張 棟,姜利華,趙榮榮

(山東華宇工學(xué)院 機(jī)械工程學(xué)院,山東 德州253034)

0 引言

常規(guī)能源價(jià)格不斷上漲,故清潔能源受到了人們的重視,市場競爭力逐漸增強(qiáng)[1]。風(fēng)力資源與太陽能資源是清潔、無污染的可再生能源,其發(fā)電逐漸受到市場的認(rèn)可,發(fā)展前景廣闊。人們對電力的需求量越來越大,而傳統(tǒng)單一的家用風(fēng)力發(fā)電機(jī)效率低,資源浪費(fèi)嚴(yán)重,存在安全隱患,易發(fā)生事故,難以滿足人們的需要。目前,太陽能的互補(bǔ)利用主要以光伏發(fā)電為主,對太陽能熱的利用還處于試驗(yàn)階段,尚未進(jìn)行大規(guī)模商業(yè)化的應(yīng)用[2],而家用風(fēng)光互補(bǔ)式發(fā)電機(jī)的出現(xiàn)將成為未來發(fā)展的新趨勢。該系統(tǒng)發(fā)電量及穩(wěn)定性都優(yōu)于傳統(tǒng)裝置,應(yīng)用范圍廣,價(jià)值高,便于搬運(yùn)、安裝、管理及維修。

傳統(tǒng)的風(fēng)力發(fā)電在風(fēng)能豐富的地方發(fā)電效果較好,但家用風(fēng)力發(fā)電往往無法將資源最大化利用,因?yàn)轱L(fēng)來自四面八方,而風(fēng)力發(fā)電機(jī)只能單向轉(zhuǎn)動(dòng),單片風(fēng)扇轉(zhuǎn)動(dòng)過程中會導(dǎo)致風(fēng)能流失,發(fā)電效率不高,且家用式風(fēng)力發(fā)電機(jī)在組裝、管理、維修等方面存在一些問題,維修頂部機(jī)艙難度較大。另外,在陰雨天或無風(fēng)情況下也難以保證電力資源的持續(xù)供應(yīng),相較于東部沿海發(fā)達(dá)地區(qū),對于一些缺乏完整電網(wǎng)設(shè)施的地方,僅使用風(fēng)力發(fā)電或太陽能發(fā)電需配對較大容量的設(shè)備來儲能,因此需改變傳統(tǒng)單一的發(fā)電方式,利用風(fēng)光互補(bǔ)式發(fā)電,將風(fēng)力發(fā)電機(jī)與柔性太陽能電池板有機(jī)結(jié)合,在一定程度上解決發(fā)電方法單一、發(fā)電量小且不穩(wěn)定及不連續(xù)的問題,保證持續(xù)有效地供電。為充分利用太陽能資源,彌補(bǔ)風(fēng)力發(fā)電的不足,對傳統(tǒng)的風(fēng)力發(fā)電機(jī)進(jìn)行了改良設(shè)計(jì)。

風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)是一種完全獨(dú)立且合理的電源系統(tǒng),可同時(shí)開發(fā)太陽能與風(fēng)能資源。其利用可再生能源發(fā)電,適用于缺電的偏遠(yuǎn)地區(qū),無污染,效率高,成本低,具有廣闊的應(yīng)用前景。

1 家用風(fēng)光互補(bǔ)式發(fā)電機(jī)總體設(shè)計(jì)

新型家用風(fēng)光互補(bǔ)式發(fā)電機(jī)的總體結(jié)構(gòu)是把傳統(tǒng)的家用風(fēng)力發(fā)電機(jī)與雨傘結(jié)構(gòu)相結(jié)合,分為雙葉輪、機(jī)艙、偏航結(jié)構(gòu)、柔性太陽能發(fā)電板、傘骨結(jié)構(gòu)、伸縮柱及內(nèi)部的控制系統(tǒng)等,如圖1所示。

圖1 整體機(jī)構(gòu)

發(fā)電機(jī)的整體結(jié)構(gòu)可分為上下兩部分,上部分是在傳統(tǒng)風(fēng)力發(fā)電機(jī)機(jī)構(gòu)的基礎(chǔ)上增加一組葉輪,形成雙葉輪結(jié)構(gòu),將雙葉輪通過軸來連接。下部分設(shè)計(jì)為雨傘結(jié)構(gòu),支撐柱為伸縮結(jié)構(gòu),可使頂部機(jī)艙自動(dòng)升降。在伸縮柱的中上部分增加傘骨結(jié)構(gòu),傘面部分增加柔性太陽能板。

2 工作原理

針對傳統(tǒng)風(fēng)力發(fā)電機(jī)的不足之處設(shè)計(jì)了一種新型的結(jié)合雨傘結(jié)構(gòu)的家用風(fēng)光互補(bǔ)式發(fā)電機(jī)。該發(fā)電機(jī)系統(tǒng)通過風(fēng)力發(fā)電與太陽能發(fā)電的相互配合實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定發(fā)電,增加了發(fā)電總量。發(fā)電機(jī)工作過程中通過錐齒輪之間90°的嚙合,傳遞兩相交軸之間的運(yùn)動(dòng)與動(dòng)力,利用錐齒輪與齒輪軸的配合改變機(jī)械能的傳遞方向,以保證頂部兩組葉輪的風(fēng)力發(fā)電。太陽能發(fā)電則依托傘骨結(jié)構(gòu)上的柔性太陽能板,正常天氣下,柔性太陽能板借助傘骨結(jié)構(gòu)展開,配合雙葉輪共同發(fā)電。遇到極端天氣時(shí),太陽能板則收縮,避免受到侵蝕或損壞,此時(shí)則單獨(dú)進(jìn)行風(fēng)力發(fā)電。若頂部機(jī)艙或雙葉輪有損壞,則可通過控制系統(tǒng)令伸縮柱下降,使頂部機(jī)艙置于地面,減少高空作業(yè)的危險(xiǎn),降低管理及維修難度。

風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)如圖2所示,光伏發(fā)電單元采用柔性太陽能電池板,將太陽能轉(zhuǎn)換為電能,風(fēng)力發(fā)電單元利用頂部雙葉輪式的風(fēng)力發(fā)電機(jī),將風(fēng)能轉(zhuǎn)換為電能,通過智能控制中心對蓄電池充電、放電及逆變器進(jìn)行統(tǒng)一處理,為各個(gè)負(fù)載提供持續(xù)的電力供應(yīng)。太陽能發(fā)電與風(fēng)力發(fā)電在能源采集上互相配合,各具特征。風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)可完全發(fā)揮風(fēng)力發(fā)電與光伏發(fā)電的優(yōu)勢,最大限度地利用風(fēng)能與太陽能。對于用電量大、用電要求高且風(fēng)能及太陽能資源較豐富的地區(qū),風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)是很好的選擇。

3 主要結(jié)構(gòu)

3.1 雙葉輪組

家用風(fēng)光互補(bǔ)式發(fā)電機(jī)的葉片設(shè)計(jì)在一定程度上會直接影響風(fēng)能轉(zhuǎn)換效率及發(fā)電總量。雙葉輪基于傳統(tǒng)風(fēng)力發(fā)電機(jī)增加了一組葉輪及扇葉,將雙葉輪通過軸來連接,可有效實(shí)現(xiàn)風(fēng)能利用,提高機(jī)械做功,且雙葉輪的設(shè)計(jì)保證了機(jī)艙移至地面后風(fēng)力發(fā)電機(jī)頂部的受力平衡。

3.2 機(jī)艙

機(jī)艙是風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的重要保護(hù)裝置,保護(hù)發(fā)電機(jī)內(nèi)部齒輪等設(shè)備能夠在惡劣環(huán)境下正常運(yùn)行,確保其不受外部環(huán)境因素的侵蝕。機(jī)艙連接處采用錐齒輪與齒輪軸配合傳動(dòng),錐齒輪用來傳遞兩相交軸之間的運(yùn)動(dòng)及動(dòng)力,兩軸間的交角等于90°,錐齒輪與齒輪軸的配合可改變機(jī)械能的傳遞方向,有利于齒輪箱的工藝強(qiáng)化及發(fā)電機(jī)的升級改造[3],如圖3所示。

圖3 機(jī)艙內(nèi)部結(jié)構(gòu)

3.3 偏航系統(tǒng)

偏航系統(tǒng)的主要作用是讓葉輪組轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)能夠自然地對準(zhǔn)正確的風(fēng)向,該系統(tǒng)結(jié)構(gòu)包括電機(jī)、延緩調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)、測風(fēng)器、偏航調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)及保護(hù)裝置等。家用風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電機(jī)接收來自四面八方的風(fēng),每一個(gè)風(fēng)向通過測風(fēng)器記錄相應(yīng)的脈沖信號,由偏航調(diào)節(jié)系統(tǒng)對信號進(jìn)行分析,確定此時(shí)最佳的偏航角度及方向,再傳遞給電機(jī),通過延緩調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)動(dòng)機(jī)艙,調(diào)整到合適的位置為止。

3.4 伸縮柱

此系統(tǒng)將傳統(tǒng)的風(fēng)力發(fā)電機(jī)與雨傘結(jié)構(gòu)相結(jié)合,將風(fēng)力發(fā)電機(jī)的桿柱變?yōu)樯炜s柱,如圖4所示。伸縮柱能夠使頂部機(jī)艙實(shí)現(xiàn)自動(dòng)升降,降低高空作業(yè)風(fēng)險(xiǎn),便于操作、管理及維修,可在發(fā)電機(jī)損壞時(shí)及時(shí)止損,節(jié)省人力與運(yùn)輸成本。

圖4 伸縮柱

3.5 柔性太陽能板與傘骨結(jié)構(gòu)

在伸縮柱的中上部分設(shè)計(jì)了傘骨結(jié)構(gòu),如圖5所示。傳統(tǒng)的太陽能產(chǎn)品質(zhì)量及體積較大,不易折彎,難以攜帶,只能用于房頂或山區(qū)。而由樹脂包裹的硅作為材料制成的太陽能板,即柔性太陽能板,便于攜帶,柔韌性好,能夠令發(fā)電機(jī)便于拆卸及搬運(yùn)。傘骨結(jié)構(gòu)表面覆蓋柔性太陽能板,能夠令發(fā)電機(jī)在有限的空間范圍內(nèi)充分利用自然資源,風(fēng)力發(fā)電與太陽能發(fā)電互補(bǔ),大大提高了系統(tǒng)供電的穩(wěn)定性。傘骨結(jié)構(gòu)與伸縮柱的獨(dú)特設(shè)計(jì),可避免不可控的自然因素對發(fā)電機(jī)造成腐蝕及損害,延長設(shè)備的使用壽命,如圖6所示。

圖5 傘骨結(jié)構(gòu)

圖6 柔性太陽能板的收縮

3.6 控制系統(tǒng)

風(fēng)力發(fā)電控制系統(tǒng)可保證風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的安全可靠運(yùn)行,獲取最大能量,為其提供良好的電力質(zhì)量[4]?？刂葡到y(tǒng)位于發(fā)電機(jī)內(nèi)部,可通過PLC控制傘骨結(jié)構(gòu)的收縮及伸縮柱的升降。

4 結(jié)束語

綜合利用風(fēng)能與太陽能資源的風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng),可為電網(wǎng)輸電不便的地區(qū)提供低成本、高穩(wěn)定性的電源,解決能源緊張及環(huán)境污染等問題。高效率、系統(tǒng)發(fā)電量大且穩(wěn)定的風(fēng)光互補(bǔ)式發(fā)電機(jī)能夠大大提高風(fēng)能及太陽能利用率,增加機(jī)械能做功、發(fā)電功率及發(fā)電穩(wěn)定性。傳統(tǒng)的風(fēng)力發(fā)電機(jī)與雨傘結(jié)構(gòu)相結(jié)合,有利于發(fā)電機(jī)的搬運(yùn)、安裝、管理及維修。將該裝置用于家用發(fā)電,安裝簡便,成本低,節(jié)能環(huán)保,在資源互補(bǔ)性、供電安全性、穩(wěn)定性等方面均優(yōu)于單一的能源發(fā)電系統(tǒng),市場前景廣闊。