CN202707376U - 风能与太阳能混合动力发电系统 - Google Patents

风能与太阳能混合动力发电系统 Download PDF

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    • Y02E10/74—Wind turbines with rotation axis perpendicular to the wind direction

Abstract

本实用新型公开了风能与太阳能混合动力发电系统，主要包括三部分：风力发电部分，太阳能发电部分，电能的储存部分；通过热交换技术对太阳能光电板进行降温，充分利用空气对流产生的动能，自然界的风能，不仅利用太阳能的光电效应还利用了太阳能中的热能。本实用新型的有益效果是：对太阳能光电板进行降温，可以使太阳能光电板的发电效率得到提高；不仅利用自然界的风还充分利用空气对流产生的动能，克服风能不连续的劣势；利用风能和太阳能的能量互补；不仅利用太阳能的光电效应也充分利用太阳能中。

Description

风能与太阳能混合动力发电系统
技术领域
本实用新型涉及一种风能与太阳能混合动力发电系统。
背景技术
太阳能电池温度升高，在短期内会影响电池的发电效率及输出功率，长期在高温下工作还会引起太阳能电池的迅速老化并严重缩短其寿命。太阳能电池在低温下很好的工作，但在给定的光强度下，太阳能的输出功率会随工作温度的升高而降低，呈线性递减关系，使用寿命随之降低。当超过90度后，效率与温度成分线性变化，效率急剧下降。当太阳能电池的工作温度高达200度后，太阳能电池只能工作30分钟。通过设计换热装置，降低太阳能电池工作时的温度来提高太阳能电池发电的效率。
有关太阳能聚光光伏系统的散热技术分析如下：
现在的散热系统主要分为两类，主动式散热和被动式散热。
1被动式散热系统的耗能为零，散热温度有限，主要用于聚光比较低的光伏发电系统，典型的系统有加翅片或未加翅片的铝材料背板散热系统，热管散热系统。
2主动式散热系统需要加泵等实施强制对流换热，工质可为气体或液体，特点是散热量大，主要应用于高倍聚光太阳能电池的散热。
对于被动式散热的低倍聚光太阳能散热系统（聚光比低于50）的研究主要包括：
A.Florschuetz研究显示，当聚光比小于5时可直接采用平板散热，而对于聚光比稍高于10的系统，则需要在背板上添加翅片以加强散热。在风速为2m/s的环境中，平板散热适用于10被聚光比的光伏系统，而加翅片的背板则适用于聚光比为14的系统。
B.Solanki等人基于V型槽两倍聚光系统，提出一种新型增强散热的背板结构设计。其设计理念是将一整块连续不断的铝板，弯折成所需的V型结构，对反射镜起到支持作用的同时起到强化传热。连续铝板支架，使V型槽侧面的上下表面都能与空气接触从而带走热量，散热量比传统的设计增加了4倍，此系统可以使光伏系统的温度维持在约60℃.
C.Russell提出了一种主动式热管冷却系统，热管内部有蜡质材料将液体提升到换热表面强化传热。太阳能电池继续的热能被内部循环的冷却水带走。冷却水进口、出口在同一端的设计实验热管方向的温度梯度不至于过大，进而保证了太阳能发电的效率。
D.赵耀华等人提出用新型平板热管作为传热组件的太阳能电池散热方案。平板热管的形状能够与电池板良好的接触，有效减少扩散热阻的影响，实现零耗能热管冷却技术。该散热系统利用新型平板散热管的高效传热性能和均温性能，将太阳能电池的热量导出，扩大散热面积，然后分别采用空气自然对流方式和水自然对流方式将导出的热量带走，从而降低太阳能电池板的温度，提高光电转换效率。
对于主动式散热的高倍聚光太阳能散热系统的研究包括：
A.管道式水冷却系统，Lasich提出一种水循环冷却系统，该系统的换热效果可到500kW/m2,并维持40度的电池工作温度。冷却液浸没式电池冷却系统，将太阳能电池直接浸没在自循环的冷却液中，从而使太阳能电池热量可从太阳能电池的两个表面散失，冷却液同时作为光学过滤器，将较低辐射能或不能被太阳能电池转换为电的光在到达太阳能电池前被吸收。
B.Christian的理论表明，如果选择合适的冷却液，使其在沸腾温度下工作，液体汽化产生的气泡从一个太阳电池表面移动到另一个太阳电池表面，从而带动整个冷却液的自然循环。国内学者王一平等人则对硅电池在不同的冷却液中的性能表现做了具体深入的研究。
C.新型高倍聚光光伏电池冷却系统设计，Horne针对蝶式抛物线聚光光伏系统设计了新型的电池冷却系统。该系统将太阳能电池安放在垂直放置的一系列圆环上，并做到无遮挡排列，利用中央泵使冷却水强制流经太阳能电池底部进行散热。其巧妙设计在于，冷却水回流路径将穿过布置在聚光器与太阳能电池之间的玻璃壳，冷却水不仅承担了换热的工作，而且可以充当光学过滤器，吸收大量只能转变为热量的紫外线和低能量的辐射，从而起到双重散热效果。
现在越来越多的学校开始关注风能与太阳能组合在一起发电的技术，其中内蒙古大学的季秉厚老师对太阳能风能混合发电系统进行了研究，提出了一种可以一年四季均衡供电，并且能为无电网地区提供可靠的电力供应的系统；华东理工大学电力学院的杨苹老师也对风能太阳能混合发电系统进行了研究，并且提出一种新型的发电机及其控制系统；上海交通大学的史海军老师提出了一种风能与太阳能互补发电系统的优化设计方法。通过实验表明，使用该优化设计方法可获得系统经济性能与系统配置的关系和大量的Pareto最优解，从而可以得到最满意的系统方案。除了有大量的学术论文介绍相关的技术，还有许多发明专利也涉及这一领域。将太阳能与风能结合，将两种能源的优势互补，实现全天24小时发电，满足单个家庭的需要，为大规模推广提供了可能。
综上所述，目前风能与太阳能混合动力发电系统的缺陷有：
1长期在高温下工作还会引起太阳能电池的迅速老化并严重缩短其寿命。
2风能不连续的劣势影响风力发电的发电量。
3晚上太阳能不能工作的时候，将直接影响发电量。
4传统的太阳能发电仅仅利用太阳能的光电效应，没有充分利用太阳能中的热能，造成了能量的丢失。
实用新型内容
本实用新型的目的就是为了解决上述问题，提供一种风能与太阳能混合动力发电系统，它具有的优点是对太阳能光电板进行降温，可以使太阳能光电板的发电效率得到提高；不仅利用自然界的风还充分利用空气对流产生的动能，克服风能不连续的劣势；利用风能和太阳能的能量互补；不仅利用太阳能的光电效应也充分利用太阳能中的热能。
为了实现上述目的，本实用新型采用如下技术方案：
一种风能与太阳能混合动力发电系统，主要包括三部分：风力发电部分，太阳能发电部分，电能的储存部分，三者安装在支撑装置上；
所述支撑装置包括四个柱子，在四个柱子间设有上层、中层和下层挡板，风力发电部分安装在上层挡板上，上层挡板上设有多个聚光球；中层挡板四周设有铰接聚光反射玻璃，形成一个对流空气箱；底层挡板上有太阳能发电部分的风力发电机；
所述风力发电部分包括一个承载箱，所述承载箱上安装有轴承、转动轴，转动轴上安装有多个叶片，转动轴末端与风力发电机连接；叶片由两部分组成，一部分为叶片的勺状端部，在水平方向风力作用下推动叶片转动；另一部分为叶片靠近转动轴的弧形叶片，弧形叶片与竖向的对流空气配合，推动叶片转动；
所述太阳能发电部分包括四个换热器，每个换热器的上表面与下表面分别设有光伏电池，上表面的光伏电池直接接受阳光照射，下表面的光伏电池接受聚光反射玻璃反射的阳光；各换热器与上层挡板铰接；
所述电能的储存部分为蓄电池，蓄电池与光伏电池连接。
所述换热器结构采用板式换热器结构，其内的冷却介质为水，冷水经过换热系统之后温度升高，然后将被加热的水经过管道引入储水装置，作为生活卫生热水。
所述聚光球将太阳光聚集到铜板上，使铜板温度升高，增强对流效果。
空气箱内的空气通过太阳照射，温度升高，产生自然对流，空气上升，上升的空气进入到上方的小箱子中，气流速度加快，推动风车的叶片转动，叶片的转动带动轴的转动，轴末端的发电机进行发电。
所述太阳能发电部分的太阳聚光光伏发电系统，使用聚光反射玻璃或透镜，太阳光照射到聚光反射玻璃或透镜上，然后将积聚的太阳光照射到光伏电池上，通过光电效应产生电流，电流经导线到达直流交流转换器，转换成交流电之后，用蓄电池储存电能。
所述光伏电池安装在箱体侧面的换热器的两面，主要安装在空气箱侧面的活动面板上表面，活动面板下表面阳能光伏电池主要接收来自中层挡板四周的聚光反射玻璃或透镜反射来的阳光，上面的光伏电池直接接收来自太阳的光；两层光伏电池之间是换热器。换热器的任务有两个：一是承担降温的任务，二是将光伏电池固定。
①变流部分
此部分变流方式，参考季秉厚老师系统中的变流方法。
首先将直流电通过DC-DC高频斩波器频率（20-30kHz），将输入逆变器的不可控直流低电压变流为可控的直流高电压，然后再通过DC-AC变换桥电路，实现50Hz方波或正弦波交流输出，取消了工频输出变压器。由于变流方式的改变，使逆变器实现了小型化、高频化，提高了技术指标和降低了成本，并采用1GBT,VDMOS器件和非晶--微晶合金材料制作斩波升压线圈的磁芯。
②电能储存
初步计算采用蓄电池来进行电能储存，因为在现有的技术阶段，在偏远地区，蓄电池是比较经济可靠的电能储存装置。
①可利用热量的计算
换热器对流换热公式：Q＝h×A×ΔT（其中Q：换热功率A：换热面积△T：流体出口与入口温度的差值；h：对流换热系数）
假设采用上述的换热器结构，冷却介质为水的时候，换热系数的经验值是200-1000W/(m2*K)，在以下计算中取500W/(m2*K)，夏季太阳能光伏电池的温度可达到100℃，我们目标是将工作温度控制到40℃左右，所以，这样通过换热系统得到的热量就是：Q＝h×A×ΔT＝500×1×（100-40）＝30KJ，即每平方米的光伏电池通过换热系统可以供应30KJ的热量。
②风力发电量的测定
测量被加热空气的流动速度，空气箱的体积，并且根据空气的温度查得空气的密度，计算其动能，此部分动能通过风车叶片转化为扭矩，风车转轴推动发电机发电，用电流表，电压表测其发电的电流值和电压值，并求得发电量。这样就可以根据发电机的效率，求出风车的效率，为装置的改进提供依据。
③整个系统的有效利用能量，包括风力发电量，太阳能发电量和热能
风力发电部分的发电量可以按上述求得，太阳能的发电量仍可按测电流电压的方法求得发电量，最后求得整个系统的发电量。
E＝Ewind+Esoalr+Q
Ewind：代表风能发电量。
Esolar：代表太阳能发电量
Q：代表热能。
④经济性分析
安装换热系统之后，光伏电池的发电效率得到提高。太阳能电池的峰值功率随温度的升高而降低(直接影响到效率),即温度每升高1℃,太阳能电池的峰值功率损失率约为0.35～0.45%。
设P1为初期投资，主要是指搭建系统的投资；假设该系统的发电量为E1，则可计算出使用未配备换热系统的光伏电池的使用面积，进而可以计算出传统方式的初期投资，P2；也可计算出单纯的风力发电，输出同样数量的电力需要的初期设备投资，P3；根据现有的风力太阳能混合发电系统，也可以计算出发出相同的电力，未加装散热系统时的初期投资，P4。
由于该系统同时利用了太阳能的热能部分，通过换热系统计算得到的热量，计算出得到相同数量的热量需要消耗的标准煤量，标准煤的热值是29270KJ/Kg，再根据煤的市场价格，计算每年省下的燃料费，P5。
该独立发电系统可以单独运行，保证每个用户的用电量，这样就节省了电缆架设的费用P6和减少了输电过程中的损失,换算成价钱为P7。
如果P1-P5-P6-P7＜P2orP3orP4，即可说明其经济上是可行的，也可以表明实现节能的目标。因为全程没有有害环境的物质排放，所以可以实现减排的目标。
本实用新型的有益效果：
1通过热交换技术对太阳能光电板进行降温，不仅可以使太阳能光电板的使用寿命得到延长，还可以使太阳能光电板的发电效率得到提高，这样就可以降低太阳能发电的成本，就可以增大太阳能发电大规模推广的可实施性。
2风力发电部分利用的不仅是自然界中的风，还有空气对流产生的动能，这样不仅可以实现能量的充分利用，还可以克服风能不连续的劣势。
3风能在实际应用中受到风不连续及风速的影响，通过与太阳能的结合可以在一定程度上减少这种限制产生的影响；太阳能的利用受时间限制和天气状况的影响比较大，风能的加入，可以改善这一状况，在晚上太阳能不能工作的时候，风能可以工作，两种能量优势互补。
4该系统太阳能部分，不仅利用太阳能的光电效应进行发电，而且还充分利用太阳能中的热能部分。
附图说明
图1为系统示意图；
图2为太阳能和风能发电部分示意图；
图3是空气箱部分示意图；
图4是发电机部分示意图；
其中，1、风车叶片；2、太阳能电池板；3、空气箱导流板；4、外部支撑骨架；5、发电机；6、转动轴；7、空气箱。
具体实施方式
下面结合附图与实施例对本实用新型作进一步说明。
如图1所示，主要包括三部分：一是太阳能发电部分；二是风能发电部分；三是电能的储存部分。
如图2所示，太阳能光伏电池在接受太阳光照射时温度会升高，温度升高后使太阳能光伏电池的光电转换效率降低，所以在本设计中，太阳能光伏电池背后加装换热装置，降低太阳能光电板的温度。
换热器的结构采用板式换热器结构，这样可以使换热器与太阳能电池有良好的接触，有效减小扩散热阻的损失。换热系统的冷却介质为水，冷水经过换热系统之后温度升高，然后将被加热的水经过管道引入储水装置，作为生活卫生热水。
此部分包括一个空气箱，长方体，四周的四个面都是半开放的，作用是空气流入空气箱的通道，大的空气箱上面有一个小的箱子，在小的箱子上装有轴承，风车，转动轴，转动轴下端与发电机相连。
空气箱内的空气通过太阳照射，温度升高，产生自然对流，空气上升，上升的空气进入到上方的小箱子中，气流速度加快，推动风车的叶片转动，叶片的转动带动轴的转动，轴末端的发电机进行发电。
风车的叶片包括两部分，一部分是类似于勺子形状的，此叶片可以在自然界有风的情况下使用，并且由于叶片质量较轻，因此启动风速可以减小；第二部分叶片是位于中间圆盘上的突起部分，这部分主要感受来自下方的因为受热而产生的上升气流。
微型发电装置，通过叶片转动产生扭力，使本装置产生电流。
（由于没有进行试验，参考的文献中也没有合适的参考数据，因此理论设计的计算只给出思路，并没有具体值的计算）
①可利用热量的计算
换热器对流换热公式：Q＝h×A×ΔT（其中Q：换热功率A：换热面积△T：流体出口与入口温度的差值）
假设采用上述的换热器结构，冷却介质为水的时候，换热系数的经验值是200-1000W/(m2*K)，在以下计算中取500W/(m2*K)，夏季太阳能光伏电池的温度可达到100℃，我们目标是将工作温度控制到40℃左右，所以，这样通过换热系统得到的热量就是：Q＝h×A×ΔT＝500×1×（100-40）＝30KJ，即每平方米的光伏电池通过换热系统可以供应30KJ的热量。
其中Q：换热功率A：换热面积△T：流体出口与入口温度的差值；h：对流换热系数
②风力发电量的测定
测量被加热空气的流动速度，空气箱的体积，并且根据空气的温度查得空气的密度，计算其动能，此部分动能通过风车叶片转化为扭矩，风车转轴推动发电机发电，用电流表，电压表测其发电的电流值和电压值，并求得发电量。这样就可以根据发电机的效率，求出风车的效率，为装置的改进提供依据。
③整个系统的有效利用能量，包括风力发电量，太阳能发电量和热能
风力发电部分的发电量可以按上述求得，太阳能的发电量仍可按测电流电压的方法求得发电量，最后求得整个系统的发电量。
E＝Ewind+Esoalr+Q
Ewind：代表风能发电量。
Esolar：代表太阳能发电量
Q：代表热能。
④经济性分析
安装换热系统之后，光伏电池的发电效率得到提高。太阳能电池的峰值功率随温度的升高而降低(直接影响到效率),即温度每升高1℃,太阳能电池的峰值功率损失率约为0.35～0.45%。
设P1为初期投资，主要是指搭建系统的投资；假设该系统的发电量为E1，则可计算出使用未配备换热系统的光伏电池的使用面积，进而可以计算出传统方式的初期投资，P2；也可计算出单纯的风力发电，输出同样数量的电力需要的初期设备投资，P3；根据现有的风力太阳能混合发电系统，也可以计算出发出相同的电力，未加装散热系统时的初期投资，P4。
由于该系统同时利用了太阳能的热能部分，通过换热系统计算得到的热量，计算出得到相同数量的热量需要消耗的标准煤量，标准煤的热值是29270KJ/Kg，再根据煤的市场价格，计算每年省下的燃料费，P5。
该独立发电系统可以单独运行，保证每个用户的用电量，这样就节省了电缆架设的费用P6和减少了输电过程中的损失,换算成价钱为P7。
如果P1-P5-P6-P7＜P2orP3orP4，即可说明其经济上是可行的，也可以表明实现节能的目标。因为全程没有有害环境的物质排放，所以可以实现减排的目标。
上述虽然结合附图对本实用新型的具体实施方式进行了描述，但并非对本实用新型保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本实用新型的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本实用新型的保护范围以内。

Claims (2)

1.一种风能与太阳能混合动力发电系统，其特征是，主要包括三部分：风力发电部分，太阳能发电部分，电能的储存部分，三者安装在支撑装置上；
所述支撑装置包括四个柱子，在四个柱子间设有上层、中层和下层挡板，风力发电部分安装在上层挡板上，中层挡板四周设有铰接聚光反射玻璃，形成一个对流空气箱；底层挡板上有太阳能发电部分的风力发电机；
所述风力发电部分包括一个承载箱，所述承载箱上安装有轴承、转动轴，转动轴上安装有多个叶片，转动轴末端与风力发电机连接；叶片由两部分组成，一部分为叶片的勺状端部，在水平方向风力作用下推动叶片转动；另一部分为叶片靠近转动轴的弧形叶片，弧形叶片与竖向的对流空气配合，推动叶片转动；
所述太阳能发电部分包括四个换热器，每个换热器的上表面与下表面分别设有光伏电池，上表面的光伏电池直接接受阳光照射，下表面的光伏电池接受聚光反射玻璃反射的阳光；各换热器与上层挡板铰接；
所述电能的储存部分为蓄电池，蓄电池与光伏电池连接。
2.如权利要求1所述的一种风能与太阳能混合动力发电系统，其特征是，所述换热器结构采用板式换热器结构，其内的冷却介质为水，冷水经过换热系统之后温度升高，然后将被加热的水经过管道引入储水装置，作为生活卫生热水。
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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CN104124888A (zh) * 2013-04-28 2014-10-29 纳米新能源（唐山）有限责任公司 发电系统

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