作者：张鹏飞,张 鹏,张子亮,张 宇,吕袭明,刘纪元,史庆藩

(北京理工大学,北京 100081)

设计制作了一种基于风光互补原理的微型风力发电演示仪。该仪器由风力发电机、光伏太阳能电池板、控制器、蓄电池、负载等各部分组成。整个系统以控制器为核心,由风力发电机、光伏太阳能电池板把风能和光能转变为电能并储存于蓄电池中供负载使用。该仪器作为演示实验仪不仅小型、直观、模块化和操作简便,而且演示内容突显物理与工程相结合的知识,教学效果良好。

风力发电;风光互补;叶片;太阳能;控制器

近年来,风力发电作为一种清洁能源得到了快速发展,并呈现出大规模开发利用的趋势。风力发电的基本原理就是利用风力带动风叶片旋转,来促使发电机发电。根据现有技术,只需微风(约3米/秒)即可实现发电功效[1]。虽然风力发电成本较低,但随机性大,供电可靠性较差。作为另一种清洁能源,太阳能光伏发电则是利用太阳能光伏电池将太阳能转换成电能,然后加以利用。太阳能光伏系统虽然可靠性高、运行维护成本低,但是造价高,对日照的要求也较高。对此,人们考虑到风力资源和阳光资源在不同季节、不同地域和不同气候条件下都有很强的互补性,于是将两者结合起来,发展了所谓风光互补的新型发电模式[2]。利用这种发电模式能有效提高系统供电的连续性、稳定性和可靠性,因而受到工业与环保行业的高度重视,应用前景十分广阔。

为了开拓大学生视野,普及可再生能源知识,增强环境保护意识,帮助学生进一步将所学的理论知识和实际应用结合,促进其综合素质的提高,有必要在大学物理的教学中引入基于风光互补原理的风力发电演示实验。为此,我们设计制作了一种风力发电演示实验仪。考虑到演示实验直观性、生动性、灵活性的要求,该仪器实现了小型、直观、模块化、操作简便的特点。该仪器在演示过程中,不仅能生动地再现风力发电的全过程,而且能使学生体会到流体力学、电学、光学等综合知识的应用,教学效果良好。

1 仪器结构

微型风光互补发电实验仪的结构示意图如图1所示,它由风力发电机、太阳能光伏电池板、风光互补控制器、蓄电池、逆变器、交直流负载等组成,其工程图如图2所示。

图1 微型风光互补发电实验仪结构示意图

图2 风光互补发电系统工程图

2 仪器设计

2.1 风力发电机叶片

风力发电机叶片部分的工作效率可根据公式

得出。其中P为叶片发电功率;V表额定风速,即无限远来流速度;D为风轮直径;Cp是功率系数。

风轮叶片是风力发电机的关键部件。它的平面形状与剖面几何形状和风力机空气动力特性密切相关,特别是剖面几何形状即翼型气动特性的好坏,将直接影响风力发电机的风能利用系数。为了确定风机叶片的大致参数,需要知道以上各量的值。对于室内的演示实验,风轮直径应在1m以内。同时演示实验的最终演示结果是对40 W灯泡供电,因此考虑功率损失,叶片发电功率在50 W左右。功率系数Cp可由贝茨理论确定[3,4]。

贝茨理论假定风轮是一平面桨盘;通过风轮的气流无阻力;风轮扫掠面上气流是均匀的;气流速度方向在通过风轮前后都沿轴线。其理想模型如图3所示。

图3 贝茨理论理想模型图

设V为风轮前方远处的风速,V1为通过风轮截面A的实际速度,V2为风轮后方远处的风速,通过风轮的气流在风轮前方的截面为A1,在风轮后方的截面为A2。由能量守恒定律,流体动量方程及力与作功关系,分别有

式(8)给出理想风轮的最大理论效率,就是贝茨极限。

通常风轮叶片接受风能的效率达不到此值。根据已有经验,Cp在工程中一般取为0.35。这样可确定额定风速V约为6.6m/s。

叶片的理论计算参数确定后,结合市售基本叶片型号,选用的叶片参数如下:中心桨距50 cm,起动风速约7m/s,发电功率约50 w。

2.2 功能模块

功能模块由风光互补控制器、蓄电池、逆变器等则组成。设计中需要考虑各部分之间的工作过程与相互关系。

风力发电系统的工作过程是,当风力达到并稳定在一定的风速时,风力发电机将风能持续不断地转换为交流电能。在有阳光充足照射的情况下,光伏太阳能电池板(四块太阳电池板构成共30 W),将太阳能直接转换成直流形式的电能。风能和光能转化的电能在控制器的配合下同时向蓄电池充电。蓄电池起着储存和调节电能的作用,在环境改变时,维持电量的恒定。为了对蓄电池的工作状态进行变换和调节就需要设计专门的控制器,它可根据风力的大小、日照的强弱及负荷的变化,使蓄电池在充、放电等多种工作状况下运行,以保证风光互补发电系统工作的连续性和稳定性。

我们设计的控制器采用PWM方式控制风机和太阳能电池对蓄电池进行限流限压充电,即在蓄电池电量较低时,采用限流充电,当风机和太阳能总充电流小于限电流时,风机和太阳能的全部能量给蓄电池充电。当风机和太阳能总电流大于限流点时,以限流点的电流给蓄电池充电,多余的能量通过PWM方式卸载;在蓄电池电量较高时,采用限压充电,当蓄电池电压低于限压点时,风机和太阳能的能量全部给蓄电池充电,当蓄电池电压达到限压点时,风机和太阳能会以限压点对蓄电池充电,多余的能量通过PWM方式卸载。控制器具有完善的保护功能,包括:太阳能电池防反冲、蓄电池过充电、蓄电池过放电、负载短路、过载、风机限流、风机自动刹车。

控制器的液晶模块显示蓄电池电压、风机电压、光电池电压、风机功率、光电池功率、风机功率、光电池功率、风机电流、光电池电流、蓄电池电量状态。

逆变器将12V的直流电转换成220 V、50 Hz的交流电或其它类型的交流电,以便供给负载使用。逆变器利用电子元件对直流电进行开关使之变为交流电,然后用变压器升压。

蓄电池是风力发电机、太阳能光伏发电和用电器之间的储能装置,为整个系统提供长时间的均衡供电。我们选用的是12A、20 V的铅酸蓄电池。

3 结 论

我们设计制作的微型风力发电演示仪,侧重于演示再现风光互补发电的全过程,直观清晰的显示发电过程中风速、太能能照度等参数对于发电效率的影响,使学生体会丰富的物理与工程相结合的知识,教学效果良好。该仪器原理简明,便于拆装,可靠稳定,能源利用多样化。此外除了作为演示实验仪器,微型风力发电演示仪还可应用于其它领域,如偏远地区户型日常用电,海上捕鱼作业,抗震救灾等场合。

[1]吴广龙.浅谈风力发电的技术现状与发展趋势[J].装备制造,2010(1).

[2]谈蓓月,卫少克.风光互补发电系统的优化设计[J].上海电力学院学报,2009(6).

[3]王宏华.风力发电的原理及发展现状[J].机械制造与自动化,2010(1).

[4]倪受元.风力机的工作原理和气动力特性[J].机械制造与自动化,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

＊通讯联系人
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