基于太阳旋转周期风能和光能两用发电装置的设计与研究

刘志春

摘要：太阳能光伏发电是根据光生伏特效应原理，利用太阳电池将太阳光能直接转化为电能。风力机翼型是叶片的基本要素，其几何参数、空气动力学特性都直接影响风力发电装置的性能和功率，风力机翼型及叶片沿展向的分布设计理论是决定风力机功率特性和载荷特性的根本因素，其良好的设计、可靠的质量和优越的性能是保证机组正常稳定运行的决定因素。光伏发电在环保和新能源领域有着举足轻重的地位，然而光伏发电还有着转化率低的缺陷，这大大制约了这一清洁环保的发电技术的推广和广泛应用，为了弥补这一缺陷，我们采用提高光板有效接受面积的手段可以延长太阳能发电时间，增加发电量，一定程度上降低发电量的波动，从而降低太阳能发电成本，进一步提高了产品的利用率，采用了太阳能发电与风能发电相结合的方式。

关键字：太阳能 光伏发电 旋转周期

0 产品研制背景

随着全球能源短缺的问题日益凸显，如何开放利用好太阳能，并通过相应的设备进行精确吸收成为了当今世界研究的课题。在新能源中，太阳能发电已成为全球研究的重要领域。在此背景下，全球光伏发电产业增长迅猛，产业规模不断扩大，产品成本持续下降。我国光伏发电产业也得到迅速发展，崛起了以尚德电力、英利绿色能源、江西赛维LDK、保利协鑫为代表的一批著名企业和以江苏、河北、四川、江西四大光伏强省为代表的一批产业基地。我国海上风能资源丰富，加快海上风电项目建设，对于促进沿海地区治理大气雾霾、调整能源结构和转变经济发展方式具有重要意义。

然而由于太阳存在着光照强度随着时间不断变化等问题，这对太阳能的利用装置提出了一定的技术要求。目前很多太阳能电池板阵列基本都是固定的，不能充分利用太阳能资源，发电效率低下。传统光伏发电为了弥补转化率低的缺陷，往往会用大量太阳能电池板同时发电，这样会占用较多土地，而且目前太阳能电池板的生产会消耗较多能源，产生较高污染。而风力发电就目前的技术在广泛应用的基础上，利用率并不高，由于噪声、视觉污染，占用大片土地，不稳定、不可控，目前成本仍然很高，影响鸟类等缺点。

1 设计方案

1.1太阳能电板部分

由于相对于某一个固定地点的太阳能光伏发电系统，太阳的光照角度时时刻刻都在变化，如果太阳能电池板能够时刻正对太阳，发电效率才会达到最佳状态。我们采用在光伏电板上安装光感系统，通过感应光线的大小与方向，生成路径，将信息传递给控制系统的电动机和步进电机，通过电动机的控制，实现由立柱同时带动12块光伏电板跟随太阳的转动方向而变化，然后通过步进电机控制的方式，使每块太阳能光伏电板可以跟随阳光角度的变化而转动，以达到在日光强度与方向变化的同时，电板随之转动，时刻达到太阳光与电板的最大接触面积，因为光电强度与光入射时与电池板表面的夹角有关，当其夹角越接近直角时，光电转换效率越好。因此，使太阳能入射角始终保持与太阳能电池板的垂直，可以提高太阳能电池板的发电效率。

对于光伏电板的大小，我们经过合理的计算与评估，最终采用了30*50的光伏电板，共十二块，错开成列阵排列，有效的增加了与太阳光的接触面积，更好地提高了利用率。在电板方面，并没有采用通常的光伏电池，而是采用了一种新型材料——太阳能纸，将它贴于电板上进行工作。纸制太阳能电池是以木材纸浆、银质配线以及有机物组合而成，其制造成本仅为普通太阳能电池的10万分之1，与玻璃制电池相比，具有可弯曲折叠、更优越的加工性等特性。

1.2风力发电部分

风力发电的原理，是利用风力带动风车叶片旋转，再透过增速机将旋转的速度提升，来促使发电机发电。鉴于已有的成熟的条件，结合本产品，我们进行了创新设计，设计利用30*50的太阳能光伏电板代替浆叶，可360°自由旋转的承载座代替风轮，光伏电板可根据风力大小与方向进行绕轴旋转，调整至一个最佳角度，使与风的接触面积达到最大值。当电机关闭后，产品完全成为自动形式，当风吹动电板，每个摇臂上的电板实现同步摆动，从而带动摇臂以及摇臂底座转动，从而实现风轮的转动，成功将风的动能转化成机械能，从而进行风力发电。

1.3控制部分

在实现太阳能发电的时候，我们采用电机控制光伏电板不同时刻的角度摆动，特别强调，根据产品设计的需求，我们采用的是步进电动机。

在设计中，我们要求太阳能光伏电板可以跟随太阳光光线的角度变化而变化，安装在光伏电板内部的光感系统通过感应生成信号传递给步进电机，电机通过内部转子与定子的转动达到电板转动的目的。

2 创新部分

与传统固定式太阳能电池板组件相比，在提高太阳能发电率的基础上，结合了风力发电的多样形式，实现了风力发电和太阳能发电的同步进行；在太阳能发电方面采用了垂直轴的基本结构，在此基础上加以变化，圆盘的转动提高了灵活性与产品性能。可实现180°自由旋转的圆台，可由根据不同光线产生不同信号的光感系统，由步进电机控制的可实现自由摆頭的光伏电板；光感系统造价低，不容易损坏，安装简便，大大提高效率，使能量的接收率提高 35%以上；并且将光感系统与步进电机配合来实现对太阳的追踪，能大大提高追踪的自动化程度，实现了角度自动纠正，有效解决积累的误差随着时间的变化会增大的问题；加持了光感系统的太阳能电池板可增加发电量20%～40%。总之，同样的发电量，可以用更小的场地和更少的材料，大大减少了能源消耗和环境污染，借此来达到节能减排的目的。

本设计另一重要创新之处在实现太阳能发电的同时，充分利用自然环境，同步实现风力发电。白天，同时实现太阳能光伏发电和风力发电两项发电功能。夜晚或者阴天，在无法利用太阳能的时刻，步进电机实现自锁，单独实现风力发电，其中用光伏电板代替风车叶片，利用风力吹动电板，从而带动底座圆盘转动，来促使发电机发电，实现风力发电的第二项功能，充分提高本产品的利用率。

3 小结

本产品也在一定程度上消除了光伏发电的推广的阻碍，有利于光伏发电与风力的推广，使太阳能与风能等清洁能源能被更广泛，更高效率地应用，造福全人类，减轻环境污染和能源短缺的困扰。

更重要的是他能兼顾发电，节能减排的功用，而且不光契合了实用性的要求，还有美观装饰性的效果，可大可小，可以根据需求定大小，增加了该产品的可伸缩性，且本产品对安装的地址及人员都要求不高，只要有太阳光照的地方都能安装，保证电能的供应。

参考文献：

[1] 杨军.太阳能光伏发电前景展望[J].沿海企业与科技，2005（8）.

[2] 陈兴峰，曹志峰，焦在强等.基于DSP的20kW单相并网光伏逆变器[J].电气应用，2005