中央空调排风及太阳能互补发电研究

随着科技进步及高科技产物的呈现，在当今石化能源日趋紧张的时代，利用风资源和太阳能发电广泛受到重视。由于这两者受地理分布、季节变化和昼夜交替等因素影响，稳定性不强，但在时间和地域上具有很好的互补性和独立性。例如在整幢大型高层写字楼里，不妨利用耗电最大的中央空调排风资源和充裕的太阳光来实现风光互补发电，并以蓄电池组作为储能设备，确保长期稳定的输出电能，以备自然资源不能满足负荷时使用。
1 中央空调排风及太阳能互补发电依据的基本原理
1.1 空气流的连续性原理
低速空气流是连续的、不可压缩的，根据流体力学的流体连续性原理可知，流过截面积S 的流体与其流速V 之间有如下关系：

式(1)中，S1 为过流断面1 的面积，m2；V1 为过流断面1的流速，m3/s；S2 为过流断面2 的面积，m2；V2 为过流断面2 的流速，m3/s。
要使风速提高1 倍，可将通风的截面积缩小一半。假如建成一个喇叭口型的通风道，进口端的截面积是出口端的截面积的n 倍，那么出口端的风速将会是进口端的自然风速的n 倍。
1.2 太阳能光伏发电基本原理
太阳能电池的原理是基于半导体的光生伏特效应将太阳能直接转换为电能，由半导体材料组成的光生单元吸收后将电子从原子中释放出来，电子在半导体材料中移动产生了电流。光生伏特效应简称光伏效应，是指光照使不均匀半导体或半导体与金属组合的不同部位之间产生电位差的现象。
ID （二极管电流） 为PN 结（P 型半导体与N 型半导体制作片的交界面就形成空间电荷区，称为PN 结）的结电流，其表达式为：

式(2)中，I0 为光伏电池在无光照时的饱和电流，A，主要与半导体的材料因数有关；q 为电子电荷，1.6×10- 19C；E 为光伏电的电动势，V；A 为二极管理想常数，取1；K 为玻尔兹曼常数，1.38×10- 23 J/K；T 为绝对温度，K。
1.3 控制器原理
控制器是对风光互补发电系统所产生的电能进行调节和控制，一方面把调整后的能量送往直流负载或交流负载，另一方面把多余的能量按蓄电池组的特性曲线对蓄电池进行充电，当所发电能不能满足负载需要时，控制器又会把蓄电池的电能送往负载。蓄电池充满电后，控制器要控制蓄电池不被过充；当蓄电池所储存的电能放完时，控制器要控制蓄电池不能被过放电，保护蓄电池。
1.4 蓄电池原理
蓄电池工作原理是：充电时利用外部的电能使内部活性物质再生，把电能储存为化学能，需要放电时再次把化学能转换为电能输出。蓄电池容量的选择一般要遵循以下原则：首先在能满足夜晚照明的前提下，把白天太阳能电池组件的能量尽量存储下来，同时还要能存储满足连续阴雨天夜晚照明需要的电能。蓄电池容量过小不能满足夜晚照明的需要；蓄电池过大，一方面蓄电池始终处在亏电状态，影响蓄电池寿命，同时造成浪费。
2 中央空调排风及太阳能互补发电系统的技术方案
2.1 中央空调排风及太阳能互补发电系统的配置
中央空调排风及太阳能互补发电系统（见图1），包括中央空调组排风口、喇叭形风能收集器、风力发电机组、增速器、光伏电池组件、电压电流检测、光照传感器、风光互补控制器、蓄电池、逆变器和负载等。

图1 整体结构示意图
详见图1，喇叭形风能收集器设置在中央空调组排风口且大口正向迎中央空调的排风，并设计成封闭式结构；风力发电机组位于喇叭形风能收集器的小口端，利用围封的设计可使风力流经该处时加以集中进而加快风速，提升各个风力发电机产生的电能。增速机位于风力发电机组中，大齿轮套小齿轮、一头低速端一头高速端，再通过变速箱高速带动发电机发电。电能输入至风光互补控制器中。
光伏电池组件在太阳光的照射下，产生的电能经电压电流检测之后输入至风光互补控制器。太阳能发电装置中的光照传感器，通过巧妙的设计使得太阳能电池板始终朝向光强最大的方向，达到自动跟踪的效果。
风光互补控制器是中央空调排风发电和太阳能发电的充放电控制器，可控制多路风能和太阳能电池方阵对蓄电池充电。蓄电池可储存在中央空调开启使用时风力发电机组的电能及有光照时太阳能电池板所发出的电能，到需要时再释放出来。逆变器可将储存在蓄电池中的直流电能转换成交流电能，供负载使用。
2.2 中央空调排风及太阳能互补发电系统的分析和实施
2.2.1 中央空调排风发电装置的分析
中央空调排风发电系统中，喇叭形风能收集器置于中央空调组的强力排风后且大口正向迎空调排风，根据根据流体力学的流体连续性原理见式(1)，要使风速提高n 倍，可将通风的截面积缩小n 倍。中央空调排风流入这个喇叭形风能收集器后，由于其面积的收缩，流速随之加大，当出口端的截面积缩小n 倍，出口端的风速将增大至进口端的自然风速的n 倍。
这个喇叭形风能收集器的纵截面，可设计成双曲线母线构成的光滑曲面，可做成整圆形或非整圆形且是封闭的，可单个或多个组成阵列使用，这样使风力在管道内流动聚焦时的能量损失最小，其规律符合流体的连续性理论。这个也是整个系统新颖性的关键所在。
风力发电机组位于喇叭形风能收集器的小口端，利用围封的设计 （见图 2）可使风力流经该处时加以集中，进而加快风速，使下一个风力发电机能快速转动。依次类推，从而可更充分利用中央空调排风的风能来提升各个风力发电机产生的电能。风力发电机组是将风叶固定在带有增速器的发电机主轴上，当中央空调排风产生的风力推动风叶，带动发电机的主轴旋转时，切割磁场产生电能。位于风力发电机组主轴中的增速器的设计，是大齿轮套小齿轮、一头低速端一头高速端，进而扭矩增大，再通过变速箱变速使得主轴加速旋转，带动发电机发电，电能输出至风光互补控制器。

图2 围封的设计
2.2.2 太阳能发电装置的分析
在太阳能发电装置中，由于光照传感器的设置在光伏电池组件上，利用光伏电池组件可主动追踪太阳并产生电能，经电压电流检测之后输出至风光互补控制器。其中的电压电流检测的设计可避免数模转换器等引起的能量消耗并最大程度简化了系统结构，可无损耗地将电流信号转换为电压信号。
光照传感器的设计又是系统新颖性关键之一（见图3），利用控制电机W1 连接和电池板固定在一块的传动杆L1，通过电机带动电池板来追踪太阳在水平方向上的变化；利用控制电机W2 连接丝杆L2，在固定W2的条件下，通过螺母Q 沿着丝杆L2 上下移动，可使电池板的一端上下运动，来追踪太阳在垂直方向的变化，使得太阳能电池组件始终朝向光强最大的方向，达到自动跟踪的效果。

图3 光照传感器设计
2.2.3 风光互补控制器的分析
风光互补控制器是充放电控制器，也这个系统的核心，主要由DC- DC 变换器（直流电路中将一个电压值的电能变为另一个电压值的电能的装置） 和MPPT 控制器（最大功率点跟踪太阳能控制器） 组成。它不仅对中央空调排风发电输出的不稳定交流电和太阳能电池方阵产生的不稳定直流电都转换成稳定直流电后输出给蓄电池，并控制多路风能和太阳能发电输出时对蓄电池的充电控制，同时也控制蓄电池的放电过程。这个风光控制器对风力发电的控制，主要是对在风力发电系统中最大功率、负载功率和超速保护的控制。控制器可实现最大功率追踪，可实现对风力发电机组中的磁电限速保护控制，可在机组发电过功率时，给发电机提供反向转矩，从而降低风力发电机组的转速。
这个风光控制器对太阳能发电的控制，主要是根据光照条件，通过最大功率追踪控制，使太阳能电池组尽可能多地捕获光能，保证整个系统工作的连续性和稳定性。
2.2.4 储能装置部分的分析
在这个风光互补发电系统中，如图1 所示中的储能装置包括蓄电池和逆变器。其中蓄电池起到能量调节和平衡负载两大作用，将中央空调使用时产生风能发电及有光照时太阳能电池板发电输出的电能转化成直流电储存起来，到需要时再加以释放，并调节和控制整个供电系统的稳定。由于风力发电和太阳能发电是2 个独立的发电系统，通过蓄电池的调节可使两者更好结合，成为更优越的供电系统。
逆变器是由1 台或几台逆变器组成，具有自动稳压作用，将储存在蓄电池中的直流电转换成标准的220V 交流电并能供负载使用。它可改善风光互补发电系统的供电质量。逆变器要具有合理的电路结构，具备各种保护功能，这样整机的效率高，输出的电压波形的失真度就小[6]。
2.2.5 互补发电系统的具体实施
中央空调排风及太阳能互补发电系统的具体实施：当中央空调组使用时产生的风能流入喇叭形风能收集器，由于其面积的收缩，流速随之加大，流经喇叭形风能收集器的后端管道时风速加大。而后端管道内装有多个带增速器的风叶风力发电机组，风能推动风叶带动发电机的主轴旋转时，切割磁场产生电能。依次类推，围封的设计可使下一个风力发电机能更快速地转动。由于增速器的设计，是大齿轮套小齿轮、一头低速端一头高速端，进而扭矩增大，再通过变速箱变速使得主轴加速旋转，带动发电机发电，电能输出至风光互补控制器。当太阳高照时，带有光照传感器的光伏电池组件可主动追踪太阳光并产生电能，经电压电流检测之后输出至风光互补控制器。经过风光控制器的电能给蓄电池充电，给负载供电。
3 结语
利用高层写字楼顶上耗电最大的大型中央空调的排风资源和充裕的太阳光，来实现风能及太阳能互补发电，之后通过控制系统给蓄电池充电，再提供给负载使用的这样一个小型发电系统。充分利用废置的中央空调排风资源和太阳能自然资源的互补性，两者具有最佳的匹配性，同时对环境无污染，运行维护成本低，供电可靠性高，真正可以做到资源绿色节能环保，值得深入研究和推广。