自制“風、光互補發電系統的原理演示裝置”

王俏　孫長平　楊凱萍　李振　盧兆信　崔寶陽　周學云

【摘 要】自制“風、光互補發電系統的原理演示裝置”是 一個簡潔的風力與太陽光能互補的發電系統的原理演示模型，可以解決教師授課過程中因風力發電、太陽光能發電實物龐大，結構系統復雜，不利于教學講解和演示的問題。該裝置作為課程教具，可以更生動直觀的講解和演示其原理，裝置把復雜的系統精簡化，使整個系統更清晰更簡潔，更易于講解和演示，讓學生更直觀清晰的理解其運行原理，認識和了解新能源的利用，促進新能源的發展。

【關鍵詞】風能；太陽光能；演示裝置

風能、太陽能作為取之不盡，用之不竭的綠色清潔能源[1]，在日常生產生活中應用廣泛。近五年來世界風能市場每年都以40%的速度在增長，風力發電電的優勢在于發電能力每增加一倍，成本就下降15%[2]。而太陽能遠比風能更豐富，應用也更廣泛。從1995年開始，世界光伏產業以平均超過33%的增長率發展，近幾年來更是超過了40%[3]。在我國，西藏西部太陽能資源最豐富，最高達2333KWh/m2，居世界第二位，僅次于撒哈拉大沙漠[4]。雖然風力發電、太陽光能發電應用意義重大，應用范圍也較廣闊，但是實物龐大，結構系統復雜，在實際的教學過程中很難直觀的進行教學講解和演示，形象教學效果。傳統的而該演示裝置可作為課堂教具，更生動直觀的講解和演示其原理，自制“風、光互補發電系統的原理演示裝置”能把抽象的原理實物化，從而使整個系統清晰、簡潔、易于講解和演示，讓學生能直觀清晰地理解能量間轉換原理，對深入理解新能源的利用和發展具有重要的意義。

1 演示裝置的設計原理

風力發電機是把風能轉化為機械能，機械能轉化為電能的電力設備。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。依據目前的風力發電機技術，大約是的微風速度，便可以開始發電。風力發電所需要的裝置，稱為風力發電機組。這種風力發電機組，大體上可分風輪（包括尾舵）、發電機和鐵塔三部分。自然條件下，由于風輪的轉速比較低，而且風力的大小和方向經常變化著，這又使轉速不穩定；所以，在帶動發電機之前，還必須附加一個把轉速提高到發電機額定轉速的齒輪變速箱，再加一個調速機構使轉速保持穩定，然后再聯接到發電機上。為保持風輪始終對準風向以獲得最大的功率，還需在風輪的后面裝一個類似風向標的尾舵。鐵塔是支承風輪、尾舵和發電機的構架。它一般修建得比較高，為的是獲得較大的和較均勻的風力，又要有足夠的強度。我們的演示裝置，用小風扇來模擬自然風，因而風速穩定，也不需要較高的鐵塔來避開地面的障礙，因此，我們的演示裝置由葉片和發電機組成，為了展示風力發電的效果，后接一個小型穩壓器（帶有指示燈），以保證輸出的不穩定電流可以輸入到蓄電池中，當電量充足可以帶動小風扇轉動，演示風力發電成果。

太陽光能發電是將光子能量轉換為電能的過程。其發電系統由太陽能電池組、控制器、蓄電池、逆變器、用戶即照明負載組成。其中，太陽能電池組和蓄電池為電源系統，控制器和逆變器為控制保護系統，負載為系統終端。如圖1所示。

作為簡化的實驗演示裝置，我們的發電系統僅由太陽能電池板、穩壓器（逆變器）和發光二極管組成。當有適當強度的光照射到太陽能電池板上，便可以發電產生電流，或直接使二極管發光，或經過穩壓器穩定，連接到蓄電池，把電能儲存到蓄電池中，留待使用。

整個裝置共有兩條線路，一條為風力發電機，一條為太陽光能發電，最后都可通過USB接口連接蓄電池，把產生的電能儲備起來，留待使用。

2 裝置的實物操作與功能演示

自制“風、光互補發電系統的原理演示裝置”實物圖如圖2、圖3所示。整個裝置共有兩條線路，一條為風力發電機，由模擬自然風的迷你風扇、扇葉、發電機和穩壓器組成，可通過USB接口與蓄電池連接，儲存電能；另一條為太陽光能發電，由太陽能電池板、發光二極管和穩壓器組成，其中太陽能電池板與發光二極管組成一條線路，使產生的電能供應二極管發光，而太陽能電池板與穩壓器又組成一條線路，同樣可通過USB接口連接蓄電池，把產生的電能儲備起來，留待使用。因為最后的接口采用了USB接口，所以，適當的條件下可以直接連接我們日常的用電設備，如手機，把實驗和生活聯系起來，增加實驗演示的趣味，增強教學演示效果。

演示效果時，打開迷你風扇的開關，即可模擬自然風。迷你風扇的風的強度有三個檔位，可以演示三種不同強度的風。當開啟風扇，模擬自然風，即可使扇葉轉動，帶動發電機轉動做功產生電能，點亮穩壓器上的指示燈。當風力適當，使發電機產生的電流達到一定的電壓，連接穩壓器，即可為蓄電池充電，當電量充足即可使連接在蓄電池上的小風扇啟動。因為發電機較小，功率不足，所以產生的電流電壓較小，為蓄電池充電緩慢。

把該裝置置于適當強度的太陽光下，太陽能電池板即可正常工作，使二極管發光。若把穩壓器所在的線路連接蓄電池即可為蓄電池充電，留待使用。

3 總結

整個演示裝置共分為三部分，一部分是風力發電系統，由迷你風扇、扇葉、發電機、穩壓器（帶有USB接口）組成；一部分是太陽光能發電系統，由兩塊太陽能電池板、發光二極管、穩壓器（帶有USB接口）組成，一塊太陽能電池板和發光二極管組成一條線路，另一塊太陽能電池板與穩壓器組成另一條線路；第三部分由蓄電池和連接在后的小風扇（用電設備）組成。該實驗裝置簡單易操作，把復雜的線路設備簡化，使實驗原理的講解生動有趣，更直觀形象，更易于老師的講解，學生的理解。同時，因為每條線路最后都連接有保護線路的穩壓器，當電壓適當，即可通過USB接口，連接日常的簡單用電設備，把枯燥的講解演示與我們的實際生活相連接起來，更激發學生學習的興趣，調動課堂氛圍，讓學生在趣味中掌握知識、理解原理。

【參考文獻】

[1]黎漢昌.中國風力發電環境及應用[J].裝備制造技術，2008（06）：120-121.

[2]于博，何秋艷，李鳳鳴.風電場建設中的水土流失及治理措施[J].中國水土保持，2011（11）：23-25.

[3]謝鵬.風光互補發電系統在上川島公灣移動基站的應用研究[D].廣州：華南理工大學，2010.

[4]楊金煥.太陽能發電的進展與建議.世界科技經濟與發展.2003（8）：39-43.endprint