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微風(fēng)電與光伏相結(jié)合的分布式發(fā)電系統(tǒng)

2014-01-28 17:30王建甌魏立東
中國(guó)建材科技 2014年4期
關(guān)鍵詞:風(fēng)帆風(fēng)能微風(fēng)

王建甌 魏立東

(1浙江蒼南縣農(nóng)村能源辦公室,浙江 溫州 325800;2浙江迪飛辛農(nóng)業(yè)開發(fā)有限公司,浙江 杭州310021。)

1 引 言

風(fēng)能和太陽能是人類取之不竭、用之不盡的能源資源,是最具推廣前景的環(huán)保潔凈的可再生能源,受到世界各國(guó)的重視,在發(fā)達(dá)國(guó)家逐漸取代傳統(tǒng)能源,在我國(guó)對(duì)風(fēng)能和太陽能的開發(fā)才剛剛開始。

由于風(fēng)能和太陽能在時(shí)間上、地域上和經(jīng)濟(jì)上都有一定的互補(bǔ)性,風(fēng)能和太陽能近年越來越多的用于互補(bǔ)發(fā)電。但常規(guī)水平軸風(fēng)能和太陽能都具有能量密度低、穩(wěn)定性差的弱點(diǎn),并受到地理分布、季節(jié)變化、晝夜交替等影響,而基于微風(fēng)和太陽能的分布式發(fā)電系統(tǒng)就不存在這樣的缺陷,可實(shí)現(xiàn)晝夜不間斷發(fā)電,如果把該系統(tǒng)應(yīng)用到無電人口地區(qū),效果將非常顯著,特別是因距離遠(yuǎn)、電網(wǎng)架設(shè)成本高、遷移頻繁、線路易被盜、防火等各種原因,在林場(chǎng)、海島、哨所、草原、沙漠、山區(qū)、鄉(xiāng)村等無電地區(qū),還有大量小型企業(yè)、家庭用戶生活在無電狀態(tài),使從業(yè)人員長(zhǎng)期無法享受電視、音響、信息、娛樂等現(xiàn)代文明的生活。

2 發(fā)電系統(tǒng)的組成和原理

微風(fēng)發(fā)電與太陽能光伏發(fā)電相結(jié)合的供電系統(tǒng)。主要由微風(fēng)發(fā)電機(jī)、太陽能電池陣列、蓄電池組、充電控制器、逆變器、監(jiān)控系統(tǒng)等組成。微風(fēng)發(fā)電機(jī)及太陽能電池陣列發(fā)出的電流通過控制器貯存在蓄電池中。當(dāng)負(fù)載用于直流電時(shí),通過控制器將直流電直接輸送給負(fù)載;當(dāng)負(fù)載用于交流電時(shí),則需要經(jīng)逆變器將直流電轉(zhuǎn)變?yōu)榻涣麟娫佥斔徒o負(fù)載。

2.1 微風(fēng)發(fā)電系統(tǒng)

微風(fēng)發(fā)電系統(tǒng)是與傳統(tǒng)風(fēng)輪水平風(fēng)力發(fā)電機(jī)完全不同的新型垂直軸風(fēng)力發(fā)電設(shè)備[1]。這種創(chuàng)新型風(fēng)力發(fā)電機(jī)就是根據(jù)帆船在海上航行利用風(fēng)能的原理,將風(fēng)帆安裝于發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子同軸的鼠籠上,利用風(fēng)能對(duì)風(fēng)帆的壓力,推動(dòng)風(fēng)帆轉(zhuǎn)動(dòng),從而帶動(dòng)發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng),實(shí)現(xiàn)風(fēng)能轉(zhuǎn)化成機(jī)械能再轉(zhuǎn)換成電能的過程。其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,安裝方便,故障率低,維護(hù)簡(jiǎn)便。由于適應(yīng)低風(fēng)速運(yùn)行,發(fā)電又不受風(fēng)力影響(360度自由旋轉(zhuǎn)),只要有風(fēng),24小時(shí)發(fā)電,風(fēng)力發(fā)電效率高達(dá)90%以上。由于在風(fēng)帆上增設(shè)離心式機(jī)械自動(dòng)恒速裝置,省去了復(fù)雜自動(dòng)調(diào)速、調(diào)壓系統(tǒng),同時(shí)采用升力及阻力相結(jié)合的運(yùn)轉(zhuǎn)方式、既能在風(fēng)速1.5m/s時(shí)發(fā)電,又能抗最大風(fēng)速60m/s環(huán)境中照常運(yùn)行發(fā)電。

2.2 太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)

太陽電池的發(fā)電原理是利用光入射于半導(dǎo)體時(shí)所引起的光電效應(yīng),光伏電池的基本特性 和二極管類似,可以用簡(jiǎn)單的PN結(jié)來說明,當(dāng)具有適當(dāng)能量的光子入射于半導(dǎo)體時(shí),光與構(gòu)成半導(dǎo)體的材料相互作用產(chǎn)生電子和空穴(因失去電子而帶正的電荷),如半導(dǎo)體中存在PN結(jié),則電子向N型半導(dǎo)體擴(kuò)散,空穴向P型半導(dǎo)體擴(kuò)散,并分別聚集于兩個(gè)電極部分,即負(fù)電荷和正電荷聚集于兩端,如用導(dǎo)線連接這兩個(gè)電極,就有電荷流動(dòng)產(chǎn)生電能。利用這一原理,可將光能轉(zhuǎn)化為電能儲(chǔ)存起來,通過調(diào)節(jié)與控制技術(shù),將電能變換為各種需要的標(biāo)準(zhǔn),以滿足不同負(fù)載的需要。

3 技術(shù)創(chuàng)新

1)優(yōu)化設(shè)計(jì)微風(fēng)發(fā)電機(jī)結(jié)構(gòu),采用風(fēng)帆片,水平旋轉(zhuǎn)發(fā)電,微風(fēng)(1.5級(jí)風(fēng))即可啟動(dòng)發(fā)電,充分利用風(fēng)動(dòng)力,提高風(fēng)能利用率,年發(fā)電量多。在微風(fēng)發(fā)電基礎(chǔ)上配置光伏組件,構(gòu)成微風(fēng)電和光伏相結(jié)合的分布式發(fā)電系統(tǒng),可根據(jù)用戶和使用地區(qū)不同需求進(jìn)行定制。

2)改常規(guī)螺旋槳水平軸風(fēng)向?yàn)轱L(fēng)帆片垂直軸風(fēng)向,無需調(diào)向?qū)ο蚪Y(jié)構(gòu),提高風(fēng)機(jī)使用安全系數(shù),降低用戶架設(shè)費(fèi)用。

3)優(yōu)化設(shè)計(jì)風(fēng)機(jī)抗強(qiáng)風(fēng)能力。發(fā)電機(jī)在低速運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí),風(fēng)葉呈下垂 10 度角準(zhǔn)水平運(yùn)轉(zhuǎn);當(dāng)在強(qiáng)風(fēng)狀況下,因加速離心的原理,風(fēng)葉可自動(dòng)呈水平狀態(tài)旋轉(zhuǎn),使同心度達(dá)到最佳狀態(tài),阻力??;同時(shí)控制電路根據(jù)風(fēng)力情況能自動(dòng)保護(hù),故風(fēng)再大,也不會(huì)造成過充電損機(jī)事故。優(yōu)化微風(fēng)發(fā)電機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),在 1.5級(jí)風(fēng)狀況下發(fā)電機(jī)可啟動(dòng)工作,達(dá)到微風(fēng)發(fā)電的目的;在強(qiáng)風(fēng)狀況下,發(fā)電機(jī)可自動(dòng)保護(hù)到不發(fā)電的狀況,確保發(fā)電機(jī)安全不損壞。

4)優(yōu)化設(shè)計(jì)系統(tǒng)配套風(fēng)光互補(bǔ)型正弦波控制逆變器,改善負(fù)載適應(yīng)性,并具有過壓、欠壓、過載、短路、反接、防雷等自動(dòng)保護(hù)功能,聲光指示報(bào)警。

5)發(fā)電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,安裝方便,故障率低,維護(hù)簡(jiǎn)便,占地省,由于風(fēng)葉水平運(yùn)轉(zhuǎn),發(fā)電工作時(shí)無電子波產(chǎn)生,故可方便地安裝于屋頂、平臺(tái)、立桿和地面上,一般架高4m以上即可。

6)風(fēng)機(jī)外殼和風(fēng)葉,設(shè)計(jì)采用玻璃鋼和抗老化優(yōu)質(zhì)塑料制成,內(nèi)部重要構(gòu)件采用鋁合金成型,故輕便、牢固、耐用、美觀,使用壽命達(dá)15年以上。

4 系統(tǒng)配置方案

該系統(tǒng)由于配置了太陽能光伏發(fā)電,設(shè)計(jì)發(fā)電時(shí)間為10小時(shí)(如風(fēng)速達(dá)到1.5m/s則24小時(shí)供電),依據(jù)無電人口地區(qū)規(guī)模大小進(jìn)行如下配置:

4.1 配置1

15000W微風(fēng)發(fā)電機(jī)+5000W太陽能電池組件+充電控制器+10KW數(shù)控逆變電源,12V 200Ah免維護(hù)蓄電池30只。

可滿足20戶農(nóng)村家庭全天24小時(shí)正常使用彩電、冰箱、VCD、電腦、照明、衛(wèi)星接收機(jī)、電風(fēng)扇、電飯煲及道路夜間照明。每天可用電量:200KWh。

4.2 配置2

45000W微風(fēng)發(fā)電機(jī)+5000W太陽能電池組件+充電控制器+20KW數(shù)控逆變電源,12V200Ah免維護(hù)蓄電池75只。

可滿足50戶農(nóng)村家庭全天24小時(shí)正常使用彩電、冰箱、VCD、電腦、照明、衛(wèi)星接收機(jī)、電風(fēng)扇、電飯煲及道路夜間照明。每天可用電量:500KWh。

4.3 配置3

90000W微風(fēng)發(fā)電機(jī)+10000W太陽能電池組件+充電控制器+50KW數(shù)控逆變電源,12V200Ah免維護(hù)蓄電池150只。

可滿足100戶農(nóng)村家庭全天24小時(shí)正常使用彩電、冰箱、VCD、電腦、照明、衛(wèi)星接收機(jī)、電風(fēng)扇、電飯煲及道路夜間照明。每天可用電量:1000KWh。

5 結(jié) 語

本文闡述的微風(fēng)電和光伏發(fā)電相結(jié)合的分布式發(fā)電系統(tǒng),為風(fēng)力資源屬于低風(fēng)速的區(qū)域提供了一種電源新技術(shù),實(shí)現(xiàn)了全天候“風(fēng)光互補(bǔ)”,是可再生能源利用的新技術(shù),推廣應(yīng)用前景廣闊。

[1]嚴(yán)強(qiáng),蔣超奇.垂直軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)的發(fā)展趨勢(shì)和應(yīng)用[J].上海電力.2007.2:166-167

[2]范正萍,王心塵,杜華夏,王亞軍.小型家用垂直軸風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的設(shè)計(jì)[J].能源技術(shù).2007,28(5).279-283

[3]王立喬,孫孝峰.分布式發(fā)電系統(tǒng)的光伏發(fā)電技術(shù)[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2010.8-10.

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