中央空調排風及太陽能互補發電研究

隨著科技進步及高科技產物的呈現，在當今石化能源日趨緊張的時代，利用風資源和太陽能發電廣泛受到重視。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字樓里，不妨利用耗電大的中央空調排風資源和充裕的太陽光來實現風光互補發電，并以蓄電池組作為儲能設備，確保長期穩定的輸出電能，以備自然資源不能滿足負荷時使用。
1 中央空調排風及太陽能互補發電依據的基本原理
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，根據流體力學的流體連續性原理可知，流過截面積S 的流體與其流速V 之間有如下關系：

式(1)中，S1 為過流斷面1 的面積，m2；V1 為過流斷面1的流速，m3/s；S2 為過流斷面2 的面積，m2；V2 為過流斷面2 的流速，m3/s。
要使風速提高1 倍，可將通風的截面積縮小一半。假如建成一個喇叭口型的通風道，進口端的截面積是出口端的截面積的n 倍，那么出口端的風速將會是進口端的自然風速的n 倍。
1.2 太陽能光伏發電基本原理
太陽能電池的原理是基于半導體的光生伏應將太陽能直接轉換為電能，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，電子在半導體材料中移動產生了電流。光生伏應簡稱光伏效應，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，稱為PN 結）的結電流，其表達式為：

式(2)中，I0 為光伏電池在無光照時的飽和電流，A，主要與半導體的材料因數有關；q 為電子電荷，1.6×10- 19C；E 為光伏電的電動勢，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
控制器是對風光互補發電系統所產生的電能進行調節和控制，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對蓄電池進行充電，當所發電能不能滿足負載需要時，控制器又會把蓄電池的電能送往負載。蓄電池充滿電后，控制器要控制蓄電池不被過充；當蓄電池所儲存的電能放完時，控制器要控制蓄電池不能被過放電，保護蓄電池。
1.4 蓄電池原理
蓄電池工作原理是：充電時利用外部的電能使內部活性物質再生，把電能儲存為化學能，需要放電時再次把化學能轉換為電能輸出。蓄電池容量的選擇一般要遵循以下原則：首先在能滿足夜晚照明的前提下，把白天太陽能電池組件的能量盡量存儲下來，同時還要能存儲滿足連續陰雨天夜晚照明需要的電能。蓄電池容量過小不能滿足夜晚照明的需要；蓄電池過大，一方面蓄電池始終處在虧電狀態，影響蓄電池壽命，同時造成浪費。
2 中央空調排風及太陽能互補發電系統的技術方案
2.1 中央空調排風及太陽能互補發電系統的配置
中央空調排風及太陽能互補發電系統（見圖1），包括中央空調組排風口、喇叭形風能收集器、風力發電機組、增速器、光伏電池組件、電壓電流檢測、光照傳感器、風光互補控制器、蓄電池、逆變器和負載等。

圖1 整體結構示意圖
詳見圖1，喇叭形風能收集器設置在中央空調組排風口且大口正向迎中央空調的排風，并設計成封閉式結構；風力發電機組位于喇叭形風能收集器的小口端，利用圍封的設計可使風力流經該處時加以集中進而加快風速，提升各個風力發電機產生的電能。增速機位于風力發電機組中，大齒輪套小齒輪、一頭低速端一頭高速端，再通過變速箱高速帶動發電機發電。電能輸入至風光互補控制器中。
光伏電池組件在太陽光的照射下，產生的電能經電壓電流檢測之后輸入至風光互補控制器。太陽能發電裝置中的光照傳感器，通過巧妙的設計使得太陽能電池板始終朝向光強大的方向，達到自動跟蹤的效果。
風光互補控制器是中央空調排風發電和太陽能發電的充放電控制器，可控制多路風能和太陽能電池方陣對蓄電池充電。蓄電池可儲存在中央空調開啟使用時風力發電機組的電能及有光照時太陽能電池板所發出的電能，到需要時再釋放出來。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 中央空調排風及太陽能互補發電系統的分析和實施
2.2.1 中央空調排風發電裝置的分析
中央空調排風發電系統中，喇叭形風能收集器置于中央空調組的強力排風后且大口正向迎空調排風，根據根據流體力學的流體連續性原理見式(1)，要使風速提高n 倍，可將通風的截面積縮小n 倍。中央空調排風流入這個喇叭形風能收集器后，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，出口端的風速將增大至進口端的自然風速的n 倍。
這個喇叭形風能收集器的縱截面，可設計成雙曲線母線構成的光滑曲面，可做成整圓形或非整圓形且是封閉的，可單個或多個組成陣列使用，這樣使風力在管道內流動聚焦時的能量損失小，其規律符合流體的連續性理論。這個也是整個系統新穎性的關鍵所在。
風力發電機組位于喇叭形風能收集器的小口端，利用圍封的設計 （見圖 2）可使風力流經該處時加以集中，進而加快風速，使下一個風力發電機能快速轉動。依次類推，從而可更充分利用中央空調排風的風能來提升各個風力發電機產生的電能。風力發電機組是將風葉固定在帶有增速器的發電機主軸上，當中央空調排風產生的風力推動風葉，帶動發電機的主軸旋轉時，切割磁場產生電能。位于風力發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，進而扭矩增大，再通過變速箱變速使得主軸加速旋轉，帶動發電機發電，電能輸出至風光互補控制器。

圖2 圍封的設計
2.2.2 太陽能發電裝置的分析
在太陽能發電裝置中，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追蹤太陽并產生電能，經電壓電流檢測之后輸出至風光互補控制器。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化了系統結構，可無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鍵之一（見圖3），利用控制電機W1 連接和電池板固定在一塊的傳動桿L1，通過電機帶動電池板來追蹤太陽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，通過螺母Q 沿著絲桿L2 上下移動，可使電池板的一端上下運動，來追蹤太陽在垂直方向的變化，使得太陽能電池組件始終朝向光強大的方向，達到自動跟蹤的效果。

圖3 光照傳感器設計
2.2.3 風光互補控制器的分析
風光互補控制器是充放電控制器，也這個系統的核心，主要由DC- DC 變換器（直流電路中將一個電壓值的電能變為另一個電壓值的電能的裝置） 和MPPT 控制器（大功率點跟蹤太陽能控制器） 組成。它不僅對中央空調排風發電輸出的不穩定交流電和太陽能電池方陣產生的不穩定直流電都轉換成穩定直流電后輸出給蓄電池，并控制多路風能和太陽能發電輸出時對蓄電池的充電控制，同時也控制蓄電池的放電過程。這個風光控制器對風力發電的控制，主要是對在風力發電系統中大功率、負載功率和超速保護的控制?？刂破骺蓪崿F大功率追蹤，可實現對風力發電機組中的磁電限速保護控制，可在機組發電過功率時，給發電機提供反向轉矩，從而降低風力發電機組的轉速。
這個風光控制器對太陽能發電的控制，主要是根據光照條件，通過大功率追蹤控制，使太陽能電池組盡可能多地捕獲光能，保證整個系統工作的連續性和穩定性。
2.2.4 儲能裝置部分的分析
在這個風光互補發電系統中，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，將中央空調使用時產生風能發電及有光照時太陽能電池板發電輸出的電能轉化成直流電儲存起來，到需要時再加以釋放，并調節和控制整個供電系統的穩定。由于風力發電和太陽能發電是2 個獨立的發電系統，通過蓄電池的調節可使兩者更好結合，成為更優越的供電系統。
逆變器是由1 臺或幾臺逆變器組成，具有自動穩壓作用，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。它可改善風光互補發電系統的供電質量。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 互補發電系統的具體實施
中央空調排風及太陽能互補發電系統的具體實施：當中央空調組使用時產生的風能流入喇叭形風能收集器，由于其面積的收縮，流速隨之加大，流經喇叭形風能收集器的后端管道時風速加大。而后端管道內裝有多個帶增速器的風葉風力發電機組，風能推動風葉帶動發電機的主軸旋轉時，切割磁場產生電能。依次類推，圍封的設計可使下一個風力發電機能更快速地轉動。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，進而扭矩增大，再通過變速箱變速使得主軸加速旋轉，帶動發電機發電，電能輸出至風光互補控制器。當太陽高照時，帶有光照傳感器的光伏電池組件可主動追蹤太陽光并產生電能，經電壓電流檢測之后輸出至風光互補控制器。經過風光控制器的電能給蓄電池充電，給負載供電。
3 結語
利用高層寫字樓頂上耗電大的大型中央空調的排風資源和充裕的太陽光，來實現風能及太陽能互補發電，之后通過控制系統給蓄電池充電，再提供給負載使用的這樣一個小型發電系統。充分利用廢置的中央空調排風資源和太陽能自然資源的互補性，兩者具有的匹配性，同時對環境無污染，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保，值得深入研究和推廣。