自制“风、光互补发电系统的原理演示装置”

王俏　孙长平　杨凯萍　李振　卢兆信　崔宝阳　周学云

【摘 要】自制“风、光互补发电系统的原理演示装置”是 一个简洁的风力与太阳光能互补的发电系统的原理演示模型，可以解决教师授课过程中因风力发电、太阳光能发电实物庞大，结构系统复杂，不利于教学讲解和演示的问题。该装置作为课程教具，可以更生动直观的讲解和演示其原理，装置把复杂的系统精简化，使整个系统更清晰更简洁，更易于讲解和演示，让学生更直观清晰的理解其運行原理，认识和了解新能源的利用，促进新能源的发展。

【关键词】风能；太阳光能；演示装置

风能、太阳能作为取之不尽，用之不竭的绿色清洁能源[1]，在日常生产生活中应用广泛。近五年来世界风能市场每年都以40%的速度在增长，风力发电电的优势在于发电能力每增加一倍，成本就下降15%[2]。而太阳能远比风能更丰富，应用也更广泛。从1995年开始，世界光伏产业以平均超过33%的增长率发展，近几年来更是超过了40%[3]。在我国，西藏西部太阳能资源最丰富，最高达2333KWh/m2，居世界第二位，仅次于撒哈拉大沙漠[4]。虽然风力发电、太阳光能发电应用意义重大，应用范围也较广阔，但是实物庞大，结构系统复杂，在实际的教学过程中很难直观的进行教学讲解和演示，形象教学效果。传统的而该演示装置可作为课堂教具，更生动直观的讲解和演示其原理，自制“风、光互补发电系统的原理演示装置”能把抽象的原理实物化，从而使整个系统清晰、简洁、易于讲解和演示，让学生能直观清晰地理解能量间转换原理，对深入理解新能源的利用和发展具有重要的意义。

1 演示装置的设计原理

风力发电机是把风能转化为机械能，机械能转化为电能的电力设备。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。依据目前的风力发电机技术，大约是的微风速度，便可以开始发电。风力发电所需要的装置，称为风力发电机组。这种风力发电机组，大体上可分风轮（包括尾舵）、发电机和铁塔三部分。自然条件下，由于风轮的转速比较低，而且风力的大小和方向经常变化着，这又使转速不稳定；所以，在带动发电机之前，还必须附加一个把转速提高到发电机额定转速的齿轮变速箱，再加一个调速机构使转速保持稳定，然后再联接到发电机上。为保持风轮始终对准风向以获得最大的功率，还需在风轮的后面装一个类似风向标的尾舵。铁塔是支承风轮、尾舵和发电机的构架。它一般修建得比较高，为的是获得较大的和较均匀的风力，又要有足够的强度。我们的演示装置，用小风扇来模拟自然风，因而风速稳定，也不需要较高的铁塔来避开地面的障碍，因此，我们的演示装置由叶片和发电机组成，为了展示风力发电的效果，后接一个小型稳压器（带有指示灯），以保证输出的不稳定电流可以输入到蓄电池中，当电量充足可以带动小风扇转动，演示风力发电成果。

太阳光能发电是将光子能量转换为电能的过程。其发电系统由太阳能电池组、控制器、蓄电池、逆变器、用户即照明负载组成。其中，太阳能电池组和蓄电池为电源系统，控制器和逆变器为控制保护系统，负载为系统终端。如图1所示。

作为简化的实验演示装置，我们的发电系统仅由太阳能电池板、稳压器（逆变器）和发光二极管组成。当有适当强度的光照射到太阳能电池板上，便可以发电产生电流，或直接使二极管发光，或经过稳压器稳定，连接到蓄电池，把电能储存到蓄电池中，留待使用。

整个装置共有两条线路，一条为风力发电机，一条为太阳光能发电，最后都可通过USB接口连接蓄电池，把产生的电能储备起来，留待使用。

2 装置的实物操作与功能演示

自制“风、光互补发电系统的原理演示装置”实物图如图2、图3所示。整个装置共有两条线路，一条为风力发电机，由模拟自然风的迷你风扇、扇叶、发电机和稳压器组成，可通过USB接口与蓄电池连接，储存电能；另一条为太阳光能发电，由太阳能电池板、发光二极管和稳压器组成，其中太阳能电池板与发光二极管组成一条线路，使产生的电能供应二极管发光，而太阳能电池板与稳压器又组成一条线路，同样可通过USB接口连接蓄电池，把产生的电能储备起来，留待使用。因为最后的接口采用了USB接口，所以，适当的条件下可以直接连接我们日常的用电设备，如手机，把实验和生活联系起来，增加实验演示的趣味，增强教学演示效果。

演示效果时，打开迷你风扇的开关，即可模拟自然风。迷你风扇的风的强度有三个档位，可以演示三种不同强度的风。当开启风扇，模拟自然风，即可使扇叶转动，带动发电机转动做功产生电能，点亮稳压器上的指示灯。当风力适当，使发电机产生的电流达到一定的电压，连接稳压器，即可为蓄电池充电，当电量充足即可使连接在蓄电池上的小风扇启动。因为发电机较小，功率不足，所以产生的电流电压较小，为蓄电池充电缓慢。

把该装置置于适当强度的太阳光下，太阳能电池板即可正常工作，使二极管发光。若把稳压器所在的线路连接蓄电池即可为蓄电池充电，留待使用。

3 总结

整个演示装置共分为三部分，一部分是风力发电系统，由迷你风扇、扇叶、发电机、稳压器（带有USB接口）组成；一部分是太阳光能发电系统，由两块太阳能电池板、发光二极管、稳压器（带有USB接口）组成，一块太阳能电池板和发光二极管组成一条线路，另一块太阳能电池板与稳压器组成另一条线路；第三部分由蓄电池和连接在后的小风扇（用电设备）组成。该实验装置简单易操作，把复杂的线路设备简化，使实验原理的讲解生动有趣，更直观形象，更易于老师的讲解，学生的理解。同时，因为每条线路最后都连接有保护线路的稳压器，当电压适当，即可通过USB接口，连接日常的简单用电设备，把枯燥的讲解演示与我们的实际生活相连接起来，更激发学生学习的兴趣，调动课堂氛围，让学生在趣味中掌握知识、理解原理。

【参考文献】

[1]黎汉昌.中国风力发电环境及应用[J].装备制造技术，2008（06）：120-121.

[2]于博，何秋艳，李凤鸣.风电场建设中的水土流失及治理措施[J].中国水土保持，2011（11）：23-25.

[3]谢鹏.风光互补发电系统在上川岛公湾移动基站的应用研究[D].广州：华南理工大学，2010.

[4]杨金焕.太阳能发电的进展与建议.世界科技经济与发展.2003（8）：39-43.endprint