风光联合发电系统的制作方法

本发明属于新能源技术领域，具体涉及一种风光联合发电系统。

背景技术：

能源是经济发展和人民生活必须的重要物质基础。近年来随着化石能源的日趋紧缺和环境保护要求的日益提高，可再生、无污染的新能源的开发利用越来越受到重视，风力发电和太阳能发电都是典型的可再生能源发电技术，风光互补发电系统是利用风能和太阳能资源的互补性，是性价比较高的一种新型能源发电系统，具有很好的应用前景。如申请号为201420726077.2的专利公开了一种风力、光伏发电站，申请号为201510215838.7的专利公开了一种光伏风力发电机组，这些技术都涉及风力和太阳能联合发电。然而，目前已有技术存在如下问题：

(1)目前风力发电一般采用分散式水平轴风力发电机，占地面积大，单位造价高，经济性差；

(2)常规太阳能和风力联合发电，电厂布置困难，高大的风力发电装置会影响太阳能采光装置的采光，影响太阳能发电效率；

(3)常规太阳能和风力联合发电，不便于现场安装和检修；

(4)风向不稳导致常规水平轴风力发电机发电效率低，风速较小时不能发电。

技术实现要素：

本发明实施例涉及一种风光联合发电系统，至少可解决现有技术的部分缺陷。

本发明实施例涉及一种风光联合发电系统，包括发电塔，所述发电塔的塔体为多层式结构，且至少部分塔层为集风层；各所述集风层内均设有风力发电单元和多面导风壁，所述风力发电单元设于对应的所述集风层中央，各所述导风壁均竖直座设于对应的所述集风层的层板上，且自相邻的所述风力发电单元附近延伸至该层板外缘；每一所述集风层中，相邻两所述导风壁围设形成一外侧和内侧均开口的导风部，各所述导风部均自其外侧向其内侧方向逐渐收缩；于塔顶上及各所述集风层内均布置有光伏板组；每一所述集风层中，至少于该集风层的向阳侧的各所述导风部内设置有所述光伏板组；还包括能量储存系统，各所述风力发电单元的电能输出端口及各所述光伏板组的电能输出端口均与所述能量储存系统连接。

作为实施例之一，所述风力发电单元包括垂直轴磁悬浮风力发电机。

作为实施例之一，各所述导风部的风流入口与风流出口的面积之比均在2.7～9.8范围内。

作为实施例之一，设置有所述光伏板组的各所述导风部中，至少在对应的所述导风壁的向阳面上均设置有第一光伏板组；各第一光伏板与对应的所述导风壁壁面之间的夹角可调；各所述集风层中设有第二光伏板组，所述第二光伏板组安装于对应导风部内的层板上；各第二光伏板与水平面之间的夹角可调。

作为实施例之一，在未设置所述光伏板组的各所述导风部中均设置有导风部调节机构，所述导风部调节机构包括两第一导风板和一第二导风板，两所述第一导风板分别安装于对应的两所述导风壁上，其中，每一所述第一导风板的一端通过一竖直转轴可转动安装于对应的所述导风壁上且靠近该导风壁的外端设置，另一端靠近该导风壁的内端设置且通过一伸缩杆与对应的所述导风壁连接；所述第二导风板安装于对应的所述导风部内的层板上，所述第二导风板的一端通过一水平转轴可转动安装于对应的所述层板上且靠近该层板的外沿设置，另一端靠近该层板的内沿设置且通过一伸缩杆与对应的所述层板连接。

作为实施例之一，位于所述塔体上部的各所述集风层的高度小于位于所述塔体下部的各所述集风层的高度。

作为实施例之一，各光伏板的板面上均设有耐磨保护层。

作为实施例之一，所述耐磨保护层为叠覆于光伏板板面上的玻璃板，所述玻璃板由以下重量百分比的组分构成：SiO₂，65～73wt％；Al₂O₃，2.5～8.0wt％；Fe₂O₃，0.02～0.055wt％；CaO，8～10wt％；MgO，2.3～3.5wt％；Na₂O，12.0～12.8wt％；CeO₂，0.5～1.2wt％；Li₂O，0.5～1.0wt％；SrO，0.08～0.7wt％；BaO，0.05～0.15wt％。

作为实施例之一，在各所述玻璃板的外表面均涂覆有增透涂层。

作为实施例之一，所述能量储存系统包括通过线路依次连接的风光互补控制器、能量存储单元及并网逆变器，各所述风力发电单元的电能输出端口及各所述光伏板组的电能输出端口均与所述风光互补控制器的输入端连接。

本发明实施例至少具有如下有益效果：通过在发电塔上布置光伏板组和风力发电机组，较常规的光伏、风力、风光互补发电系统占地面积小，约为常规风力发电占地面积的1/70；发电效率高，综合造价低和运行维护费用，经济性好。采用导风壁构成导风部型式的集风结构，使风力发电机组不受风向的影响，同时降低了风速对发电系统的影响，在风速较低时也能稳定发电。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。

图1为本发明实施例提供的发电塔的结构示意图；

图2为本发明实施例提供的集风层的剖面结构示意图；

图3为本发明实施例提供的风光发电系统的结构示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。

如图1-图3，本发明实施例提供一种风光联合发电系统，包括发电塔1，所述发电塔1的塔体1为多层式结构，且至少部分塔层为集风层；本实施例中，如图1，该发电塔1第三层及第三层以上均为集风层；第一层可用于设置设备间、维修间、备品库等，在维修间上部可设置吊装机构；第二层可用于设置控制室及休息室等。通过采用塔式结构，可减小发电系统的占地面积，较常规光伏、风力发电站，可降低成本。

如图2，各所述集风层内均设有风力发电单元4和多面导风壁102，所述风力发电单元4设于对应的所述集风层中央，各所述导风壁102均竖直座设于对应的所述集风层的层板101上，且自相邻的所述风力发电单元4附近延伸至该层板101外缘；每一所述集风层中，相邻两所述导风壁102围设形成一外侧和内侧均开口的导风部，各所述导风部均自其外侧向其内侧方向逐渐收缩。其中，各导风壁102均优选为架构于相邻的两层板101之间，即各导风壁102的顶端与对应集风层的顶端(即该集风层上一层的层板101)连接，一方面导风效果更好，另一方面起到支撑壁的作用。每一集风层的外周缘均与塔体1外空间开放连通，即各集风层均无侧壁，以方便风能的收集；从而，该发电塔1的第三层及以上的塔体1为由相应的各层板101及相应的各导风壁102搭建构成。各导风壁102与相邻的风力发电单元4之间具有一定的间隙，且每层的各导风壁102与对应的风力发电单元4之间的间隙优选为相同，从而在各导风壁102与风力发电单元4之间形成一便于风流动的风流道5，利于风力发电单元4的旋转做功；本实施例中，为保证风具有充分的流通空间，上述风流道5的宽度控制在不小于0.5m。每一集风层中，各导风壁102相对于对应的风力发电单元4呈放射状向对应层板101的周缘延伸；各导风部的外侧开口形成为其风流入口，该风流入口与塔体1外空间开放连通，内侧出口形成为其风流出口，该风流出口正对风力发电单元4，风经由风流入口进入导风部内，再经由风流出口进入风流道5内，驱动风力发电单元4做功，并经由另一侧的导风部排出塔体1外。由于各导风部均呈渐缩状，两导风部相配合即可构成一文丘里结构，使得风在集风层内流动时因文丘里效应而能够提高风速，而风力发电单元4位于对应的文丘里结构的喉口部，因而能有效提高发电效率。同时，对应于风进入塔体1的方向，风在塔体1背面会产生涡流，该涡流的存在使得穿过塔体1的风的压降更大，由此能更快地提高风力发电单元4的叶片的旋转。

本实施例中，上述风力发电单元4优选为采用垂直轴磁悬浮风力发电机4，垂直轴磁悬浮风力发电机4采用磁悬浮技术，结合超级磁铁的磁力，将电机线圈悬浮于一定的空间，在没有任何机械摩擦的情况下，依靠风力推动电机转动并切割磁力线发出交流电，并储存于电池中。相比于传统水平轴式风力发电机而言，其优点在于：

第一，多面受风，启动风速更低；传统水平轴式风力发电机带有尾翼，必须随风向变化转动风车；垂直轴磁悬浮风力发电机4依靠陀螺式风翼旋转，不随风向变化改变轴心。

第二，传统水平轴式风力发电机噪音大，无法克服不定风向带来的抖动，电机、叶片容易脱落，三年须更换一次配件；而垂直轴磁悬浮风力发电机4运转稳定，无噪音，各种机件寿命长，不易脱落，可连续工作20年以上。

第三，传统水平轴式风力发电机要求空旷无遮蔽的大空间；而垂直轴磁悬浮风力发电机4对空间要求低；

第四，垂直轴磁悬浮风力发电机4发电风速更低。传统水平轴式风力发电机启动风速至少2.5m/s，而垂直轴磁悬浮风力发电机4仅需1m/s风速即可启动，风速超过40m/s也可照常运转，且风速越高发电效率越高，发电量可比前者增加35％。

第五，垂直轴磁悬浮风力发电机4采用自适应功率控制技术，在低风速时进行升压，使风机在较低转速时即可对蓄电池充电；高风速时限制输出功率，以免损坏蓄电池。

本实施例中，优选为将各集风层内的垂直轴磁悬浮风力发电机4均设置为单元式结构，其中一层集风层内的垂直轴磁悬浮风力发电机4发生故障时，不影响其他垂直轴磁悬浮风力发电机4的正常运行，保证系统的稳定运行，且便于检修维护。

如图2，进一步在发电塔1内设置有光伏发电系统，实现风光联合发电，一方面充分利用发电塔1的空间，节约占地空间，降低成本，另一方面，实现风力与太阳能的有效利用，有效提高发电效率，实现发电的高效节能环保。具体地，于塔顶上及各所述集风层内均布置有光伏板组2；每一所述集风层中，至少于该集风层的向阳侧的各所述导风部内设置有所述光伏板组2。为节约成本，可仅在各集风层的向阳侧设置上述光伏板组2；当然，可视实际情况选择在各集风层的其他侧相应设置上述光伏板组2，如对于位于中国境内的上述发电塔1，可在南侧、东侧及西侧的各导风壁102的可被阳光照射的壁面上安装光伏板组2。

接续上述结构，对于集风层内光伏板组2的布置，可以有如下结构：

设置有所述光伏板组2的各所述导风部中，至少在对应的所述导风壁102的向阳面上均设置有第一光伏板组2。

各所述集风层中设有第二光伏板组2，所述第二光伏板组2安装于对应导风部内的层板101上。

一般地，为达到发电效率最大化，在对应的导风壁102上及对应的层板101上均布置光伏板组2。对于各导风壁102上的第一光伏板组2，优选为设置各第一光伏板的板面沿竖直方向；每一第一光伏板在太阳位置变化过程中都基本以同一角度(与阳光垂直)采光，因此，可将各第一光伏板以所需的角度支撑固定于对应的导风壁102上；作为本实施例的优选结构，各第一光伏板与对应的所述导风壁102壁面之间的夹角可调。另外，各第二光伏板与水平面之间的夹角也优选为可调。将各光伏板与对应的安装面之间的夹角设置为可调，在有阳光照射或需要采光时，将各光伏板调节至所需角度，当没有阳光照射或其他一些应急情况(如风中携带的砂石较多)等状况下，将各光伏板调节至与对应的安装面之间呈平行状态，可减小各光伏板受到的风力作用，降低各光伏板由于风的持续刮擦而导致的磨耗。具体地，各第一光伏板可调节至与对应的导风壁102贴合，从而有效减小各第一光伏板的受风面积，降低与风之间的摩擦力；各第二光伏板可调节至呈水平状态。其中，各第二光伏板组2可对应配置角度自动跟踪控制机构，该角度自动跟踪控制机构可采用现有的光伏发电技术领域常用的光伏板角度自动跟踪控制系统，具体结构及实现方式此处不再赘述，通过上述角度自动跟踪控制机构，一方面可实现上述角度调节的需要，另一方面，可保证各第二光伏板在采光过程中始终与太阳光光线垂直，提高采光效率。上述各第一光伏板组2的角度调节机构可采用如下结构：

各第一光伏板的外端(即靠近塔体1外沿的端部)通过一竖直转轴可转动安装于对应的导风壁102上，另一端通过一伸缩杆与对应的所述导风壁102连接；伸缩杆的两端优选为分别与对应的第一光伏板和导风壁102铰接。通过伸缩杆的作用力，使得第一光伏板绕竖直转轴转动，从而其内端远离导风壁102或贴靠于导风壁102壁面上。

另外，设于塔顶的各光伏板组2同样可配置上述角度自动跟踪控制机构。

上述各光伏板组2优选为采用单元式结构，一个光伏板组2发生故障时，不影响其他光伏板组2的正常发电。

进一步优化上述结构，作为本实施例的一种优选结构，在未设置所述光伏板组2的各所述导风部中均设置有导风部调节机构，所述导风部调节机构包括两第一导风板和一第二导风板，两所述第一导风板分别安装于对应的两所述导风壁102上，其中，每一所述第一导风板的一端通过一竖直转轴可转动安装于对应的所述导风壁102上且靠近该导风壁102的外端设置，另一端靠近该导风壁102的内端设置且通过一伸缩杆与对应的所述导风壁102连接(伸缩杆的两端优选为分别与对应的第一导风板和导风壁102铰接)；所述第二导风板安装于对应的所述导风部内的层板101上，所述第二导风板的一端通过一水平转轴可转动安装于对应的所述层板101上且靠近该层板101的外沿设置，另一端靠近该层板101的内沿设置且通过一伸缩杆与对应的所述层板101连接(伸缩杆的两端优选为分别与对应的第二导风板和导风壁102铰接)。通过上述导风部调节机构，可调节对应导风部的风流入口与风流出口之间的面积之比(考虑到上述风流入口与风流出口均呈弧面形状，因此用面积之比)，从而调节通过塔体1的风速，达到调节发电效率的目的。另外，对于上述设置有光伏板组2的各导风部，其同样可实现上述导风部调节机构的作用，可通过各光伏板组2的角度调节实现上述目的；考虑到靠近塔体1中心位置处不易采光，因而不会设置光伏板组2，相应地可通过设置导风板替代。

在捕集的风的风速较小时，或光伏发电功率不足(如夜晚、阴天等)，可通过增大对应导风部的风流入口与风流出口的面积之比，可在一定程度上提高风速，从而提高发电效率。在捕集的风的风速较大时，或风光联合发电的发电功率大于电网的限发功率等情况下，可通过减小对应导风部的风流入口与风流出口的面积之比，将发电功率控制在相对稳定的水平。通过上述方法，可保证蓄电池等能量存储单元7的安全可靠平稳工作，保证本发电系统的正常稳定运行。本实施例中，各所述导风部的风流入口与风流出口的面积之比均控制在2.7～9.8范围内，通过上述调节方法，综合光伏发电的发电功率，可保证本发电系统的发电功率维持在较为稳定的水平，波动较小。对应地，可在塔顶上设置风向及风力检测机构，以及可检测太阳光光线强度的感光检测机构，指导上述调节操作。

如图3，本发电系统还包括能量储存系统，各所述风力发电单元4的电能输出端口及各所述光伏板组2的电能输出端口均与所述能量储存系统连接。所述能量储存系统包括通过线路依次连接的风光互补控制器6、能量存储单元7及并网逆变器8，各所述风力发电单元4的电能输出端口及各所述光伏板组2的电能输出端口均与所述风光互补控制器6的输入端连接。

上述能量存储单元7可采用蓄电池组，当然也可采用其他储能方式，例如超级电容器储能、飞轮储能、超导储能等；也可将两种或几种储能技术混合使用。实施例之一为蓄电池和超级电容器混合储能，两者在技术性能上有很强的互补性，可大大提高储能装置的性能。

本实施例中，上述风光互补控制器6采用MPPT方式控制光伏板组2和风力发电机组4对蓄电池进行充电。在光伏板组2和风力发电机组4的发电功率大于电网的限发功率时，控制双向DC/DC变换器正向运行对蓄电池充电，以使得并网逆变器8的输出功率不大于电网的限发功率，因此不需要进行限发处理，保证了风光联合发电系统满负荷运行，提高了系统的利用率；在光伏板组2和风力发电机组4的发电功率小于电网的限发功率时，控制双向DC/DC变换器反向运行对蓄电池放电，在不超过电网限发功率的前提下增大向电网馈入电能的总量。风光互补控制器6采用了液晶模块，可以显示蓄电池电压、光伏板组2电压、风力发电机组4电压、光伏板组2功率、风力发电机组4功率、光伏板组2电流、风力发电机组4电流、蓄电池电量状态。通过液晶上的按键，可以浏览显示内容。风光互补控制器6具有完善的保护功能，包括：光伏板组防反冲、光伏板组防反接、蓄电池过充电、蓄电池防反接、防雷、风力发电机组限流、风力发电机组自动刹车和手动刹车。风光互补控制器6采用智能化、模块化设计，结构简单、功能强大，选用工业级的优质元器件，适合于低温等恶劣的工作环境并具有可靠的性能和使用寿命。

上述并网逆变器8为工频隔离拓扑结构，逆变效率高于97％，输入电压范围：100V～450V，逆变单元基于工业驱动技术，单机输出功率为100kw、250kw、500kw、750kw、1MW、1.5MW、2MW、3MW。并网逆变器8具有最大功率跟踪控制、孤岛检测、自动电压调整、直流检测、直流接地检测等功能。

本实施例中，基于上述风光互补控制器6，结合上述各导风部的风流入口与风流出口的面积之比的调节，同时可结合各光伏板组2的角度调节控制(即控制各光伏板的采光效率)，通过上述各方面综合协调处理，可实现蓄电池的充放电平稳持续运行，保证风光联合发电系统满负荷运行，且保证本系统的发电功率与电网的限发功率适配。

另外，本系统还设置有智能监控系统。针对本风光联合发电系统的光伏板组2和垂直轴磁悬浮风力发电机4安装地点分散、无人值守的特点，智能监控系统将所有数据汇总展示，并进行统一管理。数据采集器对光伏板组2、风力发电机组4、风光互补控制器6、能量储存单元、并网逆变器8等进行数据采集，通过有线或无线的方式，与计算机9连接。智能监控系统具有如下特点：一是易于监控和可视化；实时数据与历史数据以动态图形展现，效率分析和数据对比图形清晰准确，具有自定义预警和分明的管理权限。二是数据收集的安全性，数据通过网络与云服务器连接，数据完全实现云存储，可确保数据实时展现，不会失去数据。三是数据统计、分析准确性，智能监控系统采用可靠地数据分析和效率分析图形使管理者更清晰的掌握电站的运行情况；有多重权限管理功能，所有菜单可自由分配给不同的管理员。四是预警，智能监控系统具有自定义预警功能，可以使电站运行人员方便灵活的掌握电站的运行情况。

接续上述风光联合发电系统的结构，各集风层的高度可相同，也可不同；考虑到在不同高度处的风速可能不同，可采用如下的优选实施例：

(1)位于所述塔体1上部的各所述集风层的高度大于位于所述塔体1下部的各所述集风层的高度；各集风层内的风力发电单元4的功率可相应配置，即位于塔体1上部的各集风层内的风力发电单元4的功率大于位于塔体1下部的各集风层内的风力发电单元4的功率。由于高处的风速较低处的风速要高，上述结构可进一步提高风力发电的效果。

(2)位于塔体1上部的各集风层的高度小于位于塔体1下部的各集风层的高度；各集风层内的风力发电单元4的功率相同。由于高处的风速较低处的风速要高，高处的集风层仅需较小的塔层高度即可获得与低处的集风层相同的发电功率，因而，上述结构可提高各集风层的发电功率的均匀性，进而提高风力发电机组工作的稳定性。

进一步优化上述风光联合发电系统的结构，各光伏板的板面上均设有耐磨保护层。由于风的持续刮磨，在一些环境较为复杂、恶劣的地区，风中携带的砂石也会对光伏板造成磨蚀、撞击，通过耐磨保护层对光伏板进行保护，可有效提高光伏板的使用寿命，保证光伏板组2的正常工作。上述耐磨保护层需具有良好的耐磨性及透光率，同时具有一定的耐候性则更佳；如可采用保护膜、高分子透明塑料等；本实施例中，上述耐磨保护层为叠覆于光伏板板面上的玻璃板，所述玻璃板由以下重量百分比的组分构成：SiO₂，65～73wt％；Al₂O₃，2.5～8.0wt％；Fe₂O₃，0.02～0.055wt％；CaO，8～10wt％；MgO，2.3～3.5wt％；Na₂O，12.0～12.8wt％；CeO₂，0.5～1.2wt％；Li₂O，0.5～1.0wt％；SrO，0.08～0.7wt％；BaO，0.05～0.15wt％。其中，通过将Fe₂O₃控制在较低的水平，避免其在玻璃成型过程中产生着色、降低玻璃光学透光率等情况；添加的少量的氧化钡可提高玻璃的透光性能；添加的少量的氧化铈、氧化锂及氧化锶，在不影响玻璃的透光性的基础上，保证了低反射率和低辐射吸收率，同时可一定程度上提高玻璃的耐候性及耐磨性；通过上述各组分的选择及含量范围控制，使得玻璃板具有良好的透光性、化学稳定性及热稳定性，机械强度及硬度都符合要求，更为关键的是，其耐磨性较好。进一步地，上述玻璃板优选为由以下重量百分比的组分构成：SiO₂，68～72wt％；Al₂O₃，4～7wt％；Fe₂O₃，0.02～0.035wt％；CaO，8～10wt％；MgO，3～3.5wt％；Na₂O，12.0～12.5wt％；CeO₂，0.8～1wt％；Li₂O，0.8～1wt％；SrO，0.2～0.4wt％；BaO，0.07～0.12wt％；玻璃的透光率、耐候性及耐磨性等综合性能更佳。

进一步优选地，在各所述玻璃板的外表面均涂覆有增透涂层；进一步可在各所述玻璃板的内表面均涂覆有防增透涂层。增透涂层可提高透光玻璃板的透光能力，防增透涂层则可防止透过玻璃板的太阳光光线在未经光伏板吸收时通过该玻璃板散失到环境中，提高光伏板的采光效率。上述增透涂层优选为采用耐磨的自清洁增透涂层，可由市面购得。

另外，如图1，在塔顶还设置有避雷针3，在发电塔1顶端设有接闪器，用符合规格的导线与埋在地下的泄流地网连接起来。在塔体1内部可设置楼梯及直升电梯等，直升电梯的支架为框架结构，支架框架各立面不设挡板结构；踏板楼梯为框架结构，立面不设挡板结构，踏板楼梯为格栅结构；楼梯和电梯优选为设置于塔体1北侧，不影响光照。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。