張鵬飛,張 鵬,張子亮,張 宇,呂襲明,劉紀(jì)元,史慶藩

(北京理工大學(xué),北京 100081)

微型風(fēng)力發(fā)電演示儀

張鵬飛,張 鵬,張子亮,張 宇,呂襲明,劉紀(jì)元,史慶藩＊

(北京理工大學(xué),北京 100081)

設(shè)計(jì)制作了一種基于風(fēng)光互補(bǔ)原理的微型風(fēng)力發(fā)電演示儀。該儀器由風(fēng)力發(fā)電機(jī)、光伏太陽能電池板、控制器、蓄電池、負(fù)載等各部分組成。整個系統(tǒng)以控制器為核心,由風(fēng)力發(fā)電機(jī)、光伏太陽能電池板把風(fēng)能和光能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔懿Υ嬗谛铍姵刂泄┴?fù)載使用。該儀器作為演示實(shí)驗(yàn)儀不僅小型、直觀、模塊化和操作簡便,而且演示內(nèi)容突顯物理與工程相結(jié)合的知識,教學(xué)效果良好。

風(fēng)力發(fā)電;風(fēng)光互補(bǔ);葉片;太陽能;控制器

近年來,風(fēng)力發(fā)電作為一種清潔能源得到了快速發(fā)展,并呈現(xiàn)出大規(guī)模開發(fā)利用的趨勢。風(fēng)力發(fā)電的基本原理就是利用風(fēng)力帶動風(fēng)葉片旋轉(zhuǎn),來促使發(fā)電機(jī)發(fā)電。根據(jù)現(xiàn)有技術(shù),只需微風(fēng)(約3米/秒)即可實(shí)現(xiàn)發(fā)電功效[1]。雖然風(fēng)力發(fā)電成本較低,但隨機(jī)性大,供電可靠性較差。作為另一種清潔能源,太陽能光伏發(fā)電則是利用太陽能光伏電池將太陽能轉(zhuǎn)換成電能,然后加以利用。太陽能光伏系統(tǒng)雖然可靠性高、運(yùn)行維護(hù)成本低,但是造價高,對日照的要求也較高。對此,人們考慮到風(fēng)力資源和陽光資源在不同季節(jié)、不同地域和不同氣候條件下都有很強(qiáng)的互補(bǔ)性,于是將兩者結(jié)合起來,發(fā)展了所謂風(fēng)光互補(bǔ)的新型發(fā)電模式[2]。利用這種發(fā)電模式能有效提高系統(tǒng)供電的連續(xù)性、穩(wěn)定性和可靠性,因而受到工業(yè)與環(huán)保行業(yè)的高度重視,應(yīng)用前景十分廣闊。

為了開拓大學(xué)生視野,普及可再生能源知識,增強(qiáng)環(huán)境保護(hù)意識,幫助學(xué)生進(jìn)一步將所學(xué)的理論知識和實(shí)際應(yīng)用結(jié)合,促進(jìn)其綜合素質(zhì)的提高,有必要在大學(xué)物理的教學(xué)中引入基于風(fēng)光互補(bǔ)原理的風(fēng)力發(fā)電演示實(shí)驗(yàn)。為此,我們設(shè)計(jì)制作了一種風(fēng)力發(fā)電演示實(shí)驗(yàn)儀?？紤]到演示實(shí)驗(yàn)直觀性、生動性、靈活性的要求,該儀器實(shí)現(xiàn)了小型、直觀、模塊化、操作簡便的特點(diǎn)。該儀器在演示過程中,不僅能生動地再現(xiàn)風(fēng)力發(fā)電的全過程,而且能使學(xué)生體會到流體力學(xué)、電學(xué)、光學(xué)等綜合知識的應(yīng)用,教學(xué)效果良好。

1 儀器結(jié)構(gòu)

微型風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電實(shí)驗(yàn)儀的結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示,它由風(fēng)力發(fā)電機(jī)、太陽能光伏電池板、風(fēng)光互補(bǔ)控制器、蓄電池、逆變器、交直流負(fù)載等組成,其工程圖如圖2所示。

圖1 微型風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電實(shí)驗(yàn)儀結(jié)構(gòu)示意圖

圖2 風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)工程圖

2 儀器設(shè)計(jì)

2.1 風(fēng)力發(fā)電機(jī)葉片

風(fēng)力發(fā)電機(jī)葉片部分的工作效率可根據(jù)公式

得出。其中P為葉片發(fā)電功率;V表額定風(fēng)速,即無限遠(yuǎn)來流速度;D為風(fēng)輪直徑;Cp是功率系數(shù)。

風(fēng)輪葉片是風(fēng)力發(fā)電機(jī)的關(guān)鍵部件。它的平面形狀與剖面幾何形狀和風(fēng)力機(jī)空氣動力特性密切相關(guān),特別是剖面幾何形狀即翼型氣動特性的好壞,將直接影響風(fēng)力發(fā)電機(jī)的風(fēng)能利用系數(shù)。為了確定風(fēng)機(jī)葉片的大致參數(shù),需要知道以上各量的值。對于室內(nèi)的演示實(shí)驗(yàn),風(fēng)輪直徑應(yīng)在1m以內(nèi)。同時演示實(shí)驗(yàn)的最終演示結(jié)果是對40 W燈泡供電,因此考慮功率損失,葉片發(fā)電功率在50 W左右。功率系數(shù)Cp可由貝茨理論確定[3,4]。

貝茨理論假定風(fēng)輪是一平面槳盤;通過風(fēng)輪的氣流無阻力;風(fēng)輪掃掠面上氣流是均勻的;氣流速度方向在通過風(fēng)輪前后都沿軸線。其理想模型如圖3所示。

圖3 貝茨理論理想模型圖

設(shè)V為風(fēng)輪前方遠(yuǎn)處的風(fēng)速,V1為通過風(fēng)輪截面A的實(shí)際速度,V2為風(fēng)輪后方遠(yuǎn)處的風(fēng)速,通過風(fēng)輪的氣流在風(fēng)輪前方的截面為A1,在風(fēng)輪后方的截面為A2。由能量守恒定律,流體動量方程及力與作功關(guān)系,分別有

式(8)給出理想風(fēng)輪的最大理論效率,就是貝茨極限。

通常風(fēng)輪葉片接受風(fēng)能的效率達(dá)不到此值。根據(jù)已有經(jīng)驗(yàn),Cp在工程中一般取為0.35。這樣可確定額定風(fēng)速V約為6.6m/s。

葉片的理論計(jì)算參數(shù)確定后,結(jié)合市售基本葉片型號,選用的葉片參數(shù)如下:中心槳距50 cm,起動風(fēng)速約7m/s,發(fā)電功率約50 w。

2.2 功能模塊

功能模塊由風(fēng)光互補(bǔ)控制器、蓄電池、逆變器等則組成。設(shè)計(jì)中需要考慮各部分之間的工作過程與相互關(guān)系。

風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的工作過程是,當(dāng)風(fēng)力達(dá)到并穩(wěn)定在一定的風(fēng)速時,風(fēng)力發(fā)電機(jī)將風(fēng)能持續(xù)不斷地轉(zhuǎn)換為交流電能。在有陽光充足照射的情況下,光伏太陽能電池板(四塊太陽電池板構(gòu)成共30 W),將太陽能直接轉(zhuǎn)換成直流形式的電能。風(fēng)能和光能轉(zhuǎn)化的電能在控制器的配合下同時向蓄電池充電。蓄電池起著儲存和調(diào)節(jié)電能的作用,在環(huán)境改變時,維持電量的恒定。為了對蓄電池的工作狀態(tài)進(jìn)行變換和調(diào)節(jié)就需要設(shè)計(jì)專門的控制器,它可根據(jù)風(fēng)力的大小、日照的強(qiáng)弱及負(fù)荷的變化,使蓄電池在充、放電等多種工作狀況下運(yùn)行,以保證風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)工作的連續(xù)性和穩(wěn)定性。

我們設(shè)計(jì)的控制器采用PWM方式控制風(fēng)機(jī)和太陽能電池對蓄電池進(jìn)行限流限壓充電,即在蓄電池電量較低時,采用限流充電,當(dāng)風(fēng)機(jī)和太陽能總充電流小于限電流時,風(fēng)機(jī)和太陽能的全部能量給蓄電池充電。當(dāng)風(fēng)機(jī)和太陽能總電流大于限流點(diǎn)時,以限流點(diǎn)的電流給蓄電池充電,多余的能量通過PWM方式卸載;在蓄電池電量較高時,采用限壓充電,當(dāng)蓄電池電壓低于限壓點(diǎn)時,風(fēng)機(jī)和太陽能的能量全部給蓄電池充電,當(dāng)蓄電池電壓達(dá)到限壓點(diǎn)時,風(fēng)機(jī)和太陽能會以限壓點(diǎn)對蓄電池充電,多余的能量通過PWM方式卸載。控制器具有完善的保護(hù)功能,包括:太陽能電池防反沖、蓄電池過充電、蓄電池過放電、負(fù)載短路、過載、風(fēng)機(jī)限流、風(fēng)機(jī)自動剎車。

控制器的液晶模塊顯示蓄電池電壓、風(fēng)機(jī)電壓、光電池電壓、風(fēng)機(jī)功率、光電池功率、風(fēng)機(jī)功率、光電池功率、風(fēng)機(jī)電流、光電池電流、蓄電池電量狀態(tài)。

逆變器將12V的直流電轉(zhuǎn)換成220 V、50 Hz的交流電或其它類型的交流電,以便供給負(fù)載使用。逆變器利用電子元件對直流電進(jìn)行開關(guān)使之變?yōu)榻涣麟?然后用變壓器升壓。

蓄電池是風(fēng)力發(fā)電機(jī)、太陽能光伏發(fā)電和用電器之間的儲能裝置,為整個系統(tǒng)提供長時間的均衡供電。我們選用的是12A、20 V的鉛酸蓄電池。

3 結(jié) 論

我們設(shè)計(jì)制作的微型風(fēng)力發(fā)電演示儀,側(cè)重于演示再現(xiàn)風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電的全過程,直觀清晰的顯示發(fā)電過程中風(fēng)速、太能能照度等參數(shù)對于發(fā)電效率的影響,使學(xué)生體會豐富的物理與工程相結(jié)合的知識,教學(xué)效果良好。該儀器原理簡明,便于拆裝,可靠穩(wěn)定,能源利用多樣化。此外除了作為演示實(shí)驗(yàn)儀器,微型風(fēng)力發(fā)電演示儀還可應(yīng)用于其它領(lǐng)域,如偏遠(yuǎn)地區(qū)戶型日常用電,海上捕魚作業(yè),抗震救災(zāi)等場合。

[1]吳廣龍.淺談風(fēng)力發(fā)電的技術(shù)現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢[J].裝備制造,2010(1).

[2]談蓓月,衛(wèi)少克.風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)[J].上海電力學(xué)院學(xué)報,2009(6).

[3]王宏華.風(fēng)力發(fā)電的原理及發(fā)展現(xiàn)狀[J].機(jī)械制造與自動化,2010(1).

[4]倪受元.風(fēng)力機(jī)的工作原理和氣動力特性[J].機(jī)械制造與自動化,2010(2).

A Micro-demonstrator of Wind Power

ZHANG Peng-fei,ZHANG Peng,ZHANG Zi-liang ZHANG Yu,LV Xi-ming,LIU Ji-yuan,SHI Qing-fan

(Beijing Institute of Technology,Beijing 100081)

We design a micro-demonstrator based on the mutual complementary principal of wind-solar.It is composed by the wind generator,solar cells,controller,battery and load.Both wind and solar energy are transformed intOelectrical energy and stored in batteries for load using.The device is not only small,intuitive,modular and easy tOoperate,but alsOhighlight the combination of physics and engineering knowledge.As a demonstrator,it has a good teaching effect.

wind power;wind-solar hybrid;vane;solar energy;controller

O433

A

1007-2934(2011)03-0070-03

2011-11-10

＊通訊聯(lián)系人