基于太陽旋轉周期風能和光能兩用發電裝置的設計與研究

劉志春

摘要：太陽能光伏發電是根據光生伏特效應原理，利用太陽電池將太陽光能直接轉化為電能。風力機翼型是葉片的基本要素，其幾何參數、空氣動力學特性都直接影響風力發電裝置的性能和功率，風力機翼型及葉片沿展向的分布設計理論是決定風力機功率特性和載荷特性的根本因素，其良好的設計、可靠的質量和優越的性能是保證機組正常穩定運行的決定因素。光伏發電在環保和新能源領域有著舉足輕重的地位，然而光伏發電還有著轉化率低的缺陷，這大大制約了這一清潔環保的發電技術的推廣和廣泛應用，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電時間，增加發電量，一定程度上降低發電量的波動，從而降低太陽能發電成本，進一步提高了產品的利用率，采用了太陽能發電與風能發電相結合的方式。

關鍵字：太陽能 光伏發電 旋轉周期

0 產品研制背景

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，并通過相應的設備進行精確吸收成為了當今世界研究的課題。在新能源中，太陽能發電已成為全球研究的重要領域。在此背景下，全球光伏發電產業增長迅猛，產業規模不斷擴大，產品成本持續下降。我國光伏發電產業也得到迅速發展，崛起了以尚德電力、英利綠色能源、江西賽維LDK、保利協鑫為代表的一批著名企業和以江蘇、河北、四川、江西四大光伏強省為代表的一批產業基地。我國海上風能資源豐富，加快海上風電項目建設，對于促進沿海地區治理大氣霧霾、調整能源結構和轉變經濟發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，發電效率低下。傳統光伏發電為了彌補轉化率低的缺陷，往往會用大量太陽能電池板同時發電，這樣會占用較多土地，而且目前太陽能電池板的生產會消耗較多能源，產生較高污染。而風力發電就目前的技術在廣泛應用的基礎上，利用率并不高，由于噪聲、視覺污染，占用大片土地，不穩定、不可控，目前成本仍然很高，影響鳥類等缺點。

1 設計方案

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電系統，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，發電效率才會達到最佳狀態。我們采用在光伏電板上安裝光感系統，通過感應光線的大小與方向，生成路徑，將信息傳遞給控制系統的電動機和步進電機，通過電動機的控制，實現由立柱同時帶動12塊光伏電板跟隨太陽的轉動方向而變化，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動，以達到在日光強度與方向變化的同時，電板隨之轉動，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，當其夾角越接近直角時，光電轉換效率越好。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電效率。

對于光伏電板的大小，我們經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、更優越的加工性等特性。

1.2風力發電部分

風力發電的原理，是利用風力帶動風車葉片旋轉，再透過增速機將旋轉的速度提升，來促使發電機發電。鑒于已有的成熟的條件，結合本產品，我們進行了創新設計，設計利用30*50的太陽能光伏電板代替漿葉，可360°自由旋轉的承載座代替風輪，光伏電板可根據風力大小與方向進行繞軸旋轉，調整至一個最佳角度，使與風的接觸面積達到最大值。當電機關閉后，產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同步擺動，從而帶動搖臂以及搖臂底座轉動，從而實現風輪的轉動，成功將風的動能轉化成機械能，從而進行風力發電。

1.3控制部分

在實現太陽能發電的時候，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，根據產品設計的需求，我們采用的是步進電動機。

在設計中，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，安裝在光伏電板內部的光感系統通過感應生成信號傳遞給步進電機，電機通過內部轉子與定子的轉動達到電板轉動的目的。

2 創新部分

與傳統固定式太陽能電池板組件相比，在提高太陽能發電率的基礎上，結合了風力發電的多樣形式，實現了風力發電和太陽能發電的同步進行；在太陽能發電方面采用了垂直軸的基本結構，在此基礎上加以變化，圓盤的轉動提高了靈活性與產品性能。可實現180°自由旋轉的圓臺，可由根據不同光線產生不同信號的光感系統，由步進電機控制的可實現自由擺頭的光伏電板；光感系統造價低，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；并且將光感系統與步進電機配合來實現對太陽的追蹤，能大大提高追蹤的自動化程度，實現了角度自動糾正，有效解決積累的誤差隨著時間的變化會增大的問題；加持了光感系統的太陽能電池板可增加發電量20%～40%。總之，同樣的發電量，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境污染，借此來達到節能減排的目的。

本設計另一重要創新之處在實現太陽能發電的同時，充分利用自然環境，同步實現風力發電。白天，同時實現太陽能光伏發電和風力發電兩項發電功能。夜晚或者陰天，在無法利用太陽能的時刻，步進電機實現自鎖，單獨實現風力發電，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動，來促使發電機發電，實現風力發電的第二項功能，充分提高本產品的利用率。

3 小結

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

更重要的是他能兼顧發電，節能減排的功用，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，可以根據需求定大小，增加了該產品的可伸縮性，且本產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。

參考文獻：

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