小型風光互補發電演示裝置

張鵬飛，張子亮，張 鵬，張 宇，呂襲明，劉紀元，史慶藩

（北京理工大學 物理系，北京100081）

1 引 言

當今世界，風能作為一種清潔能源呈現出大規模開發利用的趨勢，風力發電技術的發展也因此突飛猛進．此項技術的基本原理就是在風力驅動下風葉片旋轉，從而促使發電機發電．目前的風力發電技術已比較成熟，微風（約3 m／s）即可實現發電功效［1］，且發電成本較其他發電方式低，其巨大的社會效益可見一斑．然而風力發電也仍然有其不足之處，隨機性大、供電可靠性較差成為阻礙其大范圍應用的不利因素．

作為另一種清潔能源技術，太陽能光伏發電則是利用太陽能光伏電池的物理化學過程將太陽能轉換成電能進而加以利用．太陽能光伏系統具有可靠性高、運行維護成本低等明顯優勢，但偏高的造價與對近乎苛刻的日照要求也是急需攻克的問題．

風力資源和光能資源在不同季節、不同地域和不同氣候條件下都有很強的互補性，將兩者結合起來，就可以很好地實現能量轉化性價比與工作可靠性的兼顧，風光互補的新型發電模式因此應運而生［2］．這種發電模式可以有效提高系統供電的連續性、穩定性和可靠性，目前已受到工業與環保行業的高度重視，應用前景十分廣闊．

為開拓大學生視野，普及可再生能源知識，增強環境保護意識，幫助學生進一步將所學的理論知識和實際應用結合，促進其綜合素質的全面提高，同時，考慮到演示實驗直觀性、生動性、靈活性的要求，在大學物理的教學中引入基于風光互補原理的風力發電演示實驗裝置是很有必要的．為此，設計制作了小型風光互補發電演示裝置．該裝置很好地實現了小型化、直觀化、高度模塊化、操作簡便化的特點．在演示過程中，此裝置能詳盡生動地再現風力發電的整個過程，使學生清楚地認識到風力發電系統的組成、能量轉換的原理和過程以及空氣動力學相關知識，更能使學生深刻體會流體力學、電學、光學等綜合知識在實際生活中的應用，這對學生的知識領悟與技能積淀都大有裨益，進一步使學生將理論知識和實際應用結合起來，達到很好的效果．

2 演示裝置的工作原理

小型風光互補發電演示裝置由風力發電機、太陽能光伏電池板、風光互補控制器、蓄電池、逆變器、交直流負載等部分組成，其實物圖見圖1．

2．1 風力發電部分

風力發電主要分為風力機和發電機兩部分，核心動力裝置就是風葉片部分，風力發電機葉片部分的工作效率可根據得出．其中P為葉片發電功率；v為額定風速，即無限遠來流速度；D為風輪直徑；CP是功率系數．

圖1 小型風光互補發電演示裝置

葉片的平面形狀與剖面幾何形狀和風力機空氣動力特性密切相關，特別是剖面幾何形狀即翼型氣動特性的好壞，將直接影響風力發電機的風能利用系數．為了確定風機葉片的大致參量，需要知道以上各量的值．對于室內的演示實驗，風輪直徑應在1 m以內．同時演示實驗的最終演示結果是對40 W燈泡供電，因此考慮功率損失，葉片發電功率在50 W左右．功率系數CP可由貝茨理論確定［3－4］．

設v為風輪前方遠處的風速，v1為通過風輪截面A的實際速度，v2為風輪后方遠處的風速，通過風輪的氣流在風輪前方的截面為A1，在風輪后方的截面為A2．由能量守恒定律，流體動量方程及力與作功關系，分別有

式中，m為單位時間內流過風輪截面的空氣質量，E為單位時間風輪接收的動能．由（2）～（4）式，以及E可以看成v2的函數，求其導數并使之為零得

得到風輪可能吸收到的最大風能為

式（7）給出理想風輪的最大理論效率，就是貝茨極限．

通常風輪葉片接受風能的效率達不到此值．根據已有經驗，CP在工程中一般取為0．35．這樣可確定額定風速v約為6．6 m／s．

葉片的理論計算參量確定后，結合實驗需要和演示目的，選用的葉片參量如下：中心槳距50 cm，起動風速約7 m／s，發電功率約50 W．

2．2 太陽能發電部分

太陽能光伏電池簡稱光伏電池，是把太陽光能直接轉化為電能的重要元件，在日常生活、工業工程中應用十分廣泛．其工作原理為PN結的光生伏特效應，即：PN結在光照下產生電子與空穴，并分別集中于N區與P區，導致N區與P區之間的薄層產生光生伏特電動勢，進而加以利用．

該裝置利用到光伏電池的特性與工作方式進行工作．在光照強度穩定時，光伏電池產生的光生電流Iph基本不變，所以在等效電路中可將其視作恒流源．負載R的接入，就會使電路閉合從而產生電流，負載兩端也因此產生電壓V．光伏電池本身就是一個PN結，基本特性與二極管類似，所以負載端電壓反作用于光伏電池本身，產生與光生電流方向相反的電流Id，如圖2所示．

圖2 太陽能光伏電池等效電路

在日照強度和溫度不變時，光伏電池的I－V特性曲線如圖3所示，其中I，V分別為輸出電流和電壓．圖中Voc為開路電壓，Isc為短路電流，Vm為最佳工作電壓，Im為最佳工作電流，Pm為最佳工作功率，M點為最大功率點．

圖3 太陽能電池光伏特性曲

由圖3可知輸出電流I在大部分工作電壓范圍內相當穩定，僅當電壓升高到足夠高的值后，電流會迅速下降至零．在工程應用中，光伏電池的額定功率定義為在太陽能輻射通量為1 000 W／m2，環境溫度為25℃時光伏電池輸出的最大功率．考慮到單晶硅電池轉化效率最高，選其作為本實驗裝置的光電轉換的單元器件．

在實際應用中，單體太陽能電池的工作電流一般為20 m A／cm2，工作電壓也不是很高，僅為0．45～0．5 V．因此單體太陽能電池通常不能單獨使用，需將眾多單體太陽能電池串聯或并聯起來并封裝，形成有一定電性能的太陽能電池組件．因此，將多個單晶硅光伏太陽能電池板連綴成塊，組成額定功率為30 W左右的太陽能光伏發電組，并將4個這樣的組件串聯固定在支架上形成光伏陣列，來實現光電的有效轉換．

2．3 控制系統

控制系統是實驗裝置的核心模塊，它實現了對光電轉換、風電轉換、信息顯示以及電路保護的重要控制功能．其硬件電路可以分為電力主電路以及控制電路兩大部分，結構示意圖如圖4所示．控制系統的核心為單片機，單片機通過相應的外圍電路來控制相應的功能模塊，從而保障整個實驗裝置平穩工作．單片機完成了電壓檢測、電流檢測、保護電路、驅動電路的控制、顯示電路的輸出等的一系列功能．圖5和圖6則分別為控制系統在風電、光電轉換發電部分的電路示意圖．

圖4 控制電路

圖5 風電轉換部分控制

圖6 光電轉換部分控制系統

此外，在設計控制系統時，實現了電路保護功能，保障了實驗裝置能量轉換、電能利用的安全、可靠與高效．我們利用的控制器采用PWM方式控制風機和太陽能電池對蓄電池進行限流限壓充電，即在蓄電池電量較低時，采用限流充電，當風機和太陽能總充電流小于限電流時，風機和太陽能的全部能量給蓄電池充電．當風機和太陽能總電流大于限流點時，以限流點的電流給蓄電池充電，多余的能量通過PWM方式卸載；在蓄電池電量較高時，采用限壓充電，當蓄電池電壓低于限壓點時，風機和太陽能的能量全部給蓄電池充電，當蓄電池電壓達到限壓點時，風機和太陽能會以限壓點對蓄電池充電，多余的能量通過PWM方式卸載．控制器具有完善的保護功能，包括：太陽能電池防反沖、蓄電池過充電、蓄電池過放電、負載短路、過載、風機限流、風機自動剎車．

2．4 輔助功能模塊系統

蓄電池是風力發電機、太陽能光伏發電和用電器之間的儲能裝置，為整個系統提供長時間的均衡供電．本實驗裝置的蓄電池是12 A，20 V的鉛酸蓄電池．由于直流－交流輸出的轉變，選用逆變器是利用電子元件對直流電進行開關使之變為交流電，然后用變壓器升壓的功能．實驗裝置的PWM逆變器額定功率為300 W，電流為0．9 A，輸入直流電壓范圍為10～15 V，輸出正弦交流電，電壓為（230±10）V，效率在80%以上．

3 結束語

該設計制作的小型風光互補發電演示裝置，側重于再現風光互補發電的全過程，直觀清晰地顯示發電過程中風速、太陽光照度等參量對于發電效率的影響，同時融入了直流－交流轉化、電流控制等重要的實用技術，使學生在體會豐富的物理專業知識的同時，能夠得到更多有關技術實用與工程設計方面的收獲，并注重培養其知識遷移與綜合運用的能力，此外，此實驗裝置原理簡明扼要，便于拆裝，工作穩定、可靠，能源利用多樣化，轉化效率高，同樣具有實用價值．

［1］ 吳廣龍．淺談風力發電的技術現狀與發展趨勢［J］．裝備制造，2010（1）：115．

［2］ 談蓓月，衛少克．風光互補發電系統的優化設計［J］．上海電力學院學報，2009，25（6）：244－248．

［3］ 王宏華．風力發電的原理及發展現狀 ［J］．機械制造與自動化，2010（1）：175－178．

［4］ 倪受元．風力機的工作原理和氣動力特性［J］．太陽能，2000（3）：12－16．