一种多能源耦合演示系统

1.本实用新型涉及发电技术领域，尤其涉及的是一种多能源耦合演示系统。


背景技术：

2.随着国民经济的发展，用电需求量越来越大，主要依靠水力发电的单一发电方式已经不能满足大量用电的基本需求，多种能源方式的联合一定是未来的发展趋势，而风电、光电、水电、抽水蓄能、储能电池等发电方式的耦合系统正在被一些学者的研究。
3.现有技术中的发电耦合演示系统，仅仅包含水力发电的单种发电模式，以及储能电池的耦合演示系统，上述耦合演示系统太过单一，不能在专业教学、实训使用、以及技术研发过程中详细的展示各子系统的工作原理，因此，如何将多种发电方式的系统耦合起来，并协调控制其工作过程，使其成为专业教学的演示系统，成为了目前亟待解决的问题。
4.因此，现有技术还有待于改进和发展。


技术实现要素：

5.鉴于上述现有技术的不足，本实用新型的目的在于提供一种多能源耦合演示系统，旨在解决现有的耦合演示系统太过单一，不能在专业教学、实训使用、以及技术研发过程中详细的展示各子系统的工作原理的问题。
6.本实用新型的技术方案如下：一种多能源耦合演示系统，包括：发电模组、分电箱、终端用电模块、控制显示模块和电能储存模块；
7.所述发电模组的输出端电连接于所述分电箱的输入端；
8.所述分电箱的输出端分别连接于所述终端用电模块的输入端、所述控制显示模块的输入端、所述电能储存模块的输入端和所述发电模组的输入端；
9.所述控制显示模块的输出端分别连接于所述电能储存模块的输入端和所述发电模组的输入端，所述控制显示模块用于控制所述电能储存模块的充放电状态和所述发电模组的工作模式；
10.所述电能储存模块的输出端连接于所述发电模组的输入端。
11.进一步，所述电能储存模块包括正电极和负电极，所述正电极连接于所述分电箱的输出端，所述负电极连接于所述发电模组的输入端。
12.进一步，所述发电模组包括：
13.抽水发电模块，所述抽水发电模块用于水力发电。
14.进一步，所述抽水发电模块包括：
15.蓄水池；
16.水流通道，所述水流通道位于所述蓄水池的下方，并连通于所述蓄水池；
17.水轮机，所述水轮机位于所述水流通道的末端；
18.第一发电机，所述第一发电机设置在所述水轮机上方，且连接于所述分电箱的输入端；
19.下游接水槽，所述下游接水槽设置在所述水轮机背离所述水流通道的一侧，并连通于所述水流通道。
20.进一步，所述抽水发电模块还包括：
21.水泵，所述水泵电连接于所述控制显示模块和所述分电箱的输出端，且所述水泵两端分别连接有进水管道和出水管道，所述进水管道连接于所述下游接水槽，所述出水管道连接于所述蓄水池。
22.进一步，所述分电箱和所述终端用电模块之间设置有第一开关，所述第一开关用于控制所述终端用电模块的电路通电或者断电。
23.进一步，所述分电箱的输出端与所述发电模组输入端之间设置有第二开关，所述第二开关用于开通或者关闭所述分电箱与所述水泵之间的电路。
24.进一步，所述电能储存模块的输出端与所述发电模组输入端之间设置有第三开关，所述第三开关用于开通或者关闭所述控制显示模块与所述水泵之间的电路。
25.进一步，所述发电模组包括：
26.风力发电模块，所述风力发电模块用于风力发电，并提供电能；
27.所述风力发电模块包括：
28.第二电机，所述第二电机输入端电连接于所述控制显示模块和所述分电箱的输出端；
29.风机，所述风机连接于所述电机的输出端；
30.风叶，所述风叶与所述风机相对设置；
31.第三发电机，所述第三发电机连接在所述风叶背离所述风机的一侧，并连接于所述分电箱的输入端。
32.进一步，所述发电模组包括：光伏发电模块，所述光伏发电模块用于光伏发电，并提供电能。
33.本方案的有益效果：本实用新型提出的一种多能源耦合演示系统，通过设置所述发电模组的输出端电连接于所述分电箱的输入端；所述分电箱的输出端分别连接于所述终端用电模块的输入端、所述控制显示模块的输入端、所述电能储存模块的输入端和所述发电模组的输入端；所述控制显示模块的输出端分别连接于所述电能储存模块的输入端和所述发电模组的输入端，所述控制显示模块用于控制所述电能储存模块的充放电状态和所述发电模组的工作模式；所述电能储存模块的输出端连接于所述发电模组的输入端。使得所述多能源耦合演示系统在发电的基础上，将储能设备加入控制系统，使得整个系统可协调工作，此外，带显示功能的控制器可实时观察各子系统的工作状态，并且控制器可编程，边界可输入(如某地区的用电量时变数据)，进而还可以对系统能进行优化，解决了现有的耦合演示系统太过单一，不能在专业教学、实训使用、以及技术研发过程中详细的展示各子系统的工作原理的问题。
附图说明
34.图1是本实用新型的一种多能源耦合演示系统的实施例的原理示意图；
35.图2是本实用新型的一种多能源耦合演示系统的实施例的抽水发电原理示意图；
36.图3是本实用新型的一种多能源耦合演示系统的实施例的风力发电原理示意图；
37.图中各标号：100、发电模组；110、抽水发电模块；111、蓄水池；112、水流通道；113、水轮机；114、第一发电机；115、下游接水槽；116、水泵；117、进水管道；118、出水管道；119、水阀开关；120、风力发电模块；121、第二电机；122、风机；123、风叶；124、第三发电机；200、分电箱；210、第一开关；220、第二开关；300、终端用电模块；400、控制显示模块；500、电能储存模块；510、第三开关。
具体实施方式
38.本实用新型提供了一种多能源耦合演示系统，为使本实用新型的目的、技术方案及效果更加清楚、明确，以下参照附图并举实施例对本实用新型进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本实用新型，并不用于限定本实用新型。
39.在本实用新型的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”、“轴向”、“径向”、“周向”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本实用新型和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本实用新型的限制。
40.此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本实用新型的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。
41.在本实用新型中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本实用新型中的具体含义。
42.在本实用新型中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征“上”或“下”可以是第一和第二特征直接接触，或第一和第二特征通过中间媒介间接接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”可是第一特征在第二特征正上方或斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”可以是第一特征在第二特征正下方或斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。
43.需要说明的是，当元件被称为“固定于”或“设置于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者也可以存在居中的元件。当一个元件被认为是“连接”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或者可能同时存在居中元件。本文所使用的术语“垂直的”、“水平的”、“上”、“下”、“左”、“右”以及类似的表述只是为了说明的目的，并不表示是唯一的实施方式。
44.实施例一：
45.如图1所示，本实用新型提出一种多能源耦合演示系统，以所述多能源耦合演示系统放置在水平面上为例，以竖直向上的方向为向上，以竖直向下的方向为向下。所述多能源耦合演示系统包括：发电模组100、分电箱200、终端用电模块300、控制显示模块400和电能
储存模块500；所述发电模组100的输出端电连接于所述分电箱200的输入端，所述分电箱200的输出端分别连接于所述终端用电模块300、所述控制显示模块400、所述电能储存模块500和所述发电模组100的输入端，所述控制显示模块400的输出端分别连接于所述电能储存模块500和所述发电模组100的输入端，所述控制显示模块400用于控制所述电能储存模块500的充放电状态和所述发电模组100的工作模式，所述电能储存模块500的输出端连接于所述发电模组100的输入端。
46.可以理解，通过所述发电模组100输出电流至所述分电箱200，所述分电箱200将一部分将电流直接输出至所述终端用电模块300，直接使用所述发电模组100产生的电流；一部分将电流直接输出至所述发电模组100，直接使用所述发电模组100产生的电流给自身供电；一部分将电流输出至所述控制显示模块400，供给控制器用电；一部分将电流输出至所述电能储存模块500，用于储存多余的电能。同时，所述控制显示模块400为带显示功能的控制面板，不仅用于显示所述发电模组100的发电负荷、所述终端用电模块300中灯组的用电负荷、所述电能储存模块500的soc状态，还用于所述电能储存模块500的充放电控制、以及所述发电模组100的工作模式控制。上述可视化的蓄能式多能源耦合演示系统，可供能源类专业教学、实训使用，也可作为技术研发模型，在发电的基础上，将储能设备加入控制系统，使得整个系统可协调工作，此外，带显示功能的控制器可实时观察各子系统的工作状态，并且控制器可编程，边界可输入(如某地区的用电量时变数据)，进而还可以行系统能效优化。
47.上述方案中，通过设置所述发电模组100的输出端电连接于所述分电箱200的输入端，所述分电箱200的输出端分别连接于所述终端用电模块300、所述控制显示模块400、所述电能储存模块500和所述发电模组100的输入端，所述控制显示模块400的输出端分别连接于所述电能储存模块500和所述发电模组100的输入端，所述控制显示模块400用于控制所述电能储存模块500的充放电状态和所述发电模组100的工作模式，所述电能储存模块500的输出端连接于所述发电模组100的输入端。使得所述多能源耦合演示系统在发电的基础上，将储能设备加入控制系统，使得整个系统可协调工作，此外，带显示功能的控制器可实时观察各子系统的工作状态，并且控制器可编程，边界可输入(如某地区的用电量时变数据)，进而还可以对系统能进行优化，解决了现有的耦合演示系统太过单一，不能在专业教学、实训使用、以及技术研发过程中详细的展示各子系统的工作原理的问题。
48.本实用新型的技术方案在使用过程无需接电，也就是没有外部能量输入，所以电池soc会下降，直至电量耗尽。电池soc(state of charge)指的是荷电状态，用来反映电池的剩余容量，其数值上定义为剩余容量占电池容量的比值，常用百分数表示。其取值范围为0～1，当soc＝0时表示电池放电完全，当soc＝1时表示电池完全充满。电池soc不能直接测量，只能通过电池端电压、充放电电流及内阻等参数来估算其大小。因此，本实用新型还提出一种衡量该系统能效的方法，即电池使用时长。在输入(用电负荷时变曲线)及电池初始状态一致的情况下，电池使用时长数值越大说明系统的能效越高。在设计过程对充放电时机、水泵116工作状态等参数可结合仿真软件进行优化，使系统能效最大化。
49.进一步，为了保护电池，所述电池的soc高于20％，也就是当电池的soc低于20％时，系统发出警示并停止工作。
50.进一步，为了使用者的人身安全，所述多能源耦合演示系统设置为微型系统，其电量小于2kw。
51.如图1所示，在本实施例的具体结构中，所述电能储存模块500包括正电极和负电极，所述正电极连接于所述分电箱200的输出端，所述负电极连接于所述发电模组100的输入端。
52.可以理解，所述电能储存模块500用于存储电能，所述正电极用于向所述电能储存模块500内输入电流，所述负电极用于输出所述电能储存模块500内的电流。
53.在本实施例的具体结构中，所述发电模组100包括：抽水发电模块110，所述抽水发电模块110用于水力发电。或者，所述发电模组100包括：风力发电模块120，所述风力发电模块120用于风力发电，并提供电能。或者，所述发电模组100包括：光伏发电模块，所述光伏发电模块用于光伏发电，并提供电能。
54.可以理解，所述发电模组100可以通过水力发电、风力发电或者光伏发电等多种发电形式完成。所述抽水发电模块110通过水力发电的方式进行发电；所述风力发电模块120将风能转化为电能；所述光伏发电模块将光能转化为电能。
55.如图2所示，在本实施例的具体结构中，所述抽水发电模块110包括：蓄水池111、水流通道112、水轮机113、第一发电机114和下游接水槽115。所述水流通道112位于所述蓄水池111的下方，并连通于所述蓄水池111；所述水轮机113位于所述水流通道112的末端；所述第一发电机114设置在所述水轮机113上方，且连接于所述分电箱200的输入端；所述下游接水槽115设置在所述水轮机113背离所述水流通道112的一侧，并连通于所述水流通道112。
56.可以理解，所述蓄水池111内的水通过所述水流通道112进入所述水轮机113，同时所述发电机进行发电，从所述水轮机113流出的水流入所述下游接水槽115内，然后再从所述下游接水槽115循环进入所述蓄水池111内，再次进行发电，上述过程不仅能够完成水力发电，还能够循环用水，给教学演示系统带来了极大的方便。
57.进一步，所述蓄水池111和所述水轮机113之间的所述水流通道112上还设置有水阀开关119，所述水阀开关119用于控制所述水流通道112的打开或者关闭。
58.进一步，所述蓄水池111和所述下游接水槽115水位分别不能高于自身的高度h1和h2，也不能小于0，水高于自身的高度将溢流出所述蓄水池111和所述下游接水槽115，小于0将无法实现发电功能。
59.进一步，设置所述蓄水池111大于所述水轮机113的高度为h，1m《h《1.5m，设置此高度，既能很好的展示耦合演示系统的工作原理，也不会占用实验室太大的面积。
60.如图2所示，在本实施例的具体结构中，所述抽水发电模块110还包括：水泵116，所述水泵116电连接于所述控制显示模块400和所述分电箱200的输出端，且所述水泵116两端分别连接有进水管道117和出水管道118，所述进水管道117连接于所述下游接水槽115，所述出水管道118连接于所述蓄水池111。
61.可以理解，现有技术中往往采用可逆式水轮机113，也就是说在发电时，水轮机113既充当水轮机113，在抽水时，水轮机113又可充当抽水机，这种设计不利于原理演示及多种能源方式耦合。而在本实用新型中，在所述抽水发电模块110中单独设立水泵116，并在所述水泵116两端分别连接有进水管道117和出水管道118，将所述下游接水槽115内的水输送至所述蓄水池111内部，进行发电，能够清楚的展示水力发电以及多种能源方式耦合的循环过程。
62.如图1所示，在本实施例的具体结构中，所述分电箱200和所述终端用电模块300之
间设置有第一开关210，所述第一开关210用于控制所述终端用电模块300的电路通电或者断电。
63.如图1所示，在本实施例的具体结构中，所述分电箱200的输出端与所述发电模组100输入端之间设置有第二开关220，所述第二开关220用于开通或者关闭所述分电箱200与所述水泵116之间的电路。
64.如图1所示，在本实施例的具体结构中，所述电能储存模块500的输出端与所述发电模组100输入端之间设置有第三开关510，所述第三开关510用于开通或者关闭所述控制显示模块400与所述水泵116之间的电路。
65.进一步，所述第一开关210、所述第二开关220和所述第三开关510均为继电器。
66.如图3所示，在本实施例的具体结构中，所述风力发电模块120包括：第二电机121、风机122、风叶123和第三发电机124。所述第二电机121输入端电连接于所述控制显示模块400和所述分电箱200的输出端；所述风机122连接于所述电机的输出端；所述风叶123与所述风机122相对设置；所述第三发电机124连接在所述风叶123背离所述风机122的一侧，并连接于所述分电箱200的输入端。
67.可以理解，所述第二电机121与所述风机122连接，所述第二电机121带动所述风机122转动，所述风机122转动产生风，并吹动所述风叶123旋转，所述风叶123转动带动所述第三发电机124产生电能，并将电能传递给所述分电箱200，从而进行分流，也可直接与所述第二电机121连接，为所述第二电机121直接提供电能。
68.本实用新型的实施过程如下：
69.1)使用前，为电池充满电(soc》80％)；
70.2)输入用电负荷曲线，用电负荷时变值可以是某城市/地区的用电量的按比例缩小(峰值《2kw)；
71.3)启动系统，开启各阀门及电闸；
72.4)按输入用电曲线进行演示，灯组根据用电负荷曲线亮起相对应负荷的灯数；
73.5)演示过程，系统运行模式有两种：一、按预定的工作模式(如水泵116的工作状态、充放电模式等)进行(事先通过仿真计算得到优化的工作模式)；二、在线式的优化，即系统根据输入条件自动优化工作模式，使得系统能效最大。
74.综上所述，本实用新型提出的一种多能源耦合演示系统，通过设置所述发电模组100的输出端电连接于所述分电箱200的输入端，所述分电箱200的输出端分别连接于所述终端用电模块300、所述控制显示模块400、所述电能储存模块500和所述发电模组100的输入端，所述控制显示模块400的输出端分别连接于所述电能储存模块500和所述发电模组100的输入端，所述控制显示模块400用于控制所述电能储存模块500的充放电状态和所述发电模组100的工作模式，所述电能储存模块500的输出端连接于所述发电模组100的输入端。使得所述多能源耦合演示系统在发电的基础上，将储能设备加入控制系统，使得整个系统可协调工作，此外，带显示功能的控制器可实时观察各子系统的工作状态，并且控制器可编程，边界可输入(如某地区的用电量时变数据)，进而还可以对系统能进行优化，解决了现有的耦合演示系统太过单一，不能在专业教学、实训使用、以及技术研发过程中详细的展示各子系统的工作原理的问题。
75.应当理解的是，本实用新型的应用不限于上述的举例，对本领域普通技术人员来
说，可以根据上述说明加以改进或变换，所有这些改进和变换都应属于本实用新型所附权利要求的保护范围。