张鹏飞，张子亮，张 鹏，张 宇，吕袭明，刘纪元，史庆藩

（北京理工大学 物理系，北京100081）

1 引 言

当今世界，风能作为一种清洁能源呈现出大规模开发利用的趋势，风力发电技术的发展也因此突飞猛进．此项技术的基本原理就是在风力驱动下风叶片旋转，从而促使发电机发电．目前的风力发电技术已比较成熟，微风（约3 m／s）即可实现发电功效［1］，且发电成本较其他发电方式低，其巨大的社会效益可见一斑．然而风力发电也仍然有其不足之处，随机性大、供电可靠性较差成为阻碍其大范围应用的不利因素．

作为另一种清洁能源技术，太阳能光伏发电则是利用太阳能光伏电池的物理化学过程将太阳能转换成电能进而加以利用．太阳能光伏系统具有可靠性高、运行维护成本低等明显优势，但偏高的造价与对近乎苛刻的日照要求也是急需攻克的问题．

风力资源和光能资源在不同季节、不同地域和不同气候条件下都有很强的互补性，将两者结合起来，就可以很好地实现能量转化性价比与工作可靠性的兼顾，风光互补的新型发电模式因此应运而生［2］．这种发电模式可以有效提高系统供电的连续性、稳定性和可靠性，目前已受到工业与环保行业的高度重视，应用前景十分广阔．

为开拓大学生视野，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，促进其综合素质的全面提高，同时，考虑到演示实验直观性、生动性、灵活性的要求，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装置是很有必要的．为此，设计制作了小型风光互补发电演示装置．该装置很好地实现了小型化、直观化、高度模块化、操作简便化的特点．在演示过程中，此装置能详尽生动地再现风力发电的整个过程，使学生清楚地认识到风力发电系统的组成、能量转换的原理和过程以及空气动力学相关知识，更能使学生深刻体会流体力学、电学、光学等综合知识在实际生活中的应用，这对学生的知识领悟与技能积淀都大有裨益，进一步使学生将理论知识和实际应用结合起来，达到很好的效果．

2 演示装置的工作原理

小型风光互补发电演示装置由风力发电机、太阳能光伏电池板、风光互补控制器、蓄电池、逆变器、交直流负载等部分组成，其实物图见图1．

2．1 风力发电部分

风力发电主要分为风力机和发电机两部分，核心动力装置就是风叶片部分，风力发电机叶片部分的工作效率可根据得出．其中P为叶片发电功率；v为额定风速，即无限远来流速度；D为风轮直径；CP是功率系数．

图1 小型风光互补发电演示装置

叶片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量，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1 m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］．

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

式中，m为单位时间内流过风轮截面的空气质量，E为单位时间风轮接收的动能．由（2）～（4）式，以及E可以看成v2的函数，求其导数并使之为零得

得到风轮可能吸收到的最大风能为

式（7）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6．6 m／s．

叶片的理论计算参量确定后，结合实验需要和演示目的，选用的叶片参量如下：中心桨距50 cm，起动风速约7 m／s，发电功率约50 W．

2．2 太阳能发电部分

太阳能光伏电池简称光伏电池，是把太阳光能直接转化为电能的重要元件，在日常生活、工业工程中应用十分广泛．其工作原理为PN结的光生伏特效应，即：PN结在光照下产生电子与空穴，并分别集中于N区与P区，导致N区与P区之间的薄层产生光生伏特电动势，进而加以利用．

该装置利用到光伏电池的特性与工作方式进行工作．在光照强度稳定时，光伏电池产生的光生电流Iph基本不变，所以在等效电路中可将其视作恒流源．负载R的接入，就会使电路闭合从而产生电流，负载两端也因此产生电压V．光伏电池本身就是一个PN结，基本特性与二极管类似，所以负载端电压反作用于光伏电池本身，产生与光生电流方向相反的电流Id，如图2所示．

图2 太阳能光伏电池等效电路

在日照强度和温度不变时，光伏电池的I－V特性曲线如图3所示，其中I，V分别为输出电流和电压．图中Voc为开路电压，Isc为短路电流，Vm为最佳工作电压，Im为最佳工作电流，Pm为最佳工作功率，M点为最大功率点．

图3 太阳能电池光伏特性曲

由图3可知输出电流I在大部分工作电压范围内相当稳定，仅当电压升高到足够高的值后，电流会迅速下降至零．在工程应用中，光伏电池的额定功率定义为在太阳能辐射通量为1 000 W／m2，环境温度为25℃时光伏电池输出的最大功率．考虑到单晶硅电池转化效率最高，选其作为本实验装置的光电转换的单元器件．

在实际应用中，单体太阳能电池的工作电流一般为20 m A／cm2，工作电压也不是很高，仅为0．45～0．5 V．因此单体太阳能电池通常不能单独使用，需将众多单体太阳能电池串联或并联起来并封装，形成有一定电性能的太阳能电池组件．因此，将多个单晶硅光伏太阳能电池板连缀成块，组成额定功率为30 W左右的太阳能光伏发电组，并将4个这样的组件串联固定在支架上形成光伏阵列，来实现光电的有效转换．

2．3 控制系统

控制系统是实验装置的核心模块，它实现了对光电转换、风电转换、信息显示以及电路保护的重要控制功能．其硬件电路可以分为电力主电路以及控制电路两大部分，结构示意图如图4所示．控制系统的核心为单片机，单片机通过相应的外围电路来控制相应的功能模块，从而保障整个实验装置平稳工作．单片机完成了电压检测、电流检测、保护电路、驱动电路的控制、显示电路的输出等的一系列功能．图5和图6则分别为控制系统在风电、光电转换发电部分的电路示意图．

图4 控制电路

图5 风电转换部分控制

图6 光电转换部分控制系统

此外，在设计控制系统时，实现了电路保护功能，保障了实验装置能量转换、电能利用的安全、可靠与高效．我们利用的控制器采用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．

2．4 辅助功能模块系统

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．本实验装置的蓄电池是12 A，20 V的铅酸蓄电池．由于直流－交流输出的转变，选用逆变器是利用电子元件对直流电进行开关使之变为交流电，然后用变压器升压的功能．实验装置的PWM逆变器额定功率为300 W，电流为0．9 A，输入直流电压范围为10～15 V，输出正弦交流电，电压为（230±10）V，效率在80%以上．

3 结束语

该设计制作的小型风光互补发电演示装置，侧重于再现风光互补发电的全过程，直观清晰地显示发电过程中风速、太阳光照度等参量对于发电效率的影响，同时融入了直流－交流转化、电流控制等重要的实用技术，使学生在体会丰富的物理专业知识的同时，能够得到更多有关技术实用与工程设计方面的收获，并注重培养其知识迁移与综合运用的能力，此外，此实验装置原理简明扼要，便于拆装，工作稳定、可靠，能源利用多样化，转化效率高，同样具有实用价值．

［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）：115．

［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，2009，25（6）：244－248．

［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）：175－178．

［4］ 倪受元．风力机的工作原理和气动力特性［J］．太阳能，2000（3）：12－16．