垂直式風(fēng)光互補發(fā)電系統(tǒng)

趙行

摘 要：該文介紹了一種風(fēng)力發(fā)電和太陽能發(fā)電的互補發(fā)電系統(tǒng)的設(shè)計和實現(xiàn)。新型能源具有無污染，資源足等特點，我國國土面積大，一年太陽的照射量所產(chǎn)生的太陽能，可相當(dāng)于燃燒數(shù)以億計的煤；若在新疆等高海拔地區(qū)建立大型風(fēng)力發(fā)電廠，其產(chǎn)生的電量將減輕傳統(tǒng)能源發(fā)電廠的壓力。該系統(tǒng)主要由太陽能發(fā)電組件、風(fēng)力發(fā)電組件、風(fēng)光互補控制器、蓄電池及逆變器等主要部件組成，通過使用垂直軸風(fēng)力發(fā)電機代替?zhèn)鹘y(tǒng)的水平軸發(fā)電機，以及太陽能板由單片機控制自動跟蹤太陽光移動，提高了發(fā)電效率，結(jié)果顯示該系統(tǒng)具有一定的推廣應(yīng)用價值。

關(guān)鍵詞：垂直軸風(fēng)力發(fā)電機 太陽能板 自動跟蹤 風(fēng)光互補發(fā)電系統(tǒng)

中圖分類號：TM61 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1672-3791（2015）10（c）-0054-04

Abstract：The paper presents a design and realization of wind-solar hybrid power generation system.The new energy has no pollution，insufficient resources and other characteristics，China's land area，produced by the exposure year sun solar，can be equivalent to burning billions of coal； if the establishment of large-scale wind power plant in Xinjiang high altitude area， the power consumption will reduce the traditional energy power plant pressure.The system consists of wind turbine，solar panel，storage battery，controller and DC/AC inverter，etc..The vertical axis wind turbine is applied for the system instead of horizontal？axis？wind？turbine，and the solar panel can track the sunlight and be controlled by a micro-controller unit（MCU） automatically，so the efficiency of power generation is increased.The results show that the system has certain popularization and application value.

Key Words：Vertical axis wind turbine；Solar panel；Automatic track；Wind-solar hybrid power generation system

傳統(tǒng)能源是不可再生能源，而且儲存量有限。人類若不節(jié)制利用，將面臨嚴(yán)重的資源危機。太陽能和風(fēng)能是目前最受關(guān)注的新型能源，太陽能發(fā)電是利用太陽能板將太陽能轉(zhuǎn)化為電能，儲存在蓄電池里，再由逆變器將直流電變成220 V的交流電，從而實現(xiàn)代替?zhèn)鹘y(tǒng)發(fā)電廠發(fā)電。風(fēng)力發(fā)電同樣是新型能源，是把風(fēng)能轉(zhuǎn)化為電能，將電能存在蓄電池中，同樣再由逆變器將直流電變成交流電。另外，風(fēng)能和太陽能具有良好的互補性，如果能將它們的優(yōu)點結(jié)合起來，可使它們的發(fā)電效率達(dá)到最大化。我國國土面積大，太陽能和風(fēng)力資源都豐富。開發(fā)一種將風(fēng)力發(fā)電和太陽能發(fā)電相結(jié)合的風(fēng)光互補系統(tǒng)，不但保護(hù)了環(huán)境又產(chǎn)生了電能，將是未來一項很有價值的新型發(fā)電方式。

1 整體設(shè)計

該風(fēng)光互補發(fā)電系統(tǒng)首先將垂直軸風(fēng)力發(fā)電機代替了水平軸風(fēng)力發(fā)電機，從而實現(xiàn)了高效率的風(fēng)能利用。因為垂直軸風(fēng)力發(fā)電機的葉片不受風(fēng)向限制，有風(fēng)吹來時，葉片都將轉(zhuǎn)動，而且啟動風(fēng)速低，從而增加了風(fēng)能的利用率，提高了發(fā)電效率。另外該系統(tǒng)還具有太陽能板自動跟蹤太陽光移動的功能，在太陽能板下安裝有電機，通過光敏電阻采光，將電壓差數(shù)據(jù)傳入單片機中，再由單片機自動控制太陽能板下的電機運動，這樣可使太陽能板始終追隨太陽光的運動而運動，最大程度地實現(xiàn)采光，增加太陽能的利用率。圖1和圖2分別給出了該系統(tǒng)的框圖和實物圖。

2 風(fēng)光互補系統(tǒng)主要部件的設(shè)計和實現(xiàn)

風(fēng)光互補發(fā)電系統(tǒng)主要部件是：垂直式風(fēng)力發(fā)電機，太陽能自動跟蹤系統(tǒng)，逆變器等。下面主要針對垂直式風(fēng)力發(fā)電機，太陽能自動跟蹤系統(tǒng)，逆變器等這些重要部件的設(shè)計進(jìn)行介紹。

2.1 垂直軸風(fēng)力發(fā)電機

垂直軸式風(fēng)力發(fā)電將風(fēng)力轉(zhuǎn)化為機械能，再由風(fēng)力發(fā)電機將機械能轉(zhuǎn)化為電能。垂直軸式風(fēng)力發(fā)電機的優(yōu)點是無論哪個方向的風(fēng)都可以吹動葉片，所以垂直式風(fēng)力發(fā)電機的發(fā)電效率比水平軸風(fēng)力發(fā)電機高。由于風(fēng)力發(fā)電機輸出的是交流電，需要將發(fā)出的電能整流濾波后再將電能輸入到蓄電池中。該系統(tǒng)采用的風(fēng)力發(fā)電機輸出電壓為12 V，而蓄電池輸入電壓也12 V，所以不需要降壓，直接整流就可以了。風(fēng)力發(fā)電機輸出的電能可直接作為輸入給整流濾波電路，這樣可將交流電轉(zhuǎn)變?yōu)橹绷麟?，圖3為整流濾波電路。

2.2 追蹤式太陽能發(fā)電

2.2.1 降壓斬波電路

該系統(tǒng)中的太陽能板采用的是單晶硅125*125的類型，輸出電壓為18 V，轉(zhuǎn)換效率在18%以上。要把太陽能板輸出的18 V直流電輸入到12 V的蓄電池中，需要降壓斬波電路。輸出電壓平均值為，由此可知占空比α減少，輸出電壓U0也減少。（ton為V處于通路的時間，toff為V處于斷態(tài)的時間，T 為開關(guān)周期，α為導(dǎo)通占空比。E 為太陽能板發(fā)出的電能，Em是經(jīng)過降壓斬波后輸送到蓄電池的電能。

2.2.2 太陽能自動跟蹤系統(tǒng)

太陽能自動跟蹤系統(tǒng)是指由在太陽能板上4個角每個角各安裝一個光敏電阻，根據(jù)太陽位置由東到西的移動，由于太陽位置不同而使光敏電阻電平不同的原理，再使用單片機控制步進(jìn)電機使太陽能板上下東西移動。當(dāng)太陽升起時，太陽能板是朝向東邊的。當(dāng)正午太陽在正上方時，太陽能板是水平的。當(dāng)太陽下山時，太陽能板是朝向西邊的。這樣就能使太陽能板的發(fā)電效率升高。4個光敏電阻分布在太陽能板的4個角，當(dāng)4個光敏電阻受到太陽光照時，4個光敏電阻產(chǎn)生的電壓是不一樣的，光敏電阻將信號傳送到單片機，單片機就會作出指令，讓步進(jìn)電機轉(zhuǎn)動，從而實現(xiàn)太陽能板可以隨著太陽位置的變化而變化。

2.3 逆變電路

太陽能板和風(fēng)力發(fā)電機都將產(chǎn)生的電能存入蓄電池中，蓄電池中的電能是12 V直流電。一般不可能將12 V的直流電直接供市民使用，需要有對這個直流電升壓后再逆變的過程。下面是逆變電路圖，先將蓄電池輸出的直流電經(jīng)過升壓斬波電路升壓，再輸入到逆變電路中。

3 系統(tǒng)測試

3.1 太陽能自動跟蹤系統(tǒng)測試實驗

為了驗證太陽能跟蹤系統(tǒng)的發(fā)電效率，首先選擇在某一天的不同時段對該系統(tǒng)進(jìn)行試驗測試，并跟一個不帶太陽光自動跟蹤能力的太陽能發(fā)電系統(tǒng)（以下簡稱“固定的太陽能板”）進(jìn)行對比。選擇對比的時間是一天中午12點，下午2點，下午4點，下午6點。具體實驗數(shù)據(jù)如表1所示。

從結(jié)果可以看出自動跟蹤式太陽能板比固定式太陽能板的輸出電流高，即它的發(fā)電效率更高。

3.2 垂直軸風(fēng)力發(fā)電機測試實驗

垂直軸風(fēng)力發(fā)電機相比于水平軸式發(fā)電機的優(yōu)點是能適用于各種風(fēng)向環(huán)境下，由于各種風(fēng)向的風(fēng)都能吹動垂直軸風(fēng)力發(fā)電機的葉片，所以它的發(fā)電效率要比水平軸發(fā)電機發(fā)電效率要高。而且根據(jù)資料，如果垂直軸發(fā)電機的翼型和安裝角選擇合適，風(fēng)速只要能達(dá)到2 m/s就能使垂直式發(fā)電機的葉片轉(zhuǎn)動，而水平軸式風(fēng)力發(fā)電機要達(dá)到5 m/s才能轉(zhuǎn)動，這就說明垂直軸式發(fā)電機比水平軸式發(fā)電機容易轉(zhuǎn)動，這是優(yōu)于水平軸發(fā)電機的。所以為了進(jìn)一步證明垂直軸風(fēng)力發(fā)電機的發(fā)電有效性，我們做了如下實驗，同樣還是選擇在同一時間，同一環(huán)境下，將垂直軸風(fēng)力發(fā)電機和水平軸發(fā)電機進(jìn)行對比，觀察它們的輸出電流，具體實驗結(jié)果如表2所示。

由表2可知，垂直式風(fēng)力發(fā)電機比水平軸發(fā)電機的發(fā)電效率高28%左右。

4 結(jié)語

該文介紹了一項大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練項目— 垂直式自動跟蹤風(fēng)光互補發(fā)電系統(tǒng)，闡述了整個設(shè)計流程，在此基礎(chǔ)上進(jìn)行了實物制作調(diào)試和對比實驗。該系統(tǒng)利用兩項新型清潔能源—風(fēng)能和太陽能發(fā)電，通過相應(yīng)的改進(jìn)和有效結(jié)合，例如：（1）使太陽能板可以自動追蹤太陽光的運動，增大陽光照射面的面積，使太陽能板發(fā)電效率升高；（2）風(fēng)力發(fā)電機采用了垂直軸風(fēng)力發(fā)電機，減小了啟動風(fēng)速，而且它可以被任意方向的風(fēng)吹動，增大了發(fā)電效率，從而實現(xiàn)高效并網(wǎng)發(fā)電。該系統(tǒng)還可用于多種環(huán)境的發(fā)電使用，如：山區(qū)的孩子可以用風(fēng)光互補發(fā)電系統(tǒng)發(fā)出的電上晚自習(xí)，可以做個路燈等。同時既可以并網(wǎng)使用，也可以獨立發(fā)電使用。相比于傳統(tǒng)能源，風(fēng)光互補發(fā)電無污染，成本低，隨著技術(shù)的成熟，風(fēng)光互補成本不斷降低，利用率也會越來越大，甚至在未來，這種新型發(fā)電方式將可能會取代傳統(tǒng)發(fā)電方式，有廣闊的應(yīng)用前景。

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