基于太陽旋轉(zhuǎn)周期風能和光能兩用發(fā)電裝置的設(shè)計與研究

劉志春

摘要：太陽能光伏發(fā)電是根據(jù)光生伏特效應(yīng)原理，利用太陽電池將太陽光能直接轉(zhuǎn)化為電能。風力機翼型是葉片的基本要素，其幾何參數(shù)、空氣動力學特性都直接影響風力發(fā)電裝置的性能和功率，風力機翼型及葉片沿展向的分布設(shè)計理論是決定風力機功率特性和載荷特性的根本因素，其良好的設(shè)計、可靠的質(zhì)量和優(yōu)越的性能是保證機組正常穩(wěn)定運行的決定因素。光伏發(fā)電在環(huán)保和新能源領(lǐng)域有著舉足輕重的地位，然而光伏發(fā)電還有著轉(zhuǎn)化率低的缺陷，這大大制約了這一清潔環(huán)保的發(fā)電技術(shù)的推廣和廣泛應(yīng)用，為了彌補這一缺陷，我們采用提高光板有效接受面積的手段可以延長太陽能發(fā)電時間，增加發(fā)電量，一定程度上降低發(fā)電量的波動，從而降低太陽能發(fā)電成本，進一步提高了產(chǎn)品的利用率，采用了太陽能發(fā)電與風能發(fā)電相結(jié)合的方式。

關(guān)鍵字：太陽能 光伏發(fā)電 旋轉(zhuǎn)周期

0 產(chǎn)品研制背景

隨著全球能源短缺的問題日益凸顯，如何開放利用好太陽能，并通過相應(yīng)的設(shè)備進行精確吸收成為了當今世界研究的課題。在新能源中，太陽能發(fā)電已成為全球研究的重要領(lǐng)域。在此背景下，全球光伏發(fā)電產(chǎn)業(yè)增長迅猛，產(chǎn)業(yè)規(guī)模不斷擴大，產(chǎn)品成本持續(xù)下降。我國光伏發(fā)電產(chǎn)業(yè)也得到迅速發(fā)展，崛起了以尚德電力、英利綠色能源、江西賽維LDK、保利協(xié)鑫為代表的一批著名企業(yè)和以江蘇、河北、四川、江西四大光伏強省為代表的一批產(chǎn)業(yè)基地。我國海上風能資源豐富，加快海上風電項目建設(shè)，對于促進沿海地區(qū)治理大氣霧霾、調(diào)整能源結(jié)構(gòu)和轉(zhuǎn)變經(jīng)濟發(fā)展方式具有重要意義。

然而由于太陽存在著光照強度隨著時間不斷變化等問題，這對太陽能的利用裝置提出了一定的技術(shù)要求。目前很多太陽能電池板陣列基本都是固定的，不能充分利用太陽能資源，發(fā)電效率低下。傳統(tǒng)光伏發(fā)電為了彌補轉(zhuǎn)化率低的缺陷，往往會用大量太陽能電池板同時發(fā)電，這樣會占用較多土地，而且目前太陽能電池板的生產(chǎn)會消耗較多能源，產(chǎn)生較高污染。而風力發(fā)電就目前的技術(shù)在廣泛應(yīng)用的基礎(chǔ)上，利用率并不高，由于噪聲、視覺污染，占用大片土地，不穩(wěn)定、不可控，目前成本仍然很高，影響鳥類等缺點。

1 設(shè)計方案

1.1太陽能電板部分

由于相對于某一個固定地點的太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)，太陽的光照角度時時刻刻都在變化，如果太陽能電池板能夠時刻正對太陽，發(fā)電效率才會達到最佳狀態(tài)。我們采用在光伏電板上安裝光感系統(tǒng)，通過感應(yīng)光線的大小與方向，生成路徑，將信息傳遞給控制系統(tǒng)的電動機和步進電機，通過電動機的控制，實現(xiàn)由立柱同時帶動12塊光伏電板跟隨太陽的轉(zhuǎn)動方向而變化，然后通過步進電機控制的方式，使每塊太陽能光伏電板可以跟隨陽光角度的變化而轉(zhuǎn)動，以達到在日光強度與方向變化的同時，電板隨之轉(zhuǎn)動，時刻達到太陽光與電板的最大接觸面積，因為光電強度與光入射時與電池板表面的夾角有關(guān)，當其夾角越接近直角時，光電轉(zhuǎn)換效率越好。因此，使太陽能入射角始終保持與太陽能電池板的垂直，可以提高太陽能電池板的發(fā)電效率。

對于光伏電板的大小，我們經(jīng)過合理的計算與評估，最終采用了30*50的光伏電板，共十二塊，錯開成列陣排列，有效的增加了與太陽光的接觸面積，更好地提高了利用率。在電板方面，并沒有采用通常的光伏電池，而是采用了一種新型材料——太陽能紙，將它貼于電板上進行工作。紙制太陽能電池是以木材紙漿、銀質(zhì)配線以及有機物組合而成，其制造成本僅為普通太陽能電池的10萬分之1，與玻璃制電池相比，具有可彎曲折疊、更優(yōu)越的加工性等特性。

1.2風力發(fā)電部分

風力發(fā)電的原理，是利用風力帶動風車葉片旋轉(zhuǎn)，再透過增速機將旋轉(zhuǎn)的速度提升，來促使發(fā)電機發(fā)電。鑒于已有的成熟的條件，結(jié)合本產(chǎn)品，我們進行了創(chuàng)新設(shè)計，設(shè)計利用30*50的太陽能光伏電板代替漿葉，可360°自由旋轉(zhuǎn)的承載座代替風輪，光伏電板可根據(jù)風力大小與方向進行繞軸旋轉(zhuǎn)，調(diào)整至一個最佳角度，使與風的接觸面積達到最大值。當電機關(guān)閉后，產(chǎn)品完全成為自動形式，當風吹動電板，每個搖臂上的電板實現(xiàn)同步擺動，從而帶動搖臂以及搖臂底座轉(zhuǎn)動，從而實現(xiàn)風輪的轉(zhuǎn)動，成功將風的動能轉(zhuǎn)化成機械能，從而進行風力發(fā)電。

1.3控制部分

在實現(xiàn)太陽能發(fā)電的時候，我們采用電機控制光伏電板不同時刻的角度擺動，特別強調(diào)，根據(jù)產(chǎn)品設(shè)計的需求，我們采用的是步進電動機。

在設(shè)計中，我們要求太陽能光伏電板可以跟隨太陽光光線的角度變化而變化，安裝在光伏電板內(nèi)部的光感系統(tǒng)通過感應(yīng)生成信號傳遞給步進電機，電機通過內(nèi)部轉(zhuǎn)子與定子的轉(zhuǎn)動達到電板轉(zhuǎn)動的目的。

2 創(chuàng)新部分

與傳統(tǒng)固定式太陽能電池板組件相比，在提高太陽能發(fā)電率的基礎(chǔ)上，結(jié)合了風力發(fā)電的多樣形式，實現(xiàn)了風力發(fā)電和太陽能發(fā)電的同步進行；在太陽能發(fā)電方面采用了垂直軸的基本結(jié)構(gòu)，在此基礎(chǔ)上加以變化，圓盤的轉(zhuǎn)動提高了靈活性與產(chǎn)品性能?？蓪崿F(xiàn)180°自由旋轉(zhuǎn)的圓臺，可由根據(jù)不同光線產(chǎn)生不同信號的光感系統(tǒng)，由步進電機控制的可實現(xiàn)自由擺頭的光伏電板；光感系統(tǒng)造價低，不容易損壞，安裝簡便，大大提高效率，使能量的接收率提高 35%以上；并且將光感系統(tǒng)與步進電機配合來實現(xiàn)對太陽的追蹤，能大大提高追蹤的自動化程度，實現(xiàn)了角度自動糾正，有效解決積累的誤差隨著時間的變化會增大的問題；加持了光感系統(tǒng)的太陽能電池板可增加發(fā)電量20%～40%?？傊?，同樣的發(fā)電量，可以用更小的場地和更少的材料，大大減少了能源消耗和環(huán)境污染，借此來達到節(jié)能減排的目的。

本設(shè)計另一重要創(chuàng)新之處在實現(xiàn)太陽能發(fā)電的同時，充分利用自然環(huán)境，同步實現(xiàn)風力發(fā)電。白天，同時實現(xiàn)太陽能光伏發(fā)電和風力發(fā)電兩項發(fā)電功能。夜晚或者陰天，在無法利用太陽能的時刻，步進電機實現(xiàn)自鎖，單獨實現(xiàn)風力發(fā)電，其中用光伏電板代替風車葉片，利用風力吹動電板，從而帶動底座圓盤轉(zhuǎn)動，來促使發(fā)電機發(fā)電，實現(xiàn)風力發(fā)電的第二項功能，充分提高本產(chǎn)品的利用率。

3 小結(jié)

本產(chǎn)品也在一定程度上消除了光伏發(fā)電的推廣的阻礙，有利于光伏發(fā)電與風力的推廣，使太陽能與風能等清潔能源能被更廣泛，更高效率地應(yīng)用，造福全人類，減輕環(huán)境污染和能源短缺的困擾。

更重要的是他能兼顧發(fā)電，節(jié)能減排的功用，而且不光契合了實用性的要求，還有美觀裝飾性的效果，可大可小，可以根據(jù)需求定大小，增加了該產(chǎn)品的可伸縮性，且本產(chǎn)品對安裝的地址及人員都要求不高，只要有太陽光照的地方都能安裝，保證電能的供應(yīng)。

參考文獻：

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