俞鹤 夏林 程乐 杨森林 卢承领 杨旭 韩文晨
（皖西学院电气与光电工程学院，安徽省 六安市 237012）
摘要: 本设计包括叶片、微型滑台、光电开关、风信号检测装置、竖直支撑架、太阳能集热板、变向引风器、定向引风器、发电机、底座、传动轴、加热套筒和变向引风器轴。竖直支撑架均布于底座上，顶端中间位置与调风器连接。发电机固定在装置的底部。传动轴的下端与发电机连接，并穿过加热套筒，上端与叶片连接。竖直支撑架的上部安装有若干次太阳能集热板，下部安装有若干层变向引风器通过变向引风器轴安装在两个相邻的竖直支撑架之间，变向引风器由固定的定向引风叶片与可调节的变向引风叶片组成，变向引风器轴底部与微型滑台相连接。太阳能集热板安装在两个相邻的竖直支撑架之间，太阳能集热板与加热套筒连接。具有协同发电的作用
关键词： 风力发电，太阳能发电，协同，发电装置
1.前言
在工程实际中，常见的是那些塔很高，扇叶很大的水平风力发电装置，但是这种装置一般只适用在风力资源相对丰富，建筑密度相对较小的地方，比如：山区、空旷平原、西部地区。而对于风力资源不算丰富，建筑密度较大的城市地区，对电量的需求会比较大，通常情况是通过西电东输工程来缓解这个用电量大的问题，但是电的远距离输送会有很高的成本代价，现在，如果能够在城市中进行发电而且并入电网，这样就能够有效缓解部分地区用电量大与远距离输电成本高的问题。
2.风能与太阳能协同设计
传统水平风力发电装置的叶片面积很大，而且多数都会配备有偏航装置，这就意味着在较大的叶片面积基础上旋转，这样整体的空间占用率就会大大增加。在城市这种空间资源相对昂贵且贫乏的地方，这种风电装置无法安装。为了解决这个问题，将风力发电装置设计成塔状结构，塔体的周围均有喇叭状的集风口，实现了在不使用偏航装置的情况下可以对各个方向风能资源的收集。
在确定了塔状结构之后，便对喇叭状集风装置完成了设计安装，将所有的风收集起来汇集到塔中心的一个集风通道，在塔上半段部分，为了保证风能有效吹动叶片旋转，将集风通道做成筒状结构，在这一部分就不能安装喇叭状集风装置。为了更好利用这部分资源，考虑到是在靠近塔顶的地方，位置相对较高，可以考虑引入光电系统，对太阳能进行收集利用。初步选定光伏发电装置，但是光伏发电装置的效率较低而且成本过高，故不适合使用。进一步对文献的检索发现国外的太阳能烟囱发电系统：它通过蓄热层对太阳光短波辐射进行吸收，导致这部分的温度迅速提升，加热集热棚中的空气，这部分空气吸收热量后，温度迅速升高，致使其密度降低，与外界环境的空气形成密度差，从而形成内外压力差，这里的烟囱起到了负压管的作用，加大了系统内外的压力差，形成了很强的上升气流，在该气流的作用下，驱动底部中央的空气涡轮发电机组进行发电。基于这个原理，本产品在靠近塔顶部分安装太阳能集热板，根据相关文献对太阳能板倾角的研究结论：北京与天津地区太阳能板安装的最佳倾角为 39.9°，并以此倾角安装太阳能集热板。
3.自动调节风速装置设计
在对整体结构分析讨论的过程发现，喇叭状集风装置进风口和出风口的过流面积比例是一定的，即对风速放大的倍数是一定的，当风速较小时，对风速进行放大，从而带动扇叶旋转，降低发电装置的启动风速，但是当风速较大时，如果还采用此时的放大倍数，利用文丘里效应会损失一部分的风能，降低风能利用效率。简单来说，风速较小时，放大倍数要大，而风速较大时，放大倍数要适当的减少。因此为了有效利用风能资源，对产品结构进行调整，集风叶片主要由五个扇形叶片组成，现在将第二片和第四片（从下往上数）做成是可调节的，实现风大下降风小上升。将两层可调节的叶片分成了四部分（即 360 度的叶片分成 4 个 90 度叶片），每一部分的叶片由一个丝杠滑台控制其上下动。当有风时，在叶片下安装的码盘就会检测当前叶片转速并以此来判断风速等级，码盘将检测到的风速信息实时传输到控制器部分，由控制部分控制丝杠滑台上下滑动来调节变向引风轴上下位移的距离，从而调节喇叭状集风器的开口角度（即实现风速放大倍数的调节）。因为一般情况下自然风只会从一个方向吹过来，所以当一个方向有风时，只需要这个方向的叶片进行调节，其他方向的叶片并不需要调节（既保持静止），对于这个特点，为四个方向分别安装了风力检测装置，有风吹来时，此装置检测到风信号，回路接通，此方向的丝杠滑台会根据光电开关检测到的风速信息进行上下调节，这样便有效的实现从自动检测风向到自动调节风速放大倍数的功能。
.png)
图1 产品设计结构图
4.产品优点
通过设计，产品优势如下;（1）体积小适用于城市。传统水平风力发电机是针对风力资源丰富的环境设计出来的，其大多数安装在风力资源相对充足的地区，如山顶，空旷平原等地区。而对于人口、高楼相对密集，用电量巨大的城市地区而言，风力资源以及空间资源相对匮乏，传统水平风力发电机无法很好地应用于该地区，所以此产品可以很好地适用这种环境，实现在城市地区发电，很好地解决了电力远距离运输的问题。（2）风热混合发电。传统的风力发电装置或者光伏太阳能发电板，利用的是单一的风能或者是太阳能，而且现在应用比较广泛的光伏太阳能发电板的发电效率只有 15%左右，这效率是很低的，本产品没有采用传统的光伏发电，而是改用太阳能集热板来实现对太阳能的吸收，其原理利用了太阳能烟囱效应，此效应的理论太阳能利用效率在 15%~37%，可实现对单一风力发电效果的放大，更加高效的混合利用城市中的风能和太阳能资源。（3）自适应采集风能。本产品是一种塔状结构，来自各个方向的风都能通过喇叭状的集风口进入塔体中间通风通道，充分利用环境中的各个方向风力资源。在变向引风器集风的过程中用到了文丘里效应，为了更好地利用该效应，此部分加入了自动控制系统，能够自动的感知风向以及风力大小，以此来调节引风叶片的倾斜角度，可使不同风速大小的风力资源得到高效利用。
参考文献：
[1]蒋忠颖.分布式发电技术与智能电网技术的协同发展趋势[J].通信电源技术,2020,37(04):260-261+264.
[2]张庆晖,吴杰康,莫超,吴帆,唐惠玲,陈灵敏.大规模光伏发电配电网电压和无功协同控制的混合整数二阶锥规划方法[J].黑龙江电力,2020,42(01):11-16.
[3]薛江.火力发电布置设计协同方式[J].工程建设与设计,2020(03):73-75.
[4]刘威.智能电网技术和分布式发电技术协同发展探讨[J].中国设备工程,2020(03):237-238.
[5]郝晓弘,王明君,马明,周强,汪宁渤.风力发电与电动汽车充放电协同优化调度策略[J].自动化与仪表,2020,35(01):86-90.
[6]栾芳芳,张玮.分布式发电技术与智能电网技术的协同发展形势[J].广西农业机械化,2019(05):25.
[7]刘吉成,韦秋霜,黄骏杰,李颖欢,于晶.基于区间二型模糊TOPSIS的风储联合发电系统协同决策研究[J].技术经济,2019,38(05):110-116.
[8]徐杰彦,裴冠荣,张薇,何楠.基于源网荷协同的发电能力提升初探[J].电子技术与软件工程,2019(05):224-226.