阅读说明：本技术 一种岛礁太阳能风能互补发电装置 (Island reef solar energy and wind energy complementary power generation device ) 是由 杨小庆 谭维奇 刘根 郑凯 黄锦 李伟华 于 2019-10-23 设计创作，主要内容包括：本发明提供了一种岛礁太阳能风能互补发电装置,包括箱体、球形太阳能发电单元、若干垂直轴风能发电单元、蓄电池和控制器,箱体上设置有球形太阳能发电单元,箱体周围设置有若干垂直轴风能发电单元,蓄电池和控制器固定设置在箱体内部；球形太阳能发电单元和垂直轴风能发电单元的输出端均与蓄电池电性连接,球形太阳能发电单元和蓄电池还与控制器电性连接。本发明利用球形太阳能发电单元和若干垂直轴风能发电单元可实现互补,在不同的时段分别进行发电,利用太阳能和风能的互补性,改善单一发电模式存在电力缺口。球形太阳能发电单元可使第一光伏板相对于箱体或者聚光透镜旋转,实现跟踪太阳光的功能。(The invention provides an island solar and wind energy complementary power generation device which comprises a box body, a spherical solar power generation unit, a plurality of vertical axis wind power generation units, a storage battery and a controller, wherein the spherical solar power generation unit is arranged on the box body, the vertical axis wind power generation units are arranged around the box body, and the storage battery and the controller are fixedly arranged in the box body; the output ends of the spherical solar power generation unit and the vertical axis wind power generation unit are electrically connected with the storage battery, and the spherical solar power generation unit and the storage battery are also electrically connected with the controller. The spherical solar power generation unit and the vertical axis wind power generation units can realize complementation, power generation is respectively carried out at different time intervals, and the complementation of solar energy and wind energy is utilized to improve the existence of a power gap in a single power generation mode. The spherical solar power generation unit can enable the first photovoltaic panel to rotate relative to the box body or the condensing lens, and the function of tracking sunlight is achieved.)

一种岛礁太阳能风能互补发电装置

技术领域

本发明涉及新能源发电技术领域，尤其涉及一种岛礁太阳能风能互补发电装置。

背景技术

自上世纪七十年代以来，世界各国对环境保护、能源短缺和节能等问题日益重视，节能环保可持续发展的观念深入人心。我国的东南沿海及海岛地区具有丰富的太阳能或者风能资源，而这些地区由于地理环境因素，导致电网无法完全覆盖，部分地区存在着能源短缺的问题。

太阳能和风能受季节、气候和时间等因素的影响很大，单独用太阳能或者风能发电都不够稳定，发电效率较低。导致偏远沿海地区和海岛电力供应不稳定，采用石化燃料发电，又会带来缓解污染问题。

发明内容

有鉴于此，本发明提出了一种分别利用太阳能和风能进行发电和储能的岛礁太阳能风能互补发电装置。

本发明的技术方案是这样实现的：本发明提供了一种岛礁太阳能风能互补发电装置，包括箱体(1)、球形太阳能发电单元(2)、若干垂直轴风能发电单元(3)、蓄电池(4)和控制器(5)，箱体(1)上设置有球形太阳能发电单元(2)，箱体(1)周围环绕设置有若干垂直轴风能发电单元(3)，蓄电池(4)和控制器(5)固定设置在箱体(1)内部；球形太阳能发电单元(2)和垂直轴风能发电单元(3)的输出端均与蓄电池(4)电性连接，球形太阳能发电单元(2)和蓄电池(4)还与控制器(5)电性连接；

其中，球形太阳能发电单元(2)跟随太阳轨迹并汇聚入射的太阳光，进行光伏发电，并将产生的电能储存在蓄电池(4)中；

垂直轴风能发电单元(3)由风能驱动进行发电，并将产生的电能储存在蓄电池(4)中；

蓄电池(4)储存球形太阳能发电单元(2)和垂直轴风能发电单元(3)产生的电能；

控制器(5)使蓄电池(4)向外输出电能。

在以上技术方案的基础上，优选的，所述球形太阳能发电单元(2)包括底座(21)、第一电机(22)、支架(23)、聚光透镜(24)和第一光伏板(25)，底座(21)固定设置在箱体(1)顶部，第一电机(22)设置在箱体(1)内，第一电机(22)的输出轴与底座(21)固定连接；底座(21)上固定设置有支架(23)，支架(23)上固定设置有聚光透镜(24)，第一光伏板(25)设置在聚光透镜(24)输出光路上；第一电机(22)与控制器(5)电性连接，第一电机(22)驱动支架(23)、聚光透镜(24)和第一光伏板(25)相对于箱体(1)旋转。

进一步优选的，所述球形太阳能发电单元(2)还包括跟随单元(6)，第一光伏板(25)与跟随单元(6)固定连接，跟随单元(6)带动第一光伏板(25)相对于聚光透镜(24)的中心旋转，使经聚光透镜(24)汇聚的阳光投射在第一光伏板(25)上。

更进一步优选的，所述跟随单元(6)包括弧形轨道(61)、盒体(62)、行走轮(63)和第二电机(64)，弧形轨道(61)固定设置在支架(23)上，且弧形轨道(61)与聚光透镜(24)同心设置，弧形轨道(61)靠近聚光透镜(24)的一侧设置有盒体(62)，盒体(62)与行走轮(63)铰连接，行走轮(63)嵌设在弧形轨道(61)内且与弧形轨道(61)滚动连接；第二电机(64)固定设置在盒体(62)内，第二电机(64)的输出轴穿过盒体(62)并向弧形轨道(61)方向延伸，行走轮(63)的轮轴上设置有从动齿盘，第二电机(64)的输出轴上设置有驱动齿盘，驱动齿盘与从动齿盘啮合；第一光伏板(25)固定设置在盒体(62)靠近聚光透镜(24)的一端；第二电机(64)与控制器(5)电性连接。

在以上技术方案的基础上，优选的，所述垂直轴风能发电单元(3)包括发电机(31)、传动轴(32)、转架(33)和若干叶片(34)，发电机(31)相对于箱体(1)固定设置，发电机(31)顶部设置有竖直的传动轴(32)，传动轴(32)一端与发电机(31)固定连接；传动轴(32)顶部固定设置有转架(33)，转架(33)的边缘处设置有若干叶片(34)，叶片(34)与转架(33)固定连接，且叶片(34)沿着传动轴(32)的长度方向向外延伸，叶片(34)边缘位于同一虚拟圆柱面的圆周上。

进一步优选的，所述叶片(34)上还设置有挡板(35)，挡板(35)的两端分别与叶片(34)的侧面固定连接，挡板(35)中部向远离叶片(34)表面的方向凸起。

进一步优选的，所述垂直轴风能发电单元(3)还包括具有位置锁定功能的直线升降机构(36)和筒体(37)，直线升降机构(36)固定设置在发电机(31)底部，直线升降机构(36)带动发电机(31)和传动轴(32)沿着传动轴(32)的轴向方向移动；筒体(37)环绕直线升降机构(36)设置，筒体(37)的尺寸大于叶片(34)所在虚拟圆柱面的直径。

更进一步优选的，所述箱体(1)、球形太阳能发电单元(2)和筒体(37)的外表面均固定设置有第二光伏板(7)，第二光伏板(7)与蓄电池(4)电性连接。

在以上技术方案的基础上，优选的，还包括定位系统模块(8)，定位系统模块(8)与控制器(5)电性连接，定位系统模块(8)向控制器(5)发送当前的经纬度信息，控制器(5)接收经纬度信息后换算成太阳方位角，并使球形太阳能发电单元(2)正对阳光照射方向。

本发明提供的一种岛礁太阳能风能互补发电装置，相对于现有技术，具有以下有益效果：

(1)球形太阳能发电单元和若干垂直轴风能发电单元可实现互补，在不同的时段分别进行发电，利用太阳能和风能的互补性，改善单一发电模式存在电力缺口；

(2)球形太阳能发电单元和相对于箱体进行转动，实现阳光跟随的效果，提高光伏发电效率；

(3)球形太阳能发电单元上的跟随单元可以驱动第一光伏板相对于聚光透镜的球心旋转，进一步的实现对汇聚太阳光焦点的跟踪效果，进一步提高提高发电效率；

(4)垂直轴风能发电单元采用垂直轴风机的结构，发电机下置，便于维修和保养，直线升降机构和筒体可以在台风等不利天气情况下收起垂直轴风能发电单元，防止意外损坏，延长垂直轴风能发电单元的使用寿命；

(5)箱体、球形太阳能发电单元和筒体的外表面的第二光伏板，能够进一步利用有限的设备空间，提高太阳光的利用率；

(6)定位系统模块发送包含时间信息的经纬度信息，由控制器换算成太阳方位，并驱动第一电机和第二电机动作，使得第一光伏板能跟踪太阳的方位。

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他的附图。

图1为本发明一种岛礁太阳能风能互补发电装置的立体图；

图2为本发明一种岛礁太阳能风能互补发电装置的前视图；

图3为本发明一种岛礁太阳能风能互补发电装置的俯视图；

图4为本发明一种岛礁太阳能风能互补发电装置的箱体和球形太阳能发电单元的局部半剖前视图；

图5为本发明一种岛礁太阳能风能互补发电装置的垂直轴风能发电单元、直线升降机构和筒体的组合状态半剖前视图；

图6为本发明一种岛礁太阳能风能互补发电装置的垂直轴风能发电单元的俯视图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施方式，对本发明实施方式中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施方式仅仅是本发明一部分实施方式，而不是全部的实施方式。基于本发明中的实施方式，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他实施方式，都属于本发明保护的范围。

如图1所示，本发明提供了一种岛礁太阳能风能互补发电装置，包括箱体1、球形太阳能发电单元2、若干垂直轴风能发电单元3、蓄电池4、控制器5、跟随单元6、第二光伏板7和定位系统模块8，其中箱体1上设置有球形太阳能发电单元2，箱体1周围环绕设置有若干垂直轴风能发电单元3，蓄电池4和控制器5固定设置在箱体1内部；球形太阳能发电单元2和垂直轴风能发电单元3的输出端均与蓄电池4电性连接，球形太阳能发电单元2和蓄电池4还与控制器5电性连接；

其中，球形太阳能发电单元(2)跟随太阳轨迹并汇聚入射的太阳光，进行光伏发电，并将产生的电能储存在蓄电池(4)中；

垂直轴风能发电单元3由风能驱动进行发电，并将产生的电能储存在蓄电池4中；

蓄电池4储存球形太阳能发电单元2和垂直轴风能发电单元3产生的电能；

控制器5使蓄电池4向外输出电能。当蓄电池4充满后，如果球形太阳能发电单元2或者垂直轴风能发电单元3继续充电时，控制器5可以将多余的电能导入卸荷器、并入电网或者用电设备中使用，防止蓄电池4过充。通过太阳能发电和风能发电的互补特性，在海岛或者海边地区同时设置球形太阳能发电单元2和垂直轴风能发电单元3，白天日照强烈时以太阳能发电为主，夜间主要以风力发电为主，在不同的时段持续的获取电能。

如图2结合图4所示，球形太阳能发电单元2包括底座21、第一电机22、支架23、球形的聚光透镜24和第一光伏板25，底座21固定设置在箱体1上，第一电机22设置在箱体1内，第一电机22的输出轴与底座21固定连接；底座21上固定设置有支架23，支架23上固定设置有聚光透镜24，第一光伏板25设置在聚光透镜24输出光路上；第一电机22与控制器5电性连接，第一电机22驱动支架23、聚光透镜24和第一光伏板25相对于箱体1旋转。由图可知，第一电机22可以驱动底座21、支架23、聚光透镜24和第一光伏板25相对于箱体1的纵向中心轴顺时针或者逆时针旋转，实现支架23整体以及第一光伏板25相对于太阳轨迹的单轴跟踪。但是这种结构的球形太阳能发电单元2，经聚光透镜24汇聚的太阳光并不总是完全落在第一光伏板25上，有部分汇聚的阳光被浪费。球形太阳能发电单元2优选的设置在箱体1顶部，能充分接收阳光。

为进一步提高第一光伏板25跟随太阳轨迹，提高发电效果。在球形太阳能发电单元2还设置了跟随单元6，第一光伏板25与跟随单元6固定连接，跟随单元6可带动第一光伏板25相对于聚光透镜24的中心旋转，使经聚光透镜24汇聚的阳光完全投射在第一光伏板25上，进一步提高太阳光的利用率。

如图4所示，提供了跟随单元6的一种具体结构。跟随单元6包括弧形轨道61、盒体62、行走轮63和第二电机64，弧形轨道61固定设置在支架23上，且弧形轨道61与聚光透镜24同心设置，弧形轨道61靠近聚光透镜24的一侧设置有盒体62，盒体62与行走轮63铰连接，行走轮63嵌设在弧形轨道61内且与弧形轨道61滚动连接；第二电机64固定设置在盒体62内，第二电机64的输出轴穿过盒体62并向弧形轨道61方向延伸，行走轮63的轮轴上设置有从动齿盘，第二电机64的输出轴上设置有驱动齿盘，驱动齿盘与从动齿盘啮合；第一光伏板25固定设置在盒体62靠近聚光透镜24的一端；第二电机64与控制器5电性连接。

图示的聚光透镜24固定设置在支架23上，弧形轨道61两端分别与固定支架23固定，弧形轨道61半包围聚光透镜24设置，盒体62和第一光伏板25可沿着弧形轨道61相对于聚光透镜24的中心进行180°的大范围的移动，即相对于聚光透镜24的中心轴旋转，进一步的实现对太阳入射光线的跟踪功能，弧形轨道61上的第一光伏板25垂直于聚光透镜24的出光方向，经聚焦后的阳光其能量密度更高，第一光伏板25相比于通同样面积的光伏板具有更高的发电效率。

本发明中，第二电机64驱动行走轮63既可以采用齿轮驱动结构，也可以采用皮带轮、链条等传动形式实现。

本发明采用的聚光透镜24采用球形透镜。照射在聚光透镜24表面的阳光经过其球心后汇聚在其出光一侧，球形透镜结构完全对称，其在固定支架23上的安装会更加方便。

如图1、图2结合图5和图6所示，垂直轴风能发电单元3包括发电机31、传动轴32、转架33和若干叶片34，发电机31相对于箱体1固定设置，发电机31顶部设置有竖直的传动轴32，传动轴32一端与发电机31固定连接；传动轴32顶部固定设置有转架33，转架33的边缘处设置有若干叶片34，叶片34与转架33固定连接，且叶片34沿着传动轴32的长度方向向外延伸，叶片34边缘位于同一虚拟圆柱面的圆周上。叶片34和转架33带动传动轴32一起旋转，使得发电机31经电磁感应产生感应电流。垂直轴风能发电单元3采用的垂直轴结构，每个叶片34可以单独接收风力推动。叶片34既可以是沿着传动轴32的轴向方向向外延伸，即与传动轴32平行；也可以是与传动轴32的轴向方向呈一定的倾角，这样受风的时候更容易推动转架33和传动轴32转动。电气部分设置在垂直轴风能发电单元3的底部，有利于维修和保养。图中的每个垂直轴风能发电单元3的叶片34为三片，实际上可以设置如4片、6片或者更多，不受图示的限制。

作为本发明的进一步的改进，在各叶片34上还设置有挡板35，挡板35的两端分别与叶片34的侧面固定连接，挡板35中部向远离叶片34表面的方向凸起。由于挡片35凸起的方向与叶片34的受风面不同，可增大叶片34的受风面积，使得叶片34、转架33和传动轴32在更低的风速下即可介入转动发电，实现低风速下的启动及发电。本发明图示的垂直轴风能发电单元3为两个，对称的设置在箱体1侧面，实际使用时，在不影响球形太阳能发电单元2采光的情况下，可以布置更多的垂直轴风能发电单元3。如4个、8个等垂直轴风能发电单元3，环绕球形太阳能发电单元2设置。

为便于垂直轴风能发电单元3的检修，并为其提供恶劣气候条件下的防护，垂直轴风能发电单元3还包括具有位置锁定功能的直线升降机构36和筒体37，直线升降机构36固定设置在发电机31底部，直线升降机构36带动发电机31和传动轴32沿着传动轴32的轴向方向移动；筒体37环绕直线升降机构36设置，筒体37的尺寸大于叶片34所在虚拟圆柱面的直径。当台风等恶劣天气来临时，直线升降机构36会降下，将垂直轴风能发电单元3完全隐藏在筒体37内，防止强风或者异物对垂直轴风能发电单元3造成损坏。对应的，为了测量风速，可以在垂直轴风能发电单元3上配置风速仪，实时对风速进行测量，风速超过32m/s即认为是有台风，直线升降机构36将降下垂直轴风能发电单元3。直线升降机构36可以采用液压机构、气缸机构或者丝杠机构来实现。

另外，为了充分利用设备的有限空间，在箱体1、球形太阳能发电单元2和筒体37的外表面均固定设置有第二光伏板7，第二光伏板7与蓄电池4电性连接。第二光伏板7是固定设置，可作为球形太阳能发电单元2的进一步补充，充分利用设备有限的空间，转换更多电能。

为了更好地实现对太阳轨迹的跟踪效果，本发明还包括定位系统模块8，定位系统模块8与控制器5电性连接，定位系统模块8向控制器5发送当前的经纬度信息，控制器5接收经纬度信息后换算成太阳方位角，并使球形太阳能发电单元2正对阳光照射方向。定位系统模块8可以采用GPS模块或者北斗模块，定时提供当前时间和经、纬度信息。控制器5根据当前时间和经、纬度信息换算出太阳轨迹的当前位置，并分别控制第一电机22和第二电机64进行动作，带动第一光伏板25正对太阳的方向。

太阳轨迹的当前位置可以由观测点的经纬度和标注时间来确定。定位系统模块8可以定期获取当地的经、纬度信息和当前时间。控制器5根据经纬度信息换算成太阳方位角的过程如下：

地球绕太阳的公转轨道是椭圆的，太阳位于椭圆焦点中的一个，用r来表示日地距离，r₀来表示日地距离平均值，r₀＝1.496×10⁸km，日地距离E_R可以用以下公式表示：

E_R＝1.000426+0.032359sinθ+0.000086sin2θ-0.008349cosθ+0.000115cos2θ；

上述公式中的θ为日角，即θ＝2πt/365.2422，其中t＝N-N₀，N为积日，即日期在一年内的顺序号，1月1日的积日为1，12月31日的积日为365，闰年的12月31日的积日为366。N₀＝79.6764+0.422×(年份-1985)-INT[(年份-1985)/4]，即日角θ与年份和日期有关。

太阳赤纬角δ可采用如下公式表示：

δ＝0.3732+23.2567sinθ+0.1149sin2θ-0.1712sin3θ-0.758cosθ+0.3656cos2θ+0.0201cos3θ；

太阳在黄道上的运行速度不是一直不变的，真太阳日的长短各不相同，假想的太阳以匀速运行，这个假想的太阳连续两次上中天的时间叫做一个平太阳日，平太阳日的1/24为平太阳时；真太阳日的一天与平太阳日的一天不同，真太阳日的1/24为真太阳时，真太阳时和平太阳时的时差用E_t表示：

S₀＝S+E_t；S₀为真太阳时，S为平太阳时。时差E_t可以用以下公式表示：

E_t＝0.0028-1.9857sinθ+9.9059sin2θ-7.0924cosθ-0.6882cos2θ；

太阳高度h₀可由以下公式计算：

其中δ为太阳赤纬角，

为定位系统模块8提供的地理纬度；τ为当地的太阳时角；

τ＝(S₀+F₀/60-12)×15°；其中，S₀为真太阳时，F₀为真太阳分，是真太阳时的1/60。

计算真太阳时S₀，需从将平太阳时S表示的北京时间换算成地方时间S_d：

S_d＝S+{F-[120°-(JD+JF/60)]×4}/60；

其中S为平太阳时表示的北京时间的当前小时，F为北京时间的当前分钟；JD为当地的经度，JF为当地的经分；120°是北京时间的标准精度，乘以4是将角度转化为时间，即每度相当于4分钟；除以60是将分钟换成小时；

随后对地方时间S_d进行时差订正，S₀＝S_d+E_t/60；即时差订正后的真太阳时，以此S₀计算当地的太阳时角τ和太阳高度h₀。

得到当地太阳高度h₀以后，计算太阳方位角A：

太阳方位角A会有两个值，cosA≤0时，90°≤A≤180°；cosA≥0时，0≤A≤90°，后一个A值取360°-A。由太阳方位角和太阳高度即可调整第一光伏板25的对应位置，使其正对太阳的照射方向。本发明是采用基于时间和经纬度的太阳轨迹来实现第一光伏板25的跟踪功能。在深夜，如午夜零时，跟随单元6带动第一光伏板25回到初始位置，如水平位置，等待第二天太阳升起后，再次进行跟踪发电。

以上所述仅为本发明的较佳实施方式而已，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。