智能風(fēng)光互補(bǔ)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)研究

李旭 杜嘉宸 徐嘉豪 廖聆希 石錦鵬

摘 要：隨著現(xiàn)代社會(huì)經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展，人類社會(huì)面臨著日益嚴(yán)峻的能源緊缺和環(huán)境污染問題，開發(fā)利用無污染、可再生的新能源成為當(dāng)務(wù)之急，比較典型的是太陽(yáng)能與風(fēng)能資源的開發(fā)。本文基于風(fēng)能與光能的互補(bǔ)特性，探究風(fēng)電技術(shù)開發(fā)能力不足的原因，對(duì)原有的設(shè)備進(jìn)行了部分改進(jìn)，使得風(fēng)輪可以一直處于迎風(fēng)狀態(tài)，獲得了高發(fā)電效率、智能化的風(fēng)光互系統(tǒng)。系統(tǒng)針對(duì)在生活中的實(shí)際應(yīng)用，進(jìn)行合理結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，有助于我國(guó)能源利用的可持續(xù)發(fā)展。

關(guān)鍵詞：清潔能源;風(fēng)光互補(bǔ);高效率發(fā)電

1 前言

隨著現(xiàn)代社會(huì)經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展，人類社會(huì)面臨著日益嚴(yán)峻的能源緊缺和環(huán)境污染問題，因此對(duì)開發(fā)利用無污染、可再生的新能源有了迫切的需求，例如目前最常用的風(fēng)光能，就具有更高技術(shù)層次的開發(fā)需求。風(fēng)光清潔能源的高效率開發(fā)模式是如今社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展進(jìn)步的剛需，新能源產(chǎn)業(yè)是衡量一個(gè)國(guó)家和地區(qū)高新技術(shù)發(fā)展水平的重要依據(jù)，也是新一輪國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)的戰(zhàn)略制高點(diǎn)。

基于這種現(xiàn)狀，非常有必要對(duì)風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電的理論框架和整體設(shè)計(jì)方案進(jìn)行深入研究，這對(duì)我國(guó)整體的社會(huì)發(fā)展及產(chǎn)業(yè)升級(jí)都有十分重要的推進(jìn)作用。合理開發(fā)太陽(yáng)能與風(fēng)能，安裝小型的風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)，對(duì)我國(guó)廣大偏遠(yuǎn)農(nóng)村的可持續(xù)發(fā)展具有一定的促進(jìn)作用。[1]

2 系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)

智能風(fēng)光互補(bǔ)系統(tǒng)是一種將風(fēng)力與光伏發(fā)電系統(tǒng)相結(jié)合的能量收集轉(zhuǎn)換裝置，主要組件包括：控制器、逆變器、風(fēng)力發(fā)電機(jī)組、光伏電池組、蓄電池、直流負(fù)載以及交流負(fù)載。[2]其中，風(fēng)力發(fā)電機(jī)組與光伏電池組可以實(shí)現(xiàn)對(duì)風(fēng)能與太陽(yáng)能的收集，并轉(zhuǎn)化為電能傳輸;控制器負(fù)責(zé)實(shí)現(xiàn)整個(gè)系統(tǒng)的綜合調(diào)控，包括蓄電池的充放電、負(fù)載電量控制、能源收集運(yùn)作狀態(tài)檢測(cè)功能等，并且在本設(shè)計(jì)中我們?yōu)榭刂破黝A(yù)留了直流輸出口，可直接連接直流電動(dòng)機(jī)使用;逆變器將所傳輸?shù)闹绷麟娹D(zhuǎn)換為交流電輸入給交流負(fù)載部分，而直接負(fù)載可直接從蓄電池獲取電能。整體系統(tǒng)成本較低，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)易，具有良好的應(yīng)用性，智能風(fēng)光互補(bǔ)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

2.1光伏發(fā)電組

太陽(yáng)光照射在光伏組件上，光伏組件產(chǎn)生直流電，該直流電通過控制器后流入蓄電池中進(jìn)行充電，光伏電池使用半導(dǎo)體材料，原理是利用PN結(jié)的光生伏特效應(yīng)轉(zhuǎn)化光能為電能，目前廣泛應(yīng)用的光伏電池材料有單晶硅、多晶硅以及非晶硅。其中單晶硅是轉(zhuǎn)換效率最高的，但是制作成本較大，而非晶硅雖然價(jià)格較低，但是轉(zhuǎn)換效率沒有晶硅組件高?？紤]到本項(xiàng)目實(shí)際多運(yùn)用于農(nóng)村地區(qū)發(fā)展，最終選用多晶硅作為光伏電池材料。

2.2風(fēng)力發(fā)電機(jī)組

式中，風(fēng)能為;受力面積為;風(fēng)速為;空氣密度為。[3]

此外，目前市場(chǎng)原有的風(fēng)力發(fā)電裝置上的風(fēng)輪由于不能根據(jù)風(fēng)向轉(zhuǎn)向，導(dǎo)致發(fā)電效率低，團(tuán)隊(duì)已設(shè)計(jì)出一種可行技術(shù)方案：在支撐柱的內(nèi)部設(shè)置有傳動(dòng)電機(jī)，因傳動(dòng)電機(jī)的傳動(dòng)軸貫穿轉(zhuǎn)動(dòng)桿，在不同風(fēng)向時(shí)，傳動(dòng)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)通過轉(zhuǎn)動(dòng)桿帶動(dòng)放置倉(cāng)轉(zhuǎn)動(dòng)，進(jìn)而使得風(fēng)輪一直處于迎風(fēng)態(tài)，實(shí)現(xiàn)更高效率的風(fēng)能收集，具體結(jié)構(gòu)如圖2所示。[4]

3 項(xiàng)目?jī)?yōu)勢(shì)

本技術(shù)項(xiàng)目的優(yōu)勢(shì)在于，相對(duì)于其他發(fā)電裝置的轉(zhuǎn)向限制性而言，具有晝夜互補(bǔ)、季節(jié)性互補(bǔ)特點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)了較高的系統(tǒng)穩(wěn)定性，性價(jià)比較高。利用風(fēng)能、太陽(yáng)能的互補(bǔ)性，可以獲得比較穩(wěn)定的輸出。在保證同樣供電的情況下，可大大減少儲(chǔ)能蓄電池的容量。通過合理地設(shè)計(jì)與匹配，可以基本上實(shí)現(xiàn)由風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)供電，獲得較好的社會(huì)效益和經(jīng)濟(jì)效益。

同時(shí)項(xiàng)目在選址方面選擇山頂?shù)貐^(qū)，山頂風(fēng)能資源更顯優(yōu)勢(shì)，本項(xiàng)目運(yùn)行安全、維護(hù)簡(jiǎn)單，電力設(shè)施維護(hù)工作量及相應(yīng)的費(fèi)用開銷大幅度下降。團(tuán)隊(duì)方面我們也進(jìn)行了合理配置，行政部和研發(fā)部門分管不同，因此能夠提出更多優(yōu)秀的技術(shù)方案和服務(wù)，精細(xì)化每一個(gè)步驟。

4 結(jié)語(yǔ)

清潔能源的高效利用是未來社會(huì)的必然發(fā)展趨勢(shì)，如何將清潔能源更好地應(yīng)用到社會(huì)基礎(chǔ)設(shè)施更是有著廣闊的發(fā)展空間。本文設(shè)計(jì)研究了一種具備良好應(yīng)用性的智能風(fēng)光互補(bǔ)系統(tǒng)，在原有的技術(shù)基礎(chǔ)上，對(duì)風(fēng)力發(fā)電裝置進(jìn)行了結(jié)構(gòu)控制改良，提高了風(fēng)能收集的效率，也提高了系統(tǒng)供電的可靠性、穩(wěn)定性。在未來的發(fā)展規(guī)劃中，團(tuán)隊(duì)會(huì)嘗試智能微電網(wǎng)的組建，使用分布式光伏電站，提供更多高質(zhì)量以及多樣性的供電可靠性服務(wù)。通過微電網(wǎng)控制中心實(shí)現(xiàn)模式識(shí)別與控制，每一塊太陽(yáng)電站組件都會(huì)受到控制中心的監(jiān)控，當(dāng)處于異常工作狀態(tài)時(shí)將會(huì)有較大安全隱患，控制中心便可以自動(dòng)實(shí)現(xiàn)斷路控制。

參考文獻(xiàn)

[1] 朱高偉.小型風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)的搭建[J].機(jī)電信息，2020（21）：12-13.

[2] 楊衛(wèi)華，蔣康樂，孫文葉.不同應(yīng)用規(guī)模下風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電儲(chǔ)能系統(tǒng)優(yōu)化與設(shè)計(jì)[J].節(jié)能，2017，36（10）：40-43+3.

[3] 黃慧，肖金鳳，李嘉婉.智能化風(fēng)光互補(bǔ)系統(tǒng)在小型漁船上的應(yīng)用[J].輕工科技，2020，36（07）：66-67.

[4] 李天翔，金焱，金偉康，李旭，侯平. 一種光伏發(fā)電系統(tǒng)用風(fēng)力發(fā)電裝置[P]. 廣西：CN208106651U，2018-11-16.

基金項(xiàng)目：廣西壯族自治區(qū)2019年大學(xué)生創(chuàng)業(yè)實(shí)踐計(jì)劃立項(xiàng)項(xiàng)目“風(fēng)啟光電”項(xiàng)目成果，項(xiàng)目編號(hào)：201910595069

作者簡(jiǎn)介：李旭，男，桂林電子科技大學(xué)計(jì)算機(jī)與信息安全學(xué)院本科2017級(jí)學(xué)生。