智能風光互補系統的設計研究

李旭 杜嘉宸 徐嘉豪 廖聆希 石錦鵬

摘 要：隨著現代社會經濟的不斷發展，人類社會面臨著日益嚴峻的能源緊缺和環境污染問題，開發利用無污染、可再生的新能源成為當務之急，比較典型的是太陽能與風能資源的開發。本文基于風能與光能的互補特性，探究風電技術開發能力不足的原因，對原有的設備進行了部分改進，使得風輪可以一直處于迎風狀態，獲得了高發電效率、智能化的風光互系統。系統針對在生活中的實際應用，進行合理結構設計，有助于我國能源利用的可持續發展。

關鍵詞：清潔能源;風光互補;高效率發電

1 前言

隨著現代社會經濟的不斷發展，人類社會面臨著日益嚴峻的能源緊缺和環境污染問題，因此對開發利用無污染、可再生的新能源有了迫切的需求，例如目前最常用的風光能，就具有更高技術層次的開發需求。風光清潔能源的高效率開發模式是如今社會經濟發展進步的剛需，新能源產業是衡量一個國家和地區高新技術發展水平的重要依據，也是新一輪國際競爭的戰略制高點。

基于這種現狀，非常有必要對風光互補發電的理論框架和整體設計方案進行深入研究，這對我國整體的社會發展及產業升級都有十分重要的推進作用。合理開發太陽能與風能，安裝小型的風光互補發電系統，對我國廣大偏遠農村的可持續發展具有一定的促進作用。[1]

2 系統整體設計

智能風光互補系統是一種將風力與光伏發電系統相結合的能量收集轉換裝置，主要組件包括：控制器、逆變器、風力發電機組、光伏電池組、蓄電池、直流負載以及交流負載。[2]其中，風力發電機組與光伏電池組可以實現對風能與太陽能的收集，并轉化為電能傳輸;控制器負責實現整個系統的綜合調控，包括蓄電池的充放電、負載電量控制、能源收集運作狀態檢測功能等，并且在本設計中我們為控制器預留了直流輸出口，可直接連接直流電動機使用;逆變器將所傳輸的直流電轉換為交流電輸入給交流負載部分，而直接負載可直接從蓄電池獲取電能。整體系統成本較低，結構簡易，具有良好的應用性，智能風光互補系統結構圖如圖1所示。

2.1光伏發電組

太陽光照射在光伏組件上，光伏組件產生直流電，該直流電通過控制器后流入蓄電池中進行充電，光伏電池使用半導體材料，原理是利用PN結的光生伏特效應轉化光能為電能，目前廣泛應用的光伏電池材料有單晶硅、多晶硅以及非晶硅。其中單晶硅是轉換效率最高的，但是制作成本較大，而非晶硅雖然價格較低，但是轉換效率沒有晶硅組件高。考慮到本項目實際多運用于農村地區發展，最終選用多晶硅作為光伏電池材料。

2.2風力發電機組

式中，風能為;受力面積為;風速為;空氣密度為。[3]

此外，目前市場原有的風力發電裝置上的風輪由于不能根據風向轉向，導致發電效率低，團隊已設計出一種可行技術方案：在支撐柱的內部設置有傳動電機，因傳動電機的傳動軸貫穿轉動桿，在不同風向時，傳動電機轉動時通過轉動桿帶動放置倉轉動，進而使得風輪一直處于迎風態，實現更高效率的風能收集，具體結構如圖2所示。[4]

3 項目優勢

本技術項目的優勢在于，相對于其他發電裝置的轉向限制性而言，具有晝夜互補、季節性互補特點，實現了較高的系統穩定性，性價比較高。利用風能、太陽能的互補性，可以獲得比較穩定的輸出。在保證同樣供電的情況下，可大大減少儲能蓄電池的容量。通過合理地設計與匹配，可以基本上實現由風光互補發電系統供電，獲得較好的社會效益和經濟效益。

同時項目在選址方面選擇山頂地區，山頂風能資源更顯優勢，本項目運行安全、維護簡單，電力設施維護工作量及相應的費用開銷大幅度下降。團隊方面我們也進行了合理配置，行政部和研發部門分管不同，因此能夠提出更多優秀的技術方案和服務，精細化每一個步驟。

4 結語

清潔能源的高效利用是未來社會的必然發展趨勢，如何將清潔能源更好地應用到社會基礎設施更是有著廣闊的發展空間。本文設計研究了一種具備良好應用性的智能風光互補系統，在原有的技術基礎上，對風力發電裝置進行了結構控制改良，提高了風能收集的效率，也提高了系統供電的可靠性、穩定性。在未來的發展規劃中，團隊會嘗試智能微電網的組建，使用分布式光伏電站，提供更多高質量以及多樣性的供電可靠性服務。通過微電網控制中心實現模式識別與控制，每一塊太陽電站組件都會受到控制中心的監控，當處于異常工作狀態時將會有較大安全隱患，控制中心便可以自動實現斷路控制。

參考文獻

[1] 朱高偉.小型風光互補發電系統的搭建[J].機電信息，2020（21）：12-13.

[2] 楊衛華，蔣康樂，孫文葉.不同應用規模下風光互補發電儲能系統優化與設計[J].節能，2017，36（10）：40-43+3.

[3] 黃慧，肖金鳳，李嘉婉.智能化風光互補系統在小型漁船上的應用[J].輕工科技，2020，36（07）：66-67.

[4] 李天翔，金焱，金偉康，李旭，侯平. 一種光伏發電系統用風力發電裝置[P]. 廣西：CN208106651U，2018-11-16.

基金項目：廣西壯族自治區2019年大學生創業實踐計劃立項項目“風啟光電”項目成果，項目編號：201910595069

作者簡介：李旭，男，桂林電子科技大學計算機與信息安全學院本科2017級學生。