李旭 杜嘉宸 徐嘉豪 廖聆希 石錦鵬

摘 要：隨著現(xiàn)代社會經(jīng)濟的不斷發(fā)展，人類社會面臨著日益嚴峻的能源緊缺和環(huán)境污染問題，開發(fā)利用無污染、可再生的新能源成為當務之急，比較典型的是太陽能與風能資源的開發(fā)。本文基于風能與光能的互補特性，探究風電技術開發(fā)能力不足的原因，對原有的設備進行了部分改進，使得風輪可以一直處于迎風狀態(tài)，獲得了高發(fā)電效率、智能化的風光互系統(tǒng)。系統(tǒng)針對在生活中的實際應用，進行合理結構設計，有助于我國能源利用的可持續(xù)發(fā)展。

關鍵詞：清潔能源;風光互補;高效率發(fā)電

1 前言

隨著現(xiàn)代社會經(jīng)濟的不斷發(fā)展，人類社會面臨著日益嚴峻的能源緊缺和環(huán)境污染問題，因此對開發(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光能，就具有更高技術層次的開發(fā)需求。風光清潔能源的高效率開發(fā)模式是如今社會經(jīng)濟發(fā)展進步的剛需，新能源產(chǎn)業(yè)是衡量一個國家和地區(qū)高新技術發(fā)展水平的重要依據(jù)，也是新一輪國際競爭的戰(zhàn)略制高點。

基于這種現(xiàn)狀，非常有必要對風光互補發(fā)電的理論框架和整體設計方案進行深入研究，這對我國整體的社會發(fā)展及產(chǎn)業(yè)升級都有十分重要的推進作用。合理開發(fā)太陽能與風能，安裝小型的風光互補發(fā)電系統(tǒng)，對我國廣大偏遠農(nóng)村的可持續(xù)發(fā)展具有一定的促進作用。[1]

2 系統(tǒng)整體設計

智能風光互補系統(tǒng)是一種將風力與光伏發(fā)電系統(tǒng)相結合的能量收集轉換裝置，主要組件包括：控制器、逆變器、風力發(fā)電機組、光伏電池組、蓄電池、直流負載以及交流負載。[2]其中，風力發(fā)電機組與光伏電池組可以實現(xiàn)對風能與太陽能的收集，并轉化為電能傳輸;控制器負責實現(xiàn)整個系統(tǒng)的綜合調(diào)控，包括蓄電池的充放電、負載電量控制、能源收集運作狀態(tài)檢測功能等，并且在本設計中我們?yōu)榭刂破黝A留了直流輸出口，可直接連接直流電動機使用;逆變器將所傳輸?shù)闹绷麟娹D換為交流電輸入給交流負載部分，而直接負載可直接從蓄電池獲取電能。整體系統(tǒng)成本較低，結構簡易，具有良好的應用性，智能風光互補系統(tǒng)結構圖如圖1所示。

2.1光伏發(fā)電組

太陽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行充電，光伏電池使用半導體材料，原理是利用PN結的光生伏特效應轉化光能為電能，目前廣泛應用的光伏電池材料有單晶硅、多晶硅以及非晶硅。其中單晶硅是轉換效率最高的，但是制作成本較大，而非晶硅雖然價格較低，但是轉換效率沒有晶硅組件高?？紤]到本項目實際多運用于農(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風力發(fā)電機組

式中，風能為;受力面積為;風速為;空氣密度為。[3]

此外，目前市場原有的風力發(fā)電裝置上的風輪由于不能根據(jù)風向轉向，導致發(fā)電效率低，團隊已設計出一種可行技術方案：在支撐柱的內(nèi)部設置有傳動電機，因傳動電機的傳動軸貫穿轉動桿，在不同風向時，傳動電機轉動時通過轉動桿帶動放置倉轉動，進而使得風輪一直處于迎風態(tài)，實現(xiàn)更高效率的風能收集，具體結構如圖2所示。[4]

3 項目優(yōu)勢

本技術項目的優(yōu)勢在于，相對于其他發(fā)電裝置的轉向限制性而言，具有晝夜互補、季節(jié)性互補特點，實現(xiàn)了較高的系統(tǒng)穩(wěn)定性，性價比較高。利用風能、太陽能的互補性，可以獲得比較穩(wěn)定的輸出。在保證同樣供電的情況下，可大大減少儲能蓄電池的容量。通過合理地設計與匹配，可以基本上實現(xiàn)由風光互補發(fā)電系統(tǒng)供電，獲得較好的社會效益和經(jīng)濟效益。

同時項目在選址方面選擇山頂?shù)貐^(qū)，山頂風能資源更顯優(yōu)勢，本項目運行安全、維護簡單，電力設施維護工作量及相應的費用開銷大幅度下降。團隊方面我們也進行了合理配置，行政部和研發(fā)部門分管不同，因此能夠提出更多優(yōu)秀的技術方案和服務，精細化每一個步驟。

4 結語

清潔能源的高效利用是未來社會的必然發(fā)展趨勢，如何將清潔能源更好地應用到社會基礎設施更是有著廣闊的發(fā)展空間。本文設計研究了一種具備良好應用性的智能風光互補系統(tǒng)，在原有的技術基礎上，對風力發(fā)電裝置進行了結構控制改良，提高了風能收集的效率，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，團隊會嘗試智能微電網(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。通過微電網(wǎng)控制中心實現(xiàn)模式識別與控制，每一塊太陽電站組件都會受到控制中心的監(jiān)控，當處于異常工作狀態(tài)時將會有較大安全隱患，控制中心便可以自動實現(xiàn)斷路控制。

參考文獻

[1] 朱高偉.小型風光互補發(fā)電系統(tǒng)的搭建[J].機電信息，2020（21）：12-13.

[2] 楊衛(wèi)華，蔣康樂，孫文葉.不同應用規(guī)模下風光互補發(fā)電儲能系統(tǒng)優(yōu)化與設計[J].節(jié)能，2017，36（10）：40-43+3.

[3] 黃慧，肖金鳳，李嘉婉.智能化風光互補系統(tǒng)在小型漁船上的應用[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)用風力發(fā)電裝置[P]. 廣西：CN208106651U，2018-11-16.

基金項目：廣西壯族自治區(qū)2019年大學生創(chuàng)業(yè)實踐計劃立項項目“風啟光電”項目成果，項目編號：201910595069

作者簡介：李旭，男，桂林電子科技大學計算機與信息安全學院本科2017級學生。