一種結合雨傘結構的家用風光互補式發(fā)電機的設計

張 棟,姜利華,趙榮榮

(山東華宇工學院 機械工程學院,山東 德州253034)

0 引言

常規(guī)能源價格不斷上漲,故清潔能源受到了人們的重視,市場競爭力逐漸增強[1]。風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)單一的家用風力發(fā)電機效率低,資源浪費嚴重,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階段,尚未進行大規(guī)模商業(yè)化的應用[2],而家用風光互補式發(fā)電機的出現(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,應用范圍廣,價值高,便于搬運、安裝、管理及維修。

傳統(tǒng)的風力發(fā)電在風能豐富的地方發(fā)電效果較好,但家用風力發(fā)電往往無法將資源最大化利用,因為風來自四面八方,而風力發(fā)電機只能單向轉動,單片風扇轉動過程中會導致風能流失,發(fā)電效率不高,且家用式風力發(fā)電機在組裝、管理、維修等方面存在一些問題,維修頂部機艙難度較大。另外,在陰雨天或無風情況下也難以保證電力資源的持續(xù)供應,相較于東部沿海發(fā)達地區(qū),對于一些缺乏完整電網(wǎng)設施的地方,僅使用風力發(fā)電或太陽能發(fā)電需配對較大容量的設備來儲能,因此需改變傳統(tǒng)單一的發(fā)電方式,利用風光互補式發(fā)電,將風力發(fā)電機與柔性太陽能電池板有機結合,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,彌補風力發(fā)電的不足,對傳統(tǒng)的風力發(fā)電機進行了改良設計。

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

1 家用風光互補式發(fā)電機總體設計

新型家用風光互補式發(fā)電機的總體結構是把傳統(tǒng)的家用風力發(fā)電機與雨傘結構相結合,分為雙葉輪、機艙、偏航結構、柔性太陽能發(fā)電板、傘骨結構、伸縮柱及內(nèi)部的控制系統(tǒng)等,如圖1所示。

圖1 整體機構

發(fā)電機的整體結構可分為上下兩部分,上部分是在傳統(tǒng)風力發(fā)電機機構的基礎上增加一組葉輪,形成雙葉輪結構,將雙葉輪通過軸來連接。下部分設計為雨傘結構,支撐柱為伸縮結構,可使頂部機艙自動升降。在伸縮柱的中上部分增加傘骨結構,傘面部分增加柔性太陽能板。

2 工作原理

針對傳統(tǒng)風力發(fā)電機的不足之處設計了一種新型的結合雨傘結構的家用風光互補式發(fā)電機。該發(fā)電機系統(tǒng)通過風力發(fā)電與太陽能發(fā)電的相互配合實現(xiàn)穩(wěn)定發(fā)電,增加了發(fā)電總量。發(fā)電機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動與動力,利用錐齒輪與齒輪軸的配合改變機械能的傳遞方向,以保證頂部兩組葉輪的風力發(fā)電。太陽能發(fā)電則依托傘骨結構上的柔性太陽能板,正常天氣下,柔性太陽能板借助傘骨結構展開,配合雙葉輪共同發(fā)電。遇到極端天氣時,太陽能板則收縮,避免受到侵蝕或損壞,此時則單獨進行風力發(fā)電。若頂部機艙或雙葉輪有損壞,則可通過控制系統(tǒng)令伸縮柱下降,使頂部機艙置于地面,減少高空作業(yè)的危險,降低管理及維修難度。

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

3 主要結構

3.1 雙葉輪組

家用風光互補式發(fā)電機的葉片設計在一定程度上會直接影響風能轉換效率及發(fā)電總量。雙葉輪基于傳統(tǒng)風力發(fā)電機增加了一組葉輪及扇葉,將雙葉輪通過軸來連接,可有效實現(xiàn)風能利用,提高機械做功,且雙葉輪的設計保證了機艙移至地面后風力發(fā)電機頂部的受力平衡。

3.2 機艙

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

圖3 機艙內(nèi)部結構

3.3 偏航系統(tǒng)

偏航系統(tǒng)的主要作用是讓葉輪組轉動時能夠自然地對準正確的風向,該系統(tǒng)結構包括電機、延緩調(diào)節(jié)機構、測風器、偏航調(diào)節(jié)機構及保護裝置等。家用風光互補發(fā)電機接收來自四面八方的風,每一個風向通過測風器記錄相應的脈沖信號,由偏航調(diào)節(jié)系統(tǒng)對信號進行分析,確定此時最佳的偏航角度及方向,再傳遞給電機,通過延緩調(diào)節(jié)機構轉動機艙,調(diào)整到合適的位置為止。

3.4 伸縮柱

此系統(tǒng)將傳統(tǒng)的風力發(fā)電機與雨傘結構相結合,將風力發(fā)電機的桿柱變?yōu)樯炜s柱,如圖4所示。伸縮柱能夠使頂部機艙實現(xiàn)自動升降,降低高空作業(yè)風險,便于操作、管理及維修,可在發(fā)電機損壞時及時止損,節(jié)省人力與運輸成本。

圖4 伸縮柱

3.5 柔性太陽能板與傘骨結構

在伸縮柱的中上部分設計了傘骨結構,如圖5所示。傳統(tǒng)的太陽能產(chǎn)品質量及體積較大,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)電機便于拆卸及搬運。傘骨結構表面覆蓋柔性太陽能板,能夠令發(fā)電機在有限的空間范圍內(nèi)充分利用自然資源,風力發(fā)電與太陽能發(fā)電互補,大大提高了系統(tǒng)供電的穩(wěn)定性。傘骨結構與伸縮柱的獨特設計,可避免不可控的自然因素對發(fā)電機造成腐蝕及損害,延長設備的使用壽命,如圖6所示。

圖5 傘骨結構

圖6 柔性太陽能板的收縮

3.6 控制系統(tǒng)

風力發(fā)電控制系統(tǒng)可保證風力發(fā)電機組的安全可靠運行,獲取最大能量,為其提供良好的電力質量[4]?？刂葡到y(tǒng)位于發(fā)電機內(nèi)部,可通過PLC控制傘骨結構的收縮及伸縮柱的升降。

4 結束語

綜合利用風能與太陽能資源的風光互補發(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)定的風光互補式發(fā)電機能夠大大提高風能及太陽能利用率,增加機械能做功、發(fā)電功率及發(fā)電穩(wěn)定性。傳統(tǒng)的風力發(fā)電機與雨傘結構相結合,有利于發(fā)電機的搬運、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。