垂直式風光互補發電系統

趙行

摘 要：該文介紹了一種風力發電和太陽能發電的互補發電系統的設計和實現。新型能源具有無污染，資源足等特點，我國國土面積大，一年太陽的照射量所產生的太陽能，可相當于燃燒數以億計的煤；若在新疆等高海拔地區建立大型風力發電廠，其產生的電量將減輕傳統能源發電廠的壓力。該系統主要由太陽能發電組件、風力發電組件、風光互補控制器、蓄電池及逆變器等主要部件組成，通過使用垂直軸風力發電機代替傳統的水平軸發電機，以及太陽能板由單片機控制自動跟蹤太陽光移動，提高了發電效率，結果顯示該系統具有一定的推廣應用價值。

關鍵詞：垂直軸風力發電機 太陽能板 自動跟蹤 風光互補發電系統

中圖分類號：TM61 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2015）10（c）-0054-04

Abstract：The paper presents a design and realization of wind-solar hybrid power generation system.The new energy has no pollution，insufficient resources and other characteristics，China's land area，produced by the exposure year sun solar，can be equivalent to burning billions of coal； if the establishment of large-scale wind power plant in Xinjiang high altitude area， the power consumption will reduce the traditional energy power plant pressure.The system consists of wind turbine，solar panel，storage battery，controller and DC/AC inverter，etc..The vertical axis wind turbine is applied for the system instead of horizontal？axis？wind？turbine，and the solar panel can track the sunlight and be controlled by a micro-controller unit（MCU） automatically，so the efficiency of power generation is increased.The results show that the system has certain popularization and application value.

Key Words：Vertical axis wind turbine；Solar panel；Automatic track；Wind-solar hybrid power generation system

傳統能源是不可再生能源，而且儲存量有限。人類若不節制利用，將面臨嚴重的資源危機。太陽能和風能是目前最受關注的新型能源，太陽能發電是利用太陽能板將太陽能轉化為電能，儲存在蓄電池里，再由逆變器將直流電變成220 V的交流電，從而實現代替傳統發電廠發電。風力發電同樣是新型能源，是把風能轉化為電能，將電能存在蓄電池中，同樣再由逆變器將直流電變成交流電。另外，風能和太陽能具有良好的互補性，如果能將它們的優點結合起來，可使它們的發電效率達到最大化。我國國土面積大，太陽能和風力資源都豐富。開發一種將風力發電和太陽能發電相結合的風光互補系統，不但保護了環境又產生了電能，將是未來一項很有價值的新型發電方式。

1 整體設計

該風光互補發電系統首先將垂直軸風力發電機代替了水平軸風力發電機，從而實現了高效率的風能利用。因為垂直軸風力發電機的葉片不受風向限制，有風吹來時，葉片都將轉動，而且啟動風速低，從而增加了風能的利用率，提高了發電效率。另外該系統還具有太陽能板自動跟蹤太陽光移動的功能，在太陽能板下安裝有電機，通過光敏電阻采光，將電壓差數據傳入單片機中，再由單片機自動控制太陽能板下的電機運動，這樣可使太陽能板始終追隨太陽光的運動而運動，最大程度地實現采光，增加太陽能的利用率。圖1和圖2分別給出了該系統的框圖和實物圖。

2 風光互補系統主要部件的設計和實現

風光互補發電系統主要部件是：垂直式風力發電機，太陽能自動跟蹤系統，逆變器等。下面主要針對垂直式風力發電機，太陽能自動跟蹤系統，逆變器等這些重要部件的設計進行介紹。

2.1 垂直軸風力發電機

垂直軸式風力發電將風力轉化為機械能，再由風力發電機將機械能轉化為電能。垂直軸式風力發電機的優點是無論哪個方向的風都可以吹動葉片，所以垂直式風力發電機的發電效率比水平軸風力發電機高。由于風力發電機輸出的是交流電，需要將發出的電能整流濾波后再將電能輸入到蓄電池中。該系統采用的風力發電機輸出電壓為12 V，而蓄電池輸入電壓也12 V，所以不需要降壓，直接整流就可以了。風力發電機輸出的電能可直接作為輸入給整流濾波電路，這樣可將交流電轉變為直流電，圖3為整流濾波電路。

2.2 追蹤式太陽能發電

2.2.1 降壓斬波電路

該系統中的太陽能板采用的是單晶硅125*125的類型，輸出電壓為18 V，轉換效率在18%以上。要把太陽能板輸出的18 V直流電輸入到12 V的蓄電池中，需要降壓斬波電路。輸出電壓平均值為，由此可知占空比α減少，輸出電壓U0也減少。（ton為V處于通路的時間，toff為V處于斷態的時間，T 為開關周期，α為導通占空比。E 為太陽能板發出的電能，Em是經過降壓斬波后輸送到蓄電池的電能。

2.2.2 太陽能自動跟蹤系統

太陽能自動跟蹤系統是指由在太陽能板上4個角每個角各安裝一個光敏電阻，根據太陽位置由東到西的移動，由于太陽位置不同而使光敏電阻電平不同的原理，再使用單片機控制步進電機使太陽能板上下東西移動。當太陽升起時，太陽能板是朝向東邊的。當正午太陽在正上方時，太陽能板是水平的。當太陽下山時，太陽能板是朝向西邊的。這樣就能使太陽能板的發電效率升高。4個光敏電阻分布在太陽能板的4個角，當4個光敏電阻受到太陽光照時，4個光敏電阻產生的電壓是不一樣的，光敏電阻將信號傳送到單片機，單片機就會作出指令，讓步進電機轉動，從而實現太陽能板可以隨著太陽位置的變化而變化。

2.3 逆變電路

太陽能板和風力發電機都將產生的電能存入蓄電池中，蓄電池中的電能是12 V直流電。一般不可能將12 V的直流電直接供市民使用，需要有對這個直流電升壓后再逆變的過程。下面是逆變電路圖，先將蓄電池輸出的直流電經過升壓斬波電路升壓，再輸入到逆變電路中。

3 系統測試

3.1 太陽能自動跟蹤系統測試實驗

為了驗證太陽能跟蹤系統的發電效率，首先選擇在某一天的不同時段對該系統進行試驗測試，并跟一個不帶太陽光自動跟蹤能力的太陽能發電系統（以下簡稱“固定的太陽能板”）進行對比。選擇對比的時間是一天中午12點，下午2點，下午4點，下午6點。具體實驗數據如表1所示。

從結果可以看出自動跟蹤式太陽能板比固定式太陽能板的輸出電流高，即它的發電效率更高。

3.2 垂直軸風力發電機測試實驗

垂直軸風力發電機相比于水平軸式發電機的優點是能適用于各種風向環境下，由于各種風向的風都能吹動垂直軸風力發電機的葉片，所以它的發電效率要比水平軸發電機發電效率要高。而且根據資料，如果垂直軸發電機的翼型和安裝角選擇合適，風速只要能達到2 m/s就能使垂直式發電機的葉片轉動，而水平軸式風力發電機要達到5 m/s才能轉動，這就說明垂直軸式發電機比水平軸式發電機容易轉動，這是優于水平軸發電機的。所以為了進一步證明垂直軸風力發電機的發電有效性，我們做了如下實驗，同樣還是選擇在同一時間，同一環境下，將垂直軸風力發電機和水平軸發電機進行對比，觀察它們的輸出電流，具體實驗結果如表2所示。

由表2可知，垂直式風力發電機比水平軸發電機的發電效率高28%左右。

4 結語

該文介紹了一項大學生創新創業訓練項目— 垂直式自動跟蹤風光互補發電系統，闡述了整個設計流程，在此基礎上進行了實物制作調試和對比實驗。該系統利用兩項新型清潔能源—風能和太陽能發電，通過相應的改進和有效結合，例如：（1）使太陽能板可以自動追蹤太陽光的運動，增大陽光照射面的面積，使太陽能板發電效率升高；（2）風力發電機采用了垂直軸風力發電機，減小了啟動風速，而且它可以被任意方向的風吹動，增大了發電效率，從而實現高效并網發電。該系統還可用于多種環境的發電使用，如：山區的孩子可以用風光互補發電系統發出的電上晚自習，可以做個路燈等。同時既可以并網使用，也可以獨立發電使用。相比于傳統能源，風光互補發電無污染，成本低，隨著技術的成熟，風光互補成本不斷降低，利用率也會越來越大，甚至在未來，這種新型發電方式將可能會取代傳統發電方式，有廣闊的應用前景。

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