高效便携式风光互补供电系统设计

范晨光

(陕西科技大学，陕西 西安 710075)

1 引言

当前人类使用的能源主要分为不可再生能源和可再生能源。不可再生能源主要包括煤炭、石油以及天然气，这些化石燃料已经支撑了人类社会数百年的繁荣发展，为工业革命做出了突出贡献。随着世界人口的不断增加，人类对能源的需求也与日俱增。由于自然形成的化石燃料耗费时间极长，短期内的大规模消耗很难实现有效补充，因而造成被称为“工业血液”的石油和“黑金”的煤炭资源锐减，而大规模使用化石燃料造成的大气污染、臭氧层空洞等现象日趋严重[1]，迫使人类不得不将绿色环保的可再生清洁能源的开发利用作为自身高质量可持续发展的关键。可再生能源主要包括太阳能、风能、水能、地热能、潮汐能以及生物质能，其中水能、地热能和潮汐能受地理环境和地形地貌影响较大，难以随时随地开发利用，而在一些地广人稀、地形地貌复杂多变的地区大规模架设昂贵的输电电网亦存在诸多困难[2]；生物质能蕴含的能量较少，即使针对零散用户也难以满足日常供电需求。因此，如何充分发挥太阳能和风能的特点，实现持久稳定、高效可靠的太阳能和风能利用，已成为各国科学家正在不断努力探索和深入研究的重要课题[3]。而且，通过大力推广和发展清洁能源，可以逐步改善传统的以化石能源为主的能源消费结构，减少对化石能源进口的依赖，提高国家能源安全水平，减少全球温室气体排放，有效保护地球生态环境，造福子孙，促进人类社会和经济和谐发展。华君叶等[4]针对风光互补发电系统中的风能、太阳能发电特性，通过实验对影响风能、太阳能系统达到最优功率工作点的基本参数，例如风速、风轮半径、负载、温度、光照强度等进行了研究，并基于最大功率策略，针对某家庭用电需求进行优化设计，探讨了风能、太阳能以及蓄电池输出电能的特点，研究发现：风光互补发电系统发电输出基本稳定；在1天中的24小时内，中午时间段光照及风量充足，不需要蓄电池供电而且风光互补系统发电量有盈余，而在其它时间段，基本都需要蓄电池供电。虽然目前太阳能电池板的能量转化效率由于采用的光伏产品和相关技术的局限而很难在短期内发生重大改善，但可以通过提高太阳能电池板表面的太阳光光强密度和增加太阳能电池板的有效能量接收转化面积等方法实现太阳能可转化能量的增加。

本文设计的高效便携式风光互补供电系统利用凸透镜会聚光线的物理特性，在设计的太阳能电池板表面增加凸透镜聚光阵列以提高太阳能电池板表面的太阳光光强密度；通过仿生向日葵的太阳能自动跟踪系统增加太阳能电池板的有效能量接收转化面积，太阳能自动跟踪系统由光电探测器、信号处理和补偿器、微处理器和执行器驱动接口组件以及处理器电机组成；为了有效避免太阳能电池板因灰尘、雨水等引发的能量损耗，实现最优采光效果和最佳的能量转化效率，在太阳能电池板表面设计使用表面疏水结构涂层；选用铜铟硒高容量蓄电池组储存高效便携式风光互补供电系统的盈余发电量。由于天气因素对太阳能电池板的能量转化效率影响很大，在阴天或者雨雪天，太阳光会被遮挡而导致太阳能电池板难以收集利用足够的太阳光实现能量转化，因此风力发电装置可以为太阳能发电提供有力补充。由此可见，在阴雨以及一些影响太阳能电池板正常工作的天气，风能可以为其提供很好的补充。风能的收集转化效率主要面临两个问题：一是风力发电系统桨叶形状的设计，即如何通过增加桨叶与风的接触面积以提高风能转化效率，同时还需考虑整个系统的大小和轻便稳定性；二是如何确保风力发电系统的桨叶始终正对风向以达到最大转动频率，实现最佳的能量转化效率。

2 系统设计及其工作原理

2.1 太阳能电池板表面设计

作为一种通过光伏效应将太阳能转化为电能的能量转化器件，太阳能电池板虽然清洁环保，没有污染，但是目前太阳能电池板吸收转化太阳光的效率还比较低[5-6]，需要通过提高入射到太阳能电池板表面的太阳光光强密度和增加太阳能电池板的有效能量接收转化面积等技术途径实现太阳能发电系统可转化能量的增加。

凸透镜是一种较为常见的透镜，中间厚，边缘薄，至少有一个表面制成球面，也可以两面都制成球面。在野外，探险家们常常利用一个凸透镜片和强烈的太阳光便能迅速生出一堆火，效率远超“钻木取火”，可见凸透镜对太阳光的会聚作用非常大。利用凸透镜能够会聚光线的物理特性，在太阳能电池板表面设计增加凸透镜聚光阵列(见图1)，将大面积辐射的太阳光会聚于一个较小的范围，提高太阳光的光强密度，相当于有效增大了太阳能电池板的能量接收转化面积，有利于高效收集和充分利用太阳能，提高太阳能电池板的能量转化率。

图1 凸透镜阵列聚光原理图

2.2 太阳光自动跟踪系统

太阳光自动跟踪系统是仿照自然界中的一种植物——向日葵而设计的。向日葵喜欢阳光，总是追随着太阳的移动不断调整自己，使自己始终处于太阳光直射角度，最大限度地利用太阳光进行光合作用，维持自己的生命所需[7]。常规的太阳能电池板一般无法移动，通常是根据所处的地理位置和实际经验，其摆放位置以朝南30 度角为最佳位置(不同地区的具体角度值存在一定差异)，导致太阳能电池板只能在每天固定的一段时间内可以高效收集和转化利用太阳光，其它时间随着太阳与太阳能电池板相对角度的偏离将造成收集效率和能量转化率下降。

太阳能自动跟踪系统由光电探测器(通常由光敏电阻组成)、信号处理和补偿器、微处理器和执行器驱动接口组件(选择不同的执行器可以满足不同的应用需求)以及处理器电机组成。假定太阳能电池板系统初始时正对太阳，当太阳光发生偏移时，光电探测器感知并输出信号交由信号处理和补偿电路处理，进入微处理器后，微处理器根据输入信号运行跟踪算法，输出控制信号[8-9]，通过接口电路单元驱动执行机构或电机运动以调整太阳能电池板系统的角度，从而实现自动跟踪太阳的目的，就像向日葵追随太阳的偏移而偏移，太阳能自动跟踪系统可保证太阳能电池板始终正对着太阳，从而接收更多的直射太阳光以提高太阳能的收集和转化效率。

2.3 表面疏水结构层

作为自然界的一种常见植物，荷叶常常生活在河流、湖泊等降水充足的地区。在下雨的时候，人们会发现一种奇特的现象：滴到荷叶上的雨滴极少与其表面粘附，而是在荷叶表面不断滚动，最后依靠重力脱离荷叶表面，叶片上没有残留一丝雨水。这种现象激发了人们的好奇心，英国科学家巴特利特通过显微镜仔细观察发现，荷叶表面生长有一层软毛和蜡质小颗粒组成的疏水结构层。正是这层疏水结构层的存在，造成水滴无法长时间停留在荷叶表面，而水滴的滚动还带走了荷叶表面粘附的许多小灰尘颗粒，实现了荷叶表面的自我清洁。

太阳能电池板由于需要长时间露天工作，难免会有很多灰尘等小颗粒物附着到太阳能电池板表面，发生漫反射现象，造成太阳能电池板采光效率降低。在太阳能电池板表面设计使用表面疏水结构涂层后(见图2)，可以有效避免灰尘、雨水等引发的能量损耗，实现最优采光效果和最佳的能量转化效率。

图2 高效太阳能发电系统原理图

鉴于目前太阳能电池板所使用光伏材料的光伏效应转化效率还比较低，因此太阳能电池板在收集吸收太阳能直接转化为电能的过程中，往往存在被太阳能电池板收集吸收而并未实现有效能量转化的过剩能量，这些能量通常以热能的形式存在，造成太阳能电池板发热、发烫，严重影响太阳能电池板的正常工作状态和使用寿命，也造成了很大的能量浪费。为此，本论文提出在太阳能电池板背面和间隙处设置循环水管系统，利用水的比热容较大的特点，一方面为太阳能电池板降温，使之工作在最佳工作状态，延长使用寿命，另一方面通过这些循环水充分吸收太阳能光伏发电系统无法充分利用和转化的过剩能量，通过光热效应加热这些循环水，既可以直接获得必要的生活热水洗浴，也可以通过加热获得大量水蒸气进行发电。西班牙的塞维利亚发电站就是利用加热水获得的水蒸气进行发电，其发电量足以满足附近约5500 户居民的生活用电需求。由此可见，对太阳能光伏发电系统无法充分利用和转化的过剩热能的利用亦十分重要。

2.4 高效太阳能电池板

虽然目前太阳能电池板的能量转化效率普遍不高，但是在构建高效便携式风光互补供电系统时必须针对具体的应用需求，选择性价比高、光电转化率较为突出的太阳能电池板。为此，本论文针对目前商用太阳能电池板的性能指标进行了充分调研和深入研究，筛选出一款较为合适的太阳能电池板。

太阳能电池依据其采用的光伏材料可分为硅基半导体电池、砷化镓太阳能电池以及CdTe薄膜电池、CIGS薄膜电池、染料敏化薄膜电池、有机材料电池等，其中硅基半导体电池又分为单晶硅型、多晶硅型和非晶硅型电池。对于太阳能电池而言，最重要的参数是能量转化效率。实验室研发的硅基太阳能电池中，单晶硅型电池效率为25.0%，效率高但制作成本大，很难大范围推广普及应用；多晶硅型电池效率为20.4%，成本低廉而能量转化效率高于非晶硅薄膜电池，是目前市面上最常用的太阳能光伏转化材料；砷化镓(GaAs)III-V化合物电池的转换效率可达28%，而且GaAs化合物材料具有十分理想的光学带隙以及较高的吸收效率，抗辐照能力强，对热不敏感，适于制造高效单结太阳能电池，是人造卫星太阳能电池板的主要材料，但GaAs 材料的价格不菲，因而在很大程度上限制了GaAs 太阳能电池的普及；CIGS 薄膜电池效率达19.6%，CdTe 薄膜电池效率达16.7%；非晶硅(无定形硅)薄膜电池的效率为10.1%，其优点是易于携带，方便折叠，对不同地区的适应性也远高于“娇贵”的单晶硅型太阳能电池板。硫化镉太阳能电池、砷化镓太阳能电池因为需要大量使用稀有金属而造价较高，而且镉和砷均有剧毒，会对环境造成严重的污染。综合考虑，铜铟硒太阳能电池板是当前最合适的太阳能光电转化器件，它是目前世界上技术最先进，工业化生产最成熟的第二代光伏产品，不存在光致衰退问题，具有价格低廉、性能良好和工艺简单等优点，其光电转化率可达18%，是仅次于砷化镓太阳能电池、单晶硅型太阳能电池光电转化率的太阳能电池板，具有效率高、成本低、寿命长等特点，是最有希望降低太阳能光伏发电成本的高效薄膜太阳电池，也是太阳能电池今后发展的一个重要方向。同时，铜铟硒太阳能电池板的大规模应用还能够充分利用我国丰富的硒(Se)资源，是一种符合我国国情的可再生能源材料。因此，本论文将铜铟硒太阳能电池作为太阳能电池板的最佳选择。

鉴于自然界的太阳能和风能经常受到天气等因素影响而变化多端，往往造成太阳能和风能的能量转化效率不够稳定，影响风光互补供电系统输出电压的稳定和用电器安全，因此针对高山、海岛、沙漠、戈壁等边远地区常住零散人员以及旅游者、探险家等小规模用电户日常的烧水、做饭、照明、上网、通讯等应用需求，特别需要利用高容量的蓄电池储能阵列，存储能量转化器件转换的太阳能和风能以备夜晚或恶劣天气时应急使用。

2.5 风能发电系统的桨叶优化设计

在阴天或者雨雪天，当太阳光被遮挡而导致太阳能电池板难以收集到足够的太阳光实现能量转化时，风力发电系统可为太阳能发电系统提供有力补充。

风力发电系统通过自然风驱动桨叶旋转做切割磁力线运动实现发电。世界各国都有大型的风能发电站，例如高原或海滨等风力较大、风能资源丰富的地区是风能发电站的首选。风能受地区局限较小，属于绿色能源，但风能并不像太阳能可以随时收集，风能更加难以控制，很难预测何时风力较大、风从何方来。因此，最大限度地利用风力资源成为了风能发电的重中之重。

风能发电的效率主要取决于桨叶个数和桨叶与风的接触面积，而桨叶的形状对其与风的有效接触面积起着决定作用。研究发现，在高度相同的前提下，矩形扇叶的面积最大，超过了半圆形和三角形的面积。在同一高度每隔相同角度安装一片扇叶，制成类似于灯笼形状的器件，不管风从哪个方向来，都能够带动风叶转动，也不需要转动桨叶跟随着风的流动而寻找对正风向(见图3)，更加简洁方便。同时，矩形扇叶形状较为规则，易于展开和回收操作，有利于便携式运输。

在化石能源短缺的今天，依靠化石能源的火力发电转化利用的电能越来越有限，而在某些无法架设电网的地区，太阳能和风能是人类赖以生存、不可或缺的重要资源，这些地区包括荒漠、海岛、高原等太阳光和风能充足的地区。由于这些地区地理位置偏僻，环境条件恶劣，人口稀少，经济落后，大规模架设电网很困难，既不合算而且耗资巨大，使得这些地区的居民生活用电面临严峻考验，但这些地区通常也具有得天独厚的优势——充足的日照与强劲的风力。在这些拥有充足可再生能源的地方使用本论文重点研究的高效便携式风光互补供电系统(图3a)，可以满足一个甚至多个家庭的日常供电需求。此外，对于那些在野外旅游或探险的人而言，可以在夜间使用该系统提供的电能获得稳定的光源驱逐野兽、提供照明、发送求助信号，保障最基本的生存需要。

图3 高效便携式风光互补供电系统原理图

3 结束语

随着地球总人口的不断增加，人类对化石能源(即煤炭，石油和天然气等不可再生资源)的需求日益增长，而被称为“工业血液”的石油和“黑金”的煤炭资源日渐匮乏，加之大规模使用化石能源造成的大气污染日趋严重等问题，促使绿色环保的可再生清洁能源成为人类高质量可持续发展的重中之重。作为人类当前探索追求的新能源“主力军”，太阳能和风能的高效开发利用一直是人们不断努力的方向。高效便携式风光互补供电系统通过利用仿生向日葵的太阳光自动追踪机理、凸透镜的高效聚光效应和仿生莲叶的表面疏水特性以及便携式可折叠大面阵太阳能电池板的优化结构设计和高容量蓄电储能阵列电池的选用，高效收集转化大自然馈赠给人类“取之不尽，用之不竭”的太阳能和风能，有效解决高山、海岛、沙漠、戈壁等边远地区常住零散人员以及旅游者、探险家等小规模用电户日常的烧水、做饭、照明、上网、通讯等需求，通过进一步提高能量转化效率和大面积推广使用。相信一定可以在能源危机形势日益严峻的今天，为一些生活在高山、海岛、沙漠、戈壁等边远地区常住零散人员提供一片光明，为野外的旅游者和探险者提供求生的希望，为不可再生能源日渐匮乏的问题贡献自己的微薄之力，为可再生资源的大规模应用开启新的篇章！