垂直式风光互补发电系统

赵行

摘 要：该文介绍了一种风力发电和太阳能发电的互补发电系统的设计和实现。新型能源具有无污染，资源足等特点，我国国土面积大，一年太阳的照射量所产生的太阳能，可相当于燃烧数以亿计的煤；若在新疆等高海拔地区建立大型风力发电厂，其产生的电量将减轻传统能源发电厂的压力。该系统主要由太阳能发电组件、风力发电组件、风光互补控制器、蓄电池及逆变器等主要部件组成，通过使用垂直轴风力发电机代替传统的水平轴发电机，以及太阳能板由单片机控制自动跟踪太阳光移动，提高了发电效率，结果显示该系统具有一定的推广应用价值。

关键词：垂直轴风力发电机 太阳能板 自动跟踪 风光互补发电系统

中图分类号：TM61 文献标识码：A 文章编号：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

传统能源是不可再生能源，而且储存量有限。人类若不节制利用，将面临严重的资源危机。太阳能和风能是目前最受关注的新型能源，太阳能发电是利用太阳能板将太阳能转化为电能，储存在蓄电池里，再由逆变器将直流电变成220 V的交流电，从而实现代替传统发电厂发电。风力发电同样是新型能源，是把风能转化为电能，将电能存在蓄电池中，同样再由逆变器将直流电变成交流电。另外，风能和太阳能具有良好的互补性，如果能将它们的优点结合起来，可使它们的发电效率达到最大化。我国国土面积大，太阳能和风力资源都丰富。开发一种将风力发电和太阳能发电相结合的风光互补系统，不但保护了环境又产生了电能，将是未来一项很有价值的新型发电方式。

1 整体设计

该风光互补发电系统首先将垂直轴风力发电机代替了水平轴风力发电机，从而实现了高效率的风能利用。因为垂直轴风力发电机的叶片不受风向限制，有风吹来时，叶片都将转动，而且启动风速低，从而增加了风能的利用率，提高了发电效率。另外该系统还具有太阳能板自动跟踪太阳光移动的功能，在太阳能板下安装有电机，通过光敏电阻采光，将电压差数据传入单片机中，再由单片机自动控制太阳能板下的电机运动，这样可使太阳能板始终追随太阳光的运动而运动，最大程度地实现采光，增加太阳能的利用率。图1和图2分别给出了该系统的框图和实物图。

2 风光互补系统主要部件的设计和实现

风光互补发电系统主要部件是：垂直式风力发电机，太阳能自动跟踪系统，逆变器等。下面主要针对垂直式风力发电机，太阳能自动跟踪系统，逆变器等这些重要部件的设计进行介绍。

2.1 垂直轴风力发电机

垂直轴式风力发电将风力转化为机械能，再由风力发电机将机械能轉化为电能。垂直轴式风力发电机的优点是无论哪个方向的风都可以吹动叶片，所以垂直式风力发电机的发电效率比水平轴风力发电机高。由于风力发电机输出的是交流电，需要将发出的电能整流滤波后再将电能输入到蓄电池中。该系统采用的风力发电机输出电压为12 V，而蓄电池输入电压也12 V，所以不需要降压，直接整流就可以了。风力发电机输出的电能可直接作为输入给整流滤波电路，这样可将交流电转变为直流电，图3为整流滤波电路。

2.2 追踪式太阳能发电

2.2.1 降压斩波电路

该系统中的太阳能板采用的是单晶硅125*125的类型，输出电压为18 V，转换效率在18%以上。要把太阳能板输出的18 V直流电输入到12 V的蓄电池中，需要降压斩波电路。输出电压平均值为，由此可知占空比α减少，输出电压U0也减少。（ton为V处于通路的时间，toff为V处于断态的时间，T 为开关周期，α为导通占空比。E 为太阳能板发出的电能，Em是经过降压斩波后输送到蓄电池的电能。

2.2.2 太陽能自动跟踪系统

太阳能自动跟踪系统是指由在太阳能板上4个角每个角各安装一个光敏电阻，根据太阳位置由东到西的移动，由于太阳位置不同而使光敏电阻电平不同的原理，再使用单片机控制步进电机使太阳能板上下东西移动。当太阳升起时，太阳能板是朝向东边的。当正午太阳在正上方时，太阳能板是水平的。当太阳下山时，太阳能板是朝向西边的。这样就能使太阳能板的发电效率升高。4个光敏电阻分布在太阳能板的4个角，当4个光敏电阻受到太阳光照时，4个光敏电阻产生的电压是不一样的，光敏电阻将信号传送到单片机，单片机就会作出指令，让步进电机转动，从而实现太阳能板可以随着太阳位置的变化而变化。

2.3 逆变电路

太阳能板和风力发电机都将产生的电能存入蓄电池中，蓄电池中的电能是12 V直流电。一般不可能将12 V的直流电直接供市民使用，需要有对这个直流电升压后再逆变的过程。下面是逆变电路图，先将蓄电池输出的直流电经过升压斩波电路升压，再输入到逆变电路中。

3 系统测试

3.1 太阳能自动跟踪系统测试实验

为了验证太阳能跟踪系统的发电效率，首先选择在某一天的不同时段对该系统进行试验测试，并跟一个不带太阳光自动跟踪能力的太阳能发电系统（以下简称“固定的太阳能板”）进行对比。选择对比的时间是一天中午12点，下午2点，下午4点，下午6点。具体实验数据如表1所示。

从结果可以看出自动跟踪式太阳能板比固定式太阳能板的输出电流高，即它的发电效率更高。

3.2 垂直轴风力发电机测试实验

垂直轴风力发电机相比于水平轴式发电机的优点是能适用于各种风向环境下，由于各种风向的风都能吹动垂直轴风力发电机的叶片，所以它的发电效率要比水平轴发电机发电效率要高。而且根据资料，如果垂直轴发电机的翼型和安装角选择合适，风速只要能达到2 m/s就能使垂直式发电机的叶片转动，而水平轴式风力发电机要达到5 m/s才能转动，这就说明垂直轴式发电机比水平轴式发电机容易转动，这是优于水平轴发电机的。所以为了进一步证明垂直轴风力发电机的发电有效性，我们做了如下实验，同样还是选择在同一时间，同一环境下，将垂直轴风力发电机和水平轴发电机进行对比，观察它们的输出电流，具体实验结果如表2所示。

由表2可知，垂直式风力发电机比水平轴发电机的发电效率高28%左右。

4 结语

该文介绍了一项大学生创新创业训练项目— 垂直式自动跟踪风光互补发电系统，阐述了整个设计流程，在此基础上进行了实物制作调试和对比实验。该系统利用两项新型清洁能源—风能和太阳能发电，通过相应的改进和有效结合，例如：（1）使太阳能板可以自动追踪太阳光的运动，增大阳光照射面的面积，使太阳能板发电效率升高；（2）风力发电机采用了垂直轴风力发电机，减小了启动风速，而且它可以被任意方向的风吹动，增大了发电效率，从而实现高效并网发电。该系统还可用于多种环境的发电使用，如：山区的孩子可以用风光互补发电系统发出的电上晚自习，可以做个路灯等。同时既可以并网使用，也可以独立发电使用。相比于传统能源，风光互补发电无污染，成本低，随着技术的成熟，风光互补成本不断降低，利用率也会越来越大，甚至在未来，这种新型发电方式将可能会取代传统发电方式，有广阔的应用前景。

参考文献

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