一种结合雨伞结构的家用风光互补式发电机的设计

张 栋,姜利华,赵荣荣

(山东华宇工学院 机械工程学院,山东 德州253034)

0 引言

常规能源价格不断上涨,故清洁能源受到了人们的重视,市场竞争力逐渐增强[1]。风力资源与太阳能资源是清洁、无污染的可再生能源,其发电逐渐受到市场的认可,发展前景广阔。人们对电力的需求量越来越大,而传统单一的家用风力发电机效率低,资源浪费严重,存在安全隐患,易发生事故,难以满足人们的需要。目前,太阳能的互补利用主要以光伏发电为主,对太阳能热的利用还处于试验阶段,尚未进行大规模商业化的应用[2],而家用风光互补式发电机的出现将成为未来发展的新趋势。该系统发电量及稳定性都优于传统装置,应用范围广,价值高,便于搬运、安装、管理及维修。

传统的风力发电在风能丰富的地方发电效果较好,但家用风力发电往往无法将资源最大化利用,因为风来自四面八方,而风力发电机只能单向转动,单片风扇转动过程中会导致风能流失,发电效率不高,且家用式风力发电机在组装、管理、维修等方面存在一些问题,维修顶部机舱难度较大。另外,在阴雨天或无风情况下也难以保证电力资源的持续供应,相较于东部沿海发达地区,对于一些缺乏完整电网设施的地方,仅使用风力发电或太阳能发电需配对较大容量的设备来储能,因此需改变传统单一的发电方式,利用风光互补式发电,将风力发电机与柔性太阳能电池板有机结合,在一定程度上解决发电方法单一、发电量小且不稳定及不连续的问题,保证持续有效地供电。为充分利用太阳能资源,弥补风力发电的不足,对传统的风力发电机进行了改良设计。

风光互补发电系统是一种完全独立且合理的电源系统,可同时开发太阳能与风能资源。其利用可再生能源发电,适用于缺电的偏远地区,无污染,效率高,成本低,具有广阔的应用前景。

1 家用风光互补式发电机总体设计

新型家用风光互补式发电机的总体结构是把传统的家用风力发电机与雨伞结构相结合,分为双叶轮、机舱、偏航结构、柔性太阳能发电板、伞骨结构、伸缩柱及内部的控制系统等,如图1所示。

图1 整体机构

发电机的整体结构可分为上下两部分,上部分是在传统风力发电机机构的基础上增加一组叶轮,形成双叶轮结构,将双叶轮通过轴来连接。下部分设计为雨伞结构,支撑柱为伸缩结构,可使顶部机舱自动升降。在伸缩柱的中上部分增加伞骨结构,伞面部分增加柔性太阳能板。

2 工作原理

针对传统风力发电机的不足之处设计了一种新型的结合雨伞结构的家用风光互补式发电机。该发电机系统通过风力发电与太阳能发电的相互配合实现稳定发电,增加了发电总量。发电机工作过程中通过锥齿轮之间90°的啮合,传递两相交轴之间的运动与动力,利用锥齿轮与齿轮轴的配合改变机械能的传递方向,以保证顶部两组叶轮的风力发电。太阳能发电则依托伞骨结构上的柔性太阳能板,正常天气下,柔性太阳能板借助伞骨结构展开,配合双叶轮共同发电。遇到极端天气时,太阳能板则收缩,避免受到侵蚀或损坏,此时则单独进行风力发电。若顶部机舱或双叶轮有损坏,则可通过控制系统令伸缩柱下降,使顶部机舱置于地面,减少高空作业的危险,降低管理及维修难度。

风光互补发电系统如图2所示,光伏发电单元采用柔性太阳能电池板,将太阳能转换为电能,风力发电单元利用顶部双叶轮式的风力发电机,将风能转换为电能,通过智能控制中心对蓄电池充电、放电及逆变器进行统一处理,为各个负载提供持续的电力供应。太阳能发电与风力发电在能源采集上互相配合,各具特征。风光互补发电系统可完全发挥风力发电与光伏发电的优势,最大限度地利用风能与太阳能。对于用电量大、用电要求高且风能及太阳能资源较丰富的地区,风光互补发电系统是很好的选择。

3 主要结构

3.1 双叶轮组

家用风光互补式发电机的叶片设计在一定程度上会直接影响风能转换效率及发电总量。双叶轮基于传统风力发电机增加了一组叶轮及扇叶,将双叶轮通过轴来连接,可有效实现风能利用,提高机械做功,且双叶轮的设计保证了机舱移至地面后风力发电机顶部的受力平衡。

3.2 机舱

机舱是风力发电机组的重要保护装置,保护发电机内部齿轮等设备能够在恶劣环境下正常运行,确保其不受外部环境因素的侵蚀。机舱连接处采用锥齿轮与齿轮轴配合传动,锥齿轮用来传递两相交轴之间的运动及动力,两轴间的交角等于90°,锥齿轮与齿轮轴的配合可改变机械能的传递方向,有利于齿轮箱的工艺强化及发电机的升级改造[3],如图3所示。

图3 机舱内部结构

3.3 偏航系统

偏航系统的主要作用是让叶轮组转动时能够自然地对准正确的风向,该系统结构包括电机、延缓调节机构、测风器、偏航调节机构及保护装置等。家用风光互补发电机接收来自四面八方的风,每一个风向通过测风器记录相应的脉冲信号,由偏航调节系统对信号进行分析,确定此时最佳的偏航角度及方向,再传递给电机,通过延缓调节机构转动机舱,调整到合适的位置为止。

3.4 伸缩柱

此系统将传统的风力发电机与雨伞结构相结合,将风力发电机的杆柱变为伸缩柱,如图4所示。伸缩柱能够使顶部机舱实现自动升降,降低高空作业风险,便于操作、管理及维修,可在发电机损坏时及时止损,节省人力与运输成本。

图4 伸缩柱

3.5 柔性太阳能板与伞骨结构

在伸缩柱的中上部分设计了伞骨结构,如图5所示。传统的太阳能产品质量及体积较大,不易折弯,难以携带,只能用于房顶或山区。而由树脂包裹的硅作为材料制成的太阳能板,即柔性太阳能板,便于携带,柔韧性好,能够令发电机便于拆卸及搬运。伞骨结构表面覆盖柔性太阳能板,能够令发电机在有限的空间范围内充分利用自然资源,风力发电与太阳能发电互补,大大提高了系统供电的稳定性。伞骨结构与伸缩柱的独特设计,可避免不可控的自然因素对发电机造成腐蚀及损害,延长设备的使用寿命,如图6所示。

图5 伞骨结构

图6 柔性太阳能板的收缩

3.6 控制系统

风力发电控制系统可保证风力发电机组的安全可靠运行,获取最大能量,为其提供良好的电力质量[4]。控制系统位于发电机内部,可通过PLC控制伞骨结构的收缩及伸缩柱的升降。

4 结束语

综合利用风能与太阳能资源的风光互补发电系统,可为电网输电不便的地区提供低成本、高稳定性的电源,解决能源紧张及环境污染等问题。高效率、系统发电量大且稳定的风光互补式发电机能够大大提高风能及太阳能利用率,增加机械能做功、发电功率及发电稳定性。传统的风力发电机与雨伞结构相结合,有利于发电机的搬运、安装、管理及维修。将该装置用于家用发电,安装简便,成本低,节能环保,在资源互补性、供电安全性、稳定性等方面均优于单一的能源发电系统,市场前景广阔。