明所采用的技术方案是：

用于特高压铁塔的光伏风力联合供电系统，包括电能输入模块，电能输入模块包括光伏发电板和微型风力发电机；电能输入模块与电能采集模块连接，电能采集模块与电能存储模块连接，电能存储模块包括电池组和充放电管理模块；电能存储模块通过电能输出模块与用电设备连接；微型风力发电机包括圆筒状外壳，外壳包括顶部的顶盖和底部的底板；顶盖和底板之间转动连接有多条竖板组成的百叶窗；外壳内壁连接有发电机组和储能单元，发电机组包括连接在主轴表面的定子和连接在转轴内壁的转子；转轴套设在主轴外表面；外壳内壁连接有控制器。

优选地，顶盖表面连接有多个微型步进电机，每个微型步进电机的输出端均通过编码器与一个百叶窗的叶片连接；微型步进电机均与控制器电性连接。

优选地，转轴包括分体式的上转轴和下转轴；上转轴和下转轴表面均连接有发电叶片。

优选地，发电叶片包括多片扇叶，扇叶所在平面与主轴的轴线呈45°~75°夹角；上转轴的扇叶与下转轴的扇叶在水平面上的投影呈交错设置；底板表面开设有出风口。

进一步地，使用时中发电叶片倾斜向下，自转产生的风力向下吹，通过底板的出风口进行排风。

优选地，下转轴底端连接有支杆，支杆外表面连接有驱鸟器；支杆处设置有转速传感器与控制器电性连接；顶盖表面连接有风速风向传感器与控制器电性连接。

进一步地，驱鸟器选用三轴驱鸟器，支杆随着下转轴转动，三轴旋转带动风哨发出哨声，从而起到蜂鸣器驱鸟的作用。

优选地，驱鸟器的叶片端部连接有风哨作为蜂鸣器；驱鸟器内置有扬声器，扬声器内置存储模块；扬声器与控制器电性连接；底板外表面连接有多个红外感应器，红外感应器与控制器电性连接。

进一步地，扬声器内置存储模块优选SD存储卡，存储模块中存储人声、不同猛禽叫声、机械轰鸣声等多种声音，不同声音之间循环播放，避免长期单一声音被附件活动的鸟类习惯。

优选地，电能采集模块包括降压转换芯片、三级保护和肖特基二极管；肖特基二极管连接在电能输入模块输出端；三级保护设置在降压转换芯片与电能输入模块之间。

优选地，三级保护设置包括并联设置的气体放电管、压敏电阻和抑制二极管。

进一步地，电能存储模块的电池组包括超级电容和锂电池组。

进一步地，电能输出模块包括降压、稳压电路。

优选地，上述用于特高压铁塔的光伏风力联合供电系统的供电方法，其特征在于：包括以下步骤：

S1，原始数据采集与模拟：

S101将微型风力发电机竖直固定，模拟实际安装姿态，在微型风力发电机周围等角度设置M个不同朝向的直流风机，编号为风向A~风向M，风向A为0°角；

S102，调整百叶窗的全部叶片朝向风向A，并通过微型步进电机的编码器预设该角度为0°角；

S103，启动A风向的风机，并设置一固定风速，通过支杆外表面的转速传感器测量发电叶片的转速并反馈至控制器；控制器依次控制微型步进电机对百叶窗的单个叶片进行独立控制，具体方法如下：

a. 微型步进电机转动α度，转动后延时n秒测量转速传感器的转速，将这一转速与上一次的转速进行对比：

b. 当转速增大时，重复上述步骤a；

c. 当转速减小时，微型步进电机向反方向转动α度，并记录此时微型步进电机相对于0°角转过的总角度β，将这一角度存储至控制器的数据库；

d. 调整另一台微型步进电机，重复上述步骤a~c；直到所有的微型步进电机均采集完成；

S104，调整风速，采集不同风速下的转速传感器的转速；通过matlab拟合风速与转速传感器反馈转速的函数关系，并将该函数关系记录在控制器的数据库内；

S105，依次启动B风向~M风向的风机，重复上述步骤S101~S104，完成数据的采集与模拟；

S2，将装置设置在特高压铁塔上与用电设备连接投入使用；其中微型风力发电机竖直固定，按照步骤S1的方式预设0度角；

S3，当微型风力发电机受到某一方向的风吹时，进行最优受风调整，方法如下：

S301，通过风速风向传感器采集风向相对于0度角的角度信息以及风速信息，通过转速传感器采集转速信息；

S302，在数据库中比对风向A~M中最接近的风向向，并读取该风向以及风速下，对应的风速风向传感器的转速；

S303，读取数据库中存储的该风向下每个微型步进电机的转动角度β的信息，将百叶窗的扇叶调整至预定角度；

S304，测量此时风速风向传感器的实际转速，当实际转速大于等于步骤S302中读取的转速时，不进行调整；

S305，当实际转速小于步骤S302中读取的转速时，对百叶窗的叶片进行位置调整，调整方法与步骤S103相同；调整完成后，记录此时的风向、风速、转速以及每个微型步进电机的转动角度信息至数据库，进行数据库更新；

S4，红外感应器感应鸟类靠近的温度信息；当感应到鸟类靠近时，通过扬声器持续发声；没有感应到鸟类靠近时，扬声器间隔固定时间自动发声；

S5，电能存储模块监测系统输入功率和输出功率，输入功率大于输出功率且电池组充满时，控制器根据反馈调整微型步进电机转动百叶窗至非最优受风状态，实现输入功率的下调；风速风向传感器采集到风速超出危险阈值时，控制器根据反馈调整微型步进电机转动百叶窗关闭，避免强风损坏发电系统，此时采用电池组进行供电。

进一步地，在最优受风调节的基础上可以得到该风向风速下的最大转速，然后通过百分比相乘，可以得到当前风向风速下，最大转速任意百分比的转速大小数值，然后根据该数值，可以按照步骤S101~S105中的调节方法进一步调整百叶窗叶片，从而得到最大转速任意百分比转速的受风调节角度；例如75%最大转速、50%最大转速等，从而可以精确满足不同的输入功率需求。

本发明的有益效果为：

1、本发明针对当前输电铁塔用电设备取能的不便性以及考虑到可再生能源的充分利用，提出高压铁塔上的光伏风力联合供电系统及供电方法；可以有效解决高压铁塔上的智能设备持续供电的问题；联合供电的方式有效解决了单一供电模式容易电能不足的问题，且无需从地面进行拉电线，成本控制出色，且装置整体非常节能；

2、本发明针对输电铁塔塔架的空间狭小性，提出微型风力发电机的设计。该风力发电机采用垂直叶片，具有安全性、降噪音、回转半径小和抗风能力强特点；风机外表面采用了可调的百叶窗结构进行送风量的调整，并且提供了百叶窗的最优受风调整方法，通过测试数据和模拟形成数据库，可以在实际使用中根据受风情况迅速调整至最优受风角度；装置还可以在实际使用中进行自主微调，并将调整后的数据更新至数据库，不断更新并完善数据库，装置在使用一段时间后，最优受风的调节速度会越来越快，越来越准确；

3，本发明针对输电铁塔高空鸟类对架设的风力发电机及铁塔和输电线路的影响，提出新型驱鸟器，风力驱鸟器与风力发电机同时发电增大了风力发电机的发电功率提高发电效率，同时可以有效的防止鸟类对风力发电机的影响；

4，本发明提供的微型风力发电机可以适应狭小的安装环境，且可以根据主动调整进风量，及时适应发电、送电功率；相较于直接采用在外壳开口的模式，这一百叶窗结构不但可以进行最优受风调整，还可以根据电能情况起到实时调整风量的作用，而且可以在特殊天气，如强风、冰雹等天气下关闭风口，避免内部发电设备受损。

附图说明

图1为本发明的系统连接图；

图2为本发明中微型风力发电机的结构示意图；

图3为本发明中微型风力发电机的内部结构俯视示意图；

图4为本发明中微型风力发电机的内部结构示意图；

图5为本发明中微型风力发电机的内部结构主视示意图；

图6为本发明中微型风力发电机的外部结构俯视示意图；

图7为本发明中电能采集模块的结构示意图；

图8为本发明中三级保护的结构示意图；

图9为本发明中驱鸟器的工作流程示意图；

图中附图标记为：外壳1，顶盖11，底板12，百叶窗13，微型步进电机14，控制器15，主轴21，转轴22，发电叶片23，驱鸟器31，转速传感器32，风速风向传感器33，蜂鸣器34，红外感应器4。

具体实施方式

实施例1：

如图1~图9所示，用于特高压铁塔的光伏风力联合供电系统，包括电能输入模块，电能输入模块包括光伏发电板和微型风力发电机；电能输入模块与电能采集模块连接，电能采集模块与电能存储模块连接，电能存储模块包括电池组和充放电管理模块；电能存储模块通过电能输出模块与用电设备连接；微型风力发电机包括圆筒状外壳1，外壳1包括顶部的顶盖11和底部的底板12；顶盖11和底板12之间转动连接有多条竖板组成的百叶窗13；外壳1内壁连接有发电机组和储能单元，发电机组包括连接在主轴21表面的定子和连接在转轴22内壁的转子；转轴22套设在主轴21外表面；外壳1内壁连接有控制器15。

进一步地，控制器15选用SmartAXIS FT1A型 可编程控制器15；微型风力发电机的储能单元选用变压器组，变压器组与电能存储模块的电池组电性连接。

优选地，顶盖11表面连接有多个微型步进电机14，每个微型步进电机14的输出端均通过编码器与一个百叶窗13的叶片连接；微型步进电机14均与控制器15电性连接。

进一步地，微型步进电机14选用型号为15BY25-124的微型步进电机14，单个成本较低。

优选地，转轴22包括分体式的上转轴22和下转轴22；上转轴22和下转轴22表面均连接有发电叶片23。

优选地，发电叶片23包括多片扇叶，扇叶所在平面与主轴21的轴线呈45°~75°夹角；上转轴22的扇叶与下转轴22的扇叶在水平面上的投影呈交错设置；底板12表面开设有出风口。

进一步地，使用时中发电叶片23倾斜向下，自转产生的风力向下吹，通过底板12的出风口进行排风。

优选地，下转轴22底端连接有支杆，支杆外表面连接有驱鸟器31；支杆处设置有转速传感器32与控制器15电性连接；顶盖11表面连接有风速风向传感器33与控制器15电性连接。

进一步地，风速风向传感器33选用环芯云科技型号为HXY-FS/FX的风速风向传感器33；转速传感器32优选TOPRO德宝罗型号为TSS的霍尔式转速传感器32。

进一步地，驱鸟器31选用三轴驱鸟器31，支杆随着下转轴22转动，三轴旋转带动风哨发出哨声，从而起到蜂鸣器34驱鸟的作用。

进一步地，驱鸟器31优选XKJY-6型绝缘 风力智能驱鸟器31。

优选地，驱鸟器31的叶片端部连接有风哨作为蜂鸣器34；驱鸟器31内置有扬声器，扬声器内置存储模块；扬声器与控制器15电性连接；底板12外表面连接有多个红外感应器4，红外感应器4与控制器15电性连接。

进一步地，红外感应器4选用里浦型号为PIRS001的红外感应器4；驱鸟器31内的用电设备供电通过系统的电能存储模块进行供电。

进一步地，扬声器内置存储模块优选SD存储卡，存储模块中存储人声、不同猛禽叫声、机械轰鸣声等多种声音，不同声音之间循环播放，避免长期单一声音被附件活动的鸟类习惯。

优选地，电能采集模块包括降压转换芯片、三级保护和肖特基二极管；肖特基二极管连接在电能输入模块输出端；三级保护设置在降压转换芯片与电能输入模块之间。

进一步地，降压转换芯片选用LTC3652型号；肖特基二极管在图7中标记为D1和D2。

优选地，三级保护设置包括并联设置的气体放电管、压敏电阻和抑制二极管。

进一步地，电能存储模块的电池组包括超级电容和锂电池组。

进一步地，电能输出模块包括降压、稳压电路。

实施例2：

优选地，上述用于特高压铁塔的光伏风力联合供电系统的供电方法，其特征在于：包括以下步骤：

S1，原始数据采集与模拟：

S101将微型风力发电机竖直固定，模拟实际安装姿态，在微型风力发电机周围等角度设置M个不同朝向的直流风机，编号为风向A~风向M，风向A为0°角；

S102，调整百叶窗13的全部叶片朝向风向A，并通过微型步进电机14的编码器预设该角度为0°角；

S103，启动A风向的风机，并设置一固定风速，通过支杆外表面的转速传感器32测量发电叶片23的转速并反馈至控制器15；控制器15依次控制微型步进电机14对百叶窗13的单个叶片进行独立控制，具体方法如下：

a. 微型步进电机14转动α度，转动后延时n秒测量转速传感器32的转速，将这一转速与上一次的转速进行对比：

b. 当转速增大时，重复上述步骤a；

c. 当转速减小时，微型步进电机14向反方向转动α度，并记录此时微型步进电机14相对于0°角转过的总角度β，将这一角度存储至控制器15的数据库；

d. 调整另一台微型步进电机14，重复上述步骤a~c；直到所有的微型步进电机14均采集完成；

S104，调整风速，采集不同风速下的转速传感器32的转速；通过matlab利用最小二乘法拟合风速与转速传感器32反馈转速的函数关系，并将该函数关系记录在控制器15的数据库内；

S105，依次启动B风向~M风向的风机，重复上述步骤S101~S104，完成数据的采集与模拟；

S2，将装置设置在特高压铁塔上与用电设备连接投入使用；其中微型风力发电机竖直固定，按照步骤S1的方式预设0度角；

S3，当微型风力发电机受到某一方向的风吹时，进行最优受风调整，方法如下：

S301，通过风速风向传感器33采集风向相对于0度角的角度信息以及风速信息，通过转速传感器32采集转速信息；

S302，在数据库中比对风向A~M中最接近的风向向，并读取该风向以及风速下，对应的风速风向传感器33的转速；

S303，读取数据库中存储的该风向下每个微型步进电机14的转动角度β的信息，将百叶窗13的扇叶调整至预定角度；

S304，测量此时风速风向传感器33的实际转速，当实际转速大于等于步骤S302中读取的转速时，不进行调整；

S305，当实际转速小于步骤S302中读取的转速时，对百叶窗13的叶片进行位置调整，调整方法与步骤S103相同；调整完成后，记录此时的风向、风速、转速以及每个微型步进电机14的转动角度信息至数据库，进行数据库更新；

S4，红外感应器4感应鸟类靠近的温度信息；当感应到鸟类靠近时，通过扬声器持续发声；没有感应到鸟类靠近时，扬声器间隔固定时间自动发声；

S5，电能存储模块监测系统输入功率和输出功率，输入功率大于输出功率且电池组充满时，控制器15根据反馈调整微型步进电机14转动百叶窗13至非最优受风状态，实现输入功率的下调；风速风向传感器33采集到风速超出危险阈值时，控制器15根据反馈调整微型步进电机14转动百叶窗13关闭，避免强风损坏发电系统，此时采用电池组进行供电。

进一步地，在最优受风调节的基础上可以得到该风向风速下的最大转速，然后通过百分比相乘，可以得到当前风向风速下，最大转速任意百分比的转速大小数值，然后根据该数值，可以按照步骤S101~S105中的调节方法进一步调整百叶窗叶片，从而得到最大转速任意百分比转速的受风调节角度；例如75%最大转速、50%最大转速等，从而可以精确满足不同的输入功率需求；方法如下：

首先调整至最优受风角度；然后逐个调整微型步进电机14的转动角度，每次转动N度，并延时10s采集转速；当转速减小时，继续转动N度，直至转速由减小变为增大时，停止该微型步进电机的调整，并记录当前转动角度；然后进行下一个微型步进电机14的调整，重复上述步骤，直至转速达到最优受风转速的75%时，停止调节，并记录当前每个微型步进电机的转动角度存入数据库。

上述的实施例仅为本发明的优选技术方案，而不应视为对于本发明的限制，本申请中的实施例及实施例中的特征在不冲突的情况下，可以相互任意组合。本发明的保护范围应以权利要求记载的技术方案，包括权利要求记载的技术方案中技术特征的等同替换方案为保护范围。即在此范围内的等同替换改进，也在本发明的保护范围之内。