智能风光互补系统的设计研究

李旭 杜嘉宸 徐嘉豪 廖聆希 石锦鹏

摘 要：随着现代社会经济的不断发展，人类社会面临着日益严峻的能源紧缺和环境污染问题，开发利用无污染、可再生的新能源成为当务之急，比较典型的是太阳能与风能资源的开发。本文基于风能与光能的互补特性，探究风电技术开发能力不足的原因，对原有的设备进行了部分改进，使得风轮可以一直处于迎风状态，获得了高发电效率、智能化的风光互系统。系统针对在生活中的实际应用，进行合理结构设计，有助于我国能源利用的可持续发展。

关键词：清洁能源;风光互补;高效率发电

1 前言

随着现代社会经济的不断发展，人类社会面临着日益严峻的能源紧缺和环境污染问题，因此对开发利用无污染、可再生的新能源有了迫切的需求，例如目前最常用的风光能，就具有更高技术层次的开发需求。风光清洁能源的高效率开发模式是如今社会经济发展进步的刚需，新能源产业是衡量一个国家和地区高新技术发展水平的重要依据，也是新一轮国际竞争的战略制高点。

基于这种现状，非常有必要对风光互补发电的理论框架和整体设计方案进行深入研究，这对我国整体的社会发展及产业升级都有十分重要的推进作用。合理开发太阳能与风能，安装小型的风光互补发电系统，对我国广大偏远农村的可持续发展具有一定的促进作用。[1]

2 系统整体设计

智能风光互补系统是一种将风力与光伏发电系统相结合的能量收集转换装置，主要组件包括：控制器、逆变器、风力发电机组、光伏电池组、蓄电池、直流负载以及交流负载。[2]其中，风力发电机组与光伏电池组可以实现对风能与太阳能的收集，并转化为电能传输;控制器负责实现整个系统的综合调控，包括蓄电池的充放电、负载电量控制、能源收集运作状态检测功能等，并且在本设计中我们为控制器预留了直流输出口，可直接连接直流电动机使用;逆变器将所传输的直流电转换为交流电输入给交流负载部分，而直接负载可直接从蓄电池获取电能。整体系统成本较低，结构简易，具有良好的应用性，智能风光互补系统结构图如图1所示。

2.1光伏发电组

太阳光照射在光伏组件上，光伏组件产生直流电，该直流电通过控制器后流入蓄电池中进行充电，光伏电池使用半导体材料，原理是利用PN结的光生伏特效应转化光能为电能，目前广泛应用的光伏电池材料有单晶硅、多晶硅以及非晶硅。其中单晶硅是转换效率最高的，但是制作成本较大，而非晶硅虽然价格较低，但是转换效率没有晶硅组件高。考虑到本项目实际多运用于农村地区发展，最终选用多晶硅作为光伏电池材料。

2.2风力发电机组

式中，风能为;受力面积为;风速为;空气密度为。[3]

此外，目前市场原有的风力发电装置上的风轮由于不能根据风向转向，导致发电效率低，团队已设计出一种可行技术方案：在支撑柱的内部设置有传动电机，因传动电机的传动轴贯穿转动杆，在不同风向时，传动电机转动时通过转动杆带动放置仓转动，进而使得风轮一直处于迎风态，实现更高效率的风能收集，具体结构如图2所示。[4]

3 项目优势

本技术项目的优势在于，相对于其他发电装置的转向限制性而言，具有昼夜互补、季节性互补特点，实现了较高的系统稳定性，性价比较高。利用风能、太阳能的互补性，可以获得比较稳定的输出。在保证同样供电的情况下，可大大减少储能蓄电池的容量。通过合理地设计与匹配，可以基本上实现由风光互補发电系统供电，获得较好的社会效益和经济效益。

同时项目在选址方面选择山顶地区，山顶风能资源更显优势，本项目运行安全、维护简单，电力设施维护工作量及相应的费用开销大幅度下降。团队方面我们也进行了合理配置，行政部和研发部门分管不同，因此能够提出更多优秀的技术方案和服务，精细化每一个步骤。

4 结语

清洁能源的高效利用是未来社会的必然发展趋势，如何将清洁能源更好地应用到社会基础设施更是有着广阔的发展空间。本文设计研究了一种具备良好应用性的智能风光互补系统，在原有的技术基础上，对风力发电装置进行了结构控制改良，提高了风能收集的效率，也提高了系统供电的可靠性、稳定性。在未来的发展规划中，团队会尝试智能微电网的组建，使用分布式光伏电站，提供更多高质量以及多样性的供电可靠性服务。通过微电网控制中心实现模式识别与控制，每一块太阳电站组件都会受到控制中心的监控，当处于异常工作状态时将会有较大安全隐患，控制中心便可以自动实现断路控制。

参考文献

[1] 朱高伟.小型风光互补发电系统的搭建[J].机电信息，2020（21）：12-13.

[2] 杨卫华，蒋康乐，孙文叶.不同应用规模下风光互补发电储能系统优化与设计[J].节能，2017，36（10）：40-43+3.

[3] 黄慧，肖金凤，李嘉婉.智能化风光互补系统在小型渔船上的应用[J].轻工科技，2020，36（07）：66-67.

[4] 李天翔，金焱，金伟康，李旭，侯平. 一种光伏发电系统用风力发电装置[P]. 广西：CN208106651U，2018-11-16.

基金项目：广西壮族自治区2019年大学生创业实践计划立项项目“风启光电”项目成果，项目编号：201910595069

作者简介：李旭，男，桂林电子科技大学计算机与信息安全学院本科2017级学生。