中央空調排風(fēng)及太陽(yáng)能互補發(fā)電研究

隨著(zhù)科技進(jìn)步及高科技產(chǎn)物的呈現，在當今石化能源日趨緊張的時(shí)代，利用風(fēng)資源和太陽(yáng)能發(fā)電廣泛受到重視。由于這兩者受地理分布、季節變化和晝夜交替等因素影響，穩定性不強，但在時(shí)間和地域上具有很好的互補性和獨立性。例如在整幢大型高層寫(xiě)字樓里，不妨利用耗電大的中央空調排風(fēng)資源和充裕的太陽(yáng)光來(lái)實(shí)現風(fēng)光互補發(fā)電，并以蓄電池組作為儲能設備，確保長(cháng)期穩定的輸出電能，以備自然資源不能滿(mǎn)足負荷時(shí)使用。
1 中央空調排風(fēng)及太陽(yáng)能互補發(fā)電依據的基本原理
1.1 空氣流的連續性原理
低速空氣流是連續的、不可壓縮的，根據流體力學(xué)的流體連續性原理可知，流過(guò)截面積S 的流體與其流速V 之間有如下關(guān)系：

式(1)中，S1 為過(guò)流斷面1 的面積，m2；V1 為過(guò)流斷面1的流速，m3/s；S2 為過(guò)流斷面2 的面積，m2；V2 為過(guò)流斷面2 的流速，m3/s。
要使風(fēng)速提高1 倍，可將通風(fēng)的截面積縮小一半。假如建成一個(gè)喇叭口型的通風(fēng)道，進(jìn)口端的截面積是出口端的截面積的n 倍，那么出口端的風(fēng)速將會(huì )是進(jìn)口端的自然風(fēng)速的n 倍。
1.2 太陽(yáng)能光伏發(fā)電基本原理
太陽(yáng)能電池的原理是基于半導體的光生伏應將太陽(yáng)能直接轉換為電能，由半導體材料組成的光生單元吸收后將電子從原子中釋放出來(lái)，電子在半導體材料中移動(dòng)產(chǎn)生了電流。光生伏應簡(jiǎn)稱(chēng)光伏效應，是指光照使不均勻半導體或半導體與金屬組合的不同部位之間產(chǎn)生電位差的現象。
ID （二極管電流） 為PN 結（P 型半導體與N 型半導體制作片的交界面就形成空間電荷區，稱(chēng)為PN 結）的結電流，其表達式為：

式(2)中，I0 為光伏電池在無(wú)光照時(shí)的飽和電流，A，主要與半導體的材料因數有關(guān)；q 為電子電荷，1.6×10- 19C；E 為光伏電的電動(dòng)勢，V；A 為二極管理想常數，取1；K 為玻爾茲曼常數，1.38×10- 23 J/K；T 為溫度，K。
1.3 控制器原理
控制器是對風(fēng)光互補發(fā)電系統所產(chǎn)生的電能進(jìn)行調節和控制，一方面把調整后的能量送往直流負載或交流負載，另一方面把多余的能量按蓄電池組的特性曲線(xiàn)對蓄電池進(jìn)行充電，當所發(fā)電能不能滿(mǎn)足負載需要時(shí)，控制器又會(huì )把蓄電池的電能送往負載。蓄電池充滿(mǎn)電后，控制器要控制蓄電池不被過(guò)充；當蓄電池所儲存的電能放完時(shí)，控制器要控制蓄電池不能被過(guò)放電，保護蓄電池。
1.4 蓄電池原理
蓄電池工作原理是：充電時(shí)利用外部的電能使內部活性物質(zhì)再生，把電能儲存為化學(xué)能，需要放電時(shí)再次把化學(xué)能轉換為電能輸出。蓄電池容量的選擇一般要遵循以下原則：首先在能滿(mǎn)足夜晚照明的前提下，把白天太陽(yáng)能電池組件的能量盡量存儲下來(lái)，同時(shí)還要能存儲滿(mǎn)足連續陰雨天夜晚照明需要的電能。蓄電池容量過(guò)小不能滿(mǎn)足夜晚照明的需要；蓄電池過(guò)大，一方面蓄電池始終處在虧電狀態(tài)，影響蓄電池壽命，同時(shí)造成浪費。
2 中央空調排風(fēng)及太陽(yáng)能互補發(fā)電系統的技術(shù)方案
2.1 中央空調排風(fēng)及太陽(yáng)能互補發(fā)電系統的配置
中央空調排風(fēng)及太陽(yáng)能互補發(fā)電系統（見(jiàn)圖1），包括中央空調組排風(fēng)口、喇叭形風(fēng)能收集器、風(fēng)力發(fā)電機組、增速器、光伏電池組件、電壓電流檢測、光照傳感器、風(fēng)光互補控制器、蓄電池、逆變器和負載等。

圖1 整體結構示意圖
詳見(jiàn)圖1，喇叭形風(fēng)能收集器設置在中央空調組排風(fēng)口且大口正向迎中央空調的排風(fēng)，并設計成封閉式結構；風(fēng)力發(fā)電機組位于喇叭形風(fēng)能收集器的小口端，利用圍封的設計可使風(fēng)力流經(jīng)該處時(shí)加以集中進(jìn)而加快風(fēng)速，提升各個(gè)風(fēng)力發(fā)電機產(chǎn)生的電能。增速機位于風(fēng)力發(fā)電機組中，大齒輪套小齒輪、一頭低速端一頭高速端，再通過(guò)變速箱高速帶動(dòng)發(fā)電機發(fā)電。電能輸入至風(fēng)光互補控制器中。
光伏電池組件在太陽(yáng)光的照射下，產(chǎn)生的電能經(jīng)電壓電流檢測之后輸入至風(fēng)光互補控制器。太陽(yáng)能發(fā)電裝置中的光照傳感器，通過(guò)巧妙的設計使得太陽(yáng)能電池板始終朝向光強大的方向，達到自動(dòng)跟蹤的效果。
風(fēng)光互補控制器是中央空調排風(fēng)發(fā)電和太陽(yáng)能發(fā)電的充放電控制器，可控制多路風(fēng)能和太陽(yáng)能電池方陣對蓄電池充電。蓄電池可儲存在中央空調開(kāi)啟使用時(shí)風(fēng)力發(fā)電機組的電能及有光照時(shí)太陽(yáng)能電池板所發(fā)出的電能，到需要時(shí)再釋放出來(lái)。逆變器可將儲存在蓄電池中的直流電能轉換成交流電能，供負載使用。
2.2 中央空調排風(fēng)及太陽(yáng)能互補發(fā)電系統的分析和實(shí)施
2.2.1 中央空調排風(fēng)發(fā)電裝置的分析
中央空調排風(fēng)發(fā)電系統中，喇叭形風(fēng)能收集器置于中央空調組的強力排風(fēng)后且大口正向迎空調排風(fēng)，根據根據流體力學(xué)的流體連續性原理見(jiàn)式(1)，要使風(fēng)速提高n 倍，可將通風(fēng)的截面積縮小n 倍。中央空調排風(fēng)流入這個(gè)喇叭形風(fēng)能收集器后，由于其面積的收縮，流速隨之加大，當出口端的截面積縮小n 倍，出口端的風(fēng)速將增大至進(jìn)口端的自然風(fēng)速的n 倍。
這個(gè)喇叭形風(fēng)能收集器的縱截面，可設計成雙曲線(xiàn)母線(xiàn)構成的光滑曲面，可做成整圓形或非整圓形且是封閉的，可單個(gè)或多個(gè)組成陣列使用，這樣使風(fēng)力在管道內流動(dòng)聚焦時(shí)的能量損失小，其規律符合流體的連續性理論。這個(gè)也是整個(gè)系統新穎性的關(guān)鍵所在。
風(fēng)力發(fā)電機組位于喇叭形風(fēng)能收集器的小口端，利用圍封的設計 （見(jiàn)圖 2）可使風(fēng)力流經(jīng)該處時(shí)加以集中，進(jìn)而加快風(fēng)速，使下一個(gè)風(fēng)力發(fā)電機能快速轉動(dòng)。依次類(lèi)推，從而可更充分利用中央空調排風(fēng)的風(fēng)能來(lái)提升各個(gè)風(fēng)力發(fā)電機產(chǎn)生的電能。風(fēng)力發(fā)電機組是將風(fēng)葉固定在帶有增速器的發(fā)電機主軸上，當中央空調排風(fēng)產(chǎn)生的風(fēng)力推動(dòng)風(fēng)葉，帶動(dòng)發(fā)電機的主軸旋轉時(shí)，切割磁場(chǎng)產(chǎn)生電能。位于風(fēng)力發(fā)電機組主軸中的增速器的設計，是大齒輪套小齒輪、一頭低速端一頭高速端，進(jìn)而扭矩增大，再通過(guò)變速箱變速使得主軸加速旋轉，帶動(dòng)發(fā)電機發(fā)電，電能輸出至風(fēng)光互補控制器。

圖2 圍封的設計
2.2.2 太陽(yáng)能發(fā)電裝置的分析
在太陽(yáng)能發(fā)電裝置中，由于光照傳感器的設置在光伏電池組件上，利用光伏電池組件可主動(dòng)追蹤太陽(yáng)并產(chǎn)生電能，經(jīng)電壓電流檢測之后輸出至風(fēng)光互補控制器。其中的電壓電流檢測的設計可避免數模轉換器等引起的能量消耗并簡(jiǎn)化了系統結構，可無(wú)損耗地將電流信號轉換為電壓信號。
光照傳感器的設計又是系統新穎性關(guān)鍵之一（見(jiàn)圖3），利用控制電機W1 連接和電池板固定在一塊的傳動(dòng)桿L1，通過(guò)電機帶動(dòng)電池板來(lái)追蹤太陽(yáng)在水平方向上的變化；利用控制電機W2 連接絲桿L2，在固定W2的條件下，通過(guò)螺母Q 沿著(zhù)絲桿L2 上下移動(dòng)，可使電池板的一端上下運動(dòng)，來(lái)追蹤太陽(yáng)在垂直方向的變化，使得太陽(yáng)能電池組件始終朝向光強大的方向，達到自動(dòng)跟蹤的效果。

圖3 光照傳感器設計
2.2.3 風(fēng)光互補控制器的分析
風(fēng)光互補控制器是充放電控制器，也這個(gè)系統的核心，主要由DC- DC 變換器（直流電路中將一個(gè)電壓值的電能變?yōu)榱硪粋€(gè)電壓值的電能的裝置） 和MPPT 控制器（大功率點(diǎn)跟蹤太陽(yáng)能控制器） 組成。它不僅對中央空調排風(fēng)發(fā)電輸出的不穩定交流電和太陽(yáng)能電池方陣產(chǎn)生的不穩定直流電都轉換成穩定直流電后輸出給蓄電池，并控制多路風(fēng)能和太陽(yáng)能發(fā)電輸出時(shí)對蓄電池的充電控制，同時(shí)也控制蓄電池的放電過(guò)程。這個(gè)風(fēng)光控制器對風(fēng)力發(fā)電的控制，主要是對在風(fēng)力發(fā)電系統中大功率、負載功率和超速保護的控制?？刂破骺蓪?shí)現大功率追蹤，可實(shí)現對風(fēng)力發(fā)電機組中的磁電限速保護控制，可在機組發(fā)電過(guò)功率時(shí)，給發(fā)電機提供反向轉矩，從而降低風(fēng)力發(fā)電機組的轉速。
這個(gè)風(fēng)光控制器對太陽(yáng)能發(fā)電的控制，主要是根據光照條件，通過(guò)大功率追蹤控制，使太陽(yáng)能電池組盡可能多地捕獲光能，保證整個(gè)系統工作的連續性和穩定性。
2.2.4 儲能裝置部分的分析
在這個(gè)風(fēng)光互補發(fā)電系統中，如圖1 所示中的儲能裝置包括蓄電池和逆變器。其中蓄電池起到能量調節和平衡負載兩大作用，將中央空調使用時(shí)產(chǎn)生風(fēng)能發(fā)電及有光照時(shí)太陽(yáng)能電池板發(fā)電輸出的電能轉化成直流電儲存起來(lái)，到需要時(shí)再加以釋放，并調節和控制整個(gè)供電系統的穩定。由于風(fēng)力發(fā)電和太陽(yáng)能發(fā)電是2 個(gè)獨立的發(fā)電系統，通過(guò)蓄電池的調節可使兩者更好結合，成為更*的供電系統。
逆變器是由1 臺或幾臺逆變器組成，具有自動(dòng)穩壓作用，將儲存在蓄電池中的直流電轉換成標準的220V 交流電并能供負載使用。它可改善風(fēng)光互補發(fā)電系統的供電質(zhì)量。逆變器要具有合理的電路結構，具備各種保護功能，這樣整機的效率高，輸出的電壓波形的失真度就小[6]。
2.2.5 互補發(fā)電系統的具體實(shí)施
中央空調排風(fēng)及太陽(yáng)能互補發(fā)電系統的具體實(shí)施：當中央空調組使用時(shí)產(chǎn)生的風(fēng)能流入喇叭形風(fēng)能收集器，由于其面積的收縮，流速隨之加大，流經(jīng)喇叭形風(fēng)能收集器的后端管道時(shí)風(fēng)速加大。而后端管道內裝有多個(gè)帶增速器的風(fēng)葉風(fēng)力發(fā)電機組，風(fēng)能推動(dòng)風(fēng)葉帶動(dòng)發(fā)電機的主軸旋轉時(shí)，切割磁場(chǎng)產(chǎn)生電能。依次類(lèi)推，圍封的設計可使下一個(gè)風(fēng)力發(fā)電機能更快速地轉動(dòng)。由于增速器的設計，是大齒輪套小齒輪、一頭低速端一頭高速端，進(jìn)而扭矩增大，再通過(guò)變速箱變速使得主軸加速旋轉，帶動(dòng)發(fā)電機發(fā)電，電能輸出至風(fēng)光互補控制器。當太陽(yáng)高照時(shí)，帶有光照傳感器的光伏電池組件可主動(dòng)追蹤太陽(yáng)光并產(chǎn)生電能，經(jīng)電壓電流檢測之后輸出至風(fēng)光互補控制器。經(jīng)過(guò)風(fēng)光控制器的電能給蓄電池充電，給負載供電。
3 結語(yǔ)
利用高層寫(xiě)字樓頂上耗電大的大型中央空調的排風(fēng)資源和充裕的太陽(yáng)光，來(lái)實(shí)現風(fēng)能及太陽(yáng)能互補發(fā)電，之后通過(guò)控制系統給蓄電池充電，再提供給負載使用的這樣一個(gè)小型發(fā)電系統。充分利用廢置的中央空調排風(fēng)資源和太陽(yáng)能自然資源的互補性，兩者具有的匹配性，同時(shí)對環(huán)境無(wú)污染，運行維護成本低，供電可靠性高，真正可以做到資源綠色節能環(huán)保，值得深入研究和推廣。