基本信息
- 項目名稱：
- 沙漠地區(qū)基于壓縮空氣儲能的風能太陽能供電系統(tǒng)
- 小類：
- 能源化工
- 大類：
- 科技發(fā)明制作A類
- 簡介：
- 本項目基于沙漠地區(qū)豐富的風能和太陽能資源，研制出一套低成本、無污染、適用于當下沙漠治理與改造過程中電力需求的電力供給系統(tǒng)。本系統(tǒng)不受時間和空間的限制創(chuàng)造充足的電能，且系統(tǒng)無污染無噪音不產(chǎn)生廢棄物，能夠有效解決我國沙漠治理與改造過程中用電難的、用電緊缺的問題。與其他沙漠發(fā)電裝置相比本項目以低成本、高效、發(fā)電連續(xù)且穩(wěn)定為目標，針對沙漠中發(fā)電裝置成本高、污染環(huán)境而設計的，易于維護。
- 詳細介紹：
- 本作品設計了垂直軸阻力型風車、曲柄機構(gòu)。垂直軸風車截獲風能，通過風車軸和曲柄機構(gòu)使風能轉(zhuǎn)化為機械能，機械能使空壓機工作，將外界空氣壓縮至儲能氣缸。通過可控電磁閥開關(guān)的控制，再將氣體傳送至集熱氣缸。為了能夠使前后兩個汽缸中的氣體得到充分利用，使其在相同氣壓條件下能夠發(fā)出更多的電能，我們采用Arduino單片機控制電磁閥的開與閉，從而控制流向氣馬達的氣流大小。 太陽能集熱裝置對壓縮空氣進行加熱，將太陽熱能轉(zhuǎn)化為氣體內(nèi)能。對小型系統(tǒng)，制作了楔形集熱裝置，設計了圓弧形透明玻璃蓋板，利用酚醛泡沫作為吸收層。對大型系統(tǒng)，使用太陽能追日裝置，它能夠自動對光，以達到吸收更多能量、為系統(tǒng)提供更多熱能的目的。開發(fā)基于單片機壞境的軟件，直接將產(chǎn)生的太陽高度角和方位角數(shù)據(jù)導入單片機中，實現(xiàn)控制，使驅(qū)動反光板將太陽能長時間以最大功率反射至集熱器裝置的吸收層，， 最后通過氣動裝置將氣體內(nèi)能轉(zhuǎn)化為機械能從而帶動發(fā)動機發(fā)電。本發(fā)電裝置以氣動馬達作為經(jīng)太陽能增益后的高能量氣流與發(fā)電機之間的中間傳動設備。從太陽能增益集熱氣缸輸出的高能量氣流進入氣動馬達，氣動馬達高速旋轉(zhuǎn)，與發(fā)電機之間通過聯(lián)軸器連接同軸傳動，使發(fā)電機發(fā)電。 本系統(tǒng)將采用自動控制技術(shù)來實現(xiàn)系統(tǒng)的操作、顯示和通信，提供遠程維護所需要的本地功能。具體地說就是設計一個獨立的、由AVR單片機為核心構(gòu)成的儲能并網(wǎng)的監(jiān)視控制系統(tǒng)，監(jiān)視模塊將負責對并網(wǎng)逆變系統(tǒng)的運行狀態(tài)、運行數(shù)據(jù)進行實時檢測、定時記錄，控制模塊則對能量進行控制，并能夠記錄和隨時顯示這些信息，能夠?qū)ο到y(tǒng)的運行參數(shù)進行設置，并隨時能夠接收來自遠程控制中心的命令以及將記錄數(shù)據(jù)傳輸給遠程控制中心。
作品圖片
作品專業(yè)信息
設計、發(fā)明的目的和基本思路、創(chuàng)新點、技術(shù)關(guān)鍵和主要技術(shù)指標
- 1.設計發(fā)明目的： 結(jié)合我國沙漠治理與改造過程中電能緊缺的問題而提出、設計了一套低成本、無污染、適用于當下沙漠治理與改造過程中電力需求的電力供給系統(tǒng)。 2.設計思路： 垂直軸阻力型風車將風能轉(zhuǎn)化為壓縮空氣內(nèi)能，壓縮氣體通過太陽能增益環(huán)節(jié)變?yōu)楦吣芰棵芏葰饬?，高能量密度氣流通過氣動馬達帶動發(fā)電機，實現(xiàn)了風能與太陽能向電能的轉(zhuǎn)化。 3.創(chuàng)新點： 首先，提出了以沙漠為背景，為沙漠的綠化改造及開發(fā)設計電能的系統(tǒng)，使得沙漠的治理與開發(fā)有了可靠的能源供給。太陽能與風能在時間上有很強的互補性，改善了現(xiàn)有的沙漠風能和太陽能發(fā)電的不足。采用以風能和太陽能配合使用的發(fā)電裝置，解決了風電的不穩(wěn)定性，太陽能只能在白天發(fā)電，晚上不能利用的間斷性問題。其次采用普通的太陽能增益及開發(fā)了太陽能追日增益系統(tǒng)使得在不同大小的系統(tǒng)中合理的資源利用，同時開發(fā)了基于超級電容的電力并網(wǎng)系統(tǒng)，使得整個發(fā)電系統(tǒng)穩(wěn)定可靠的運行。 4.技術(shù)關(guān)鍵和主要技術(shù)指標： 項目主要研究的內(nèi)容有：①最大性捕捉風能實現(xiàn)風能向機械能的轉(zhuǎn)換；②完成太陽能增益集熱器的設計及研制；③實現(xiàn)氣動馬達同軸帶動發(fā)電機的裝置并建立超級電容器儲能裝置；④完成汽缸氣體流量系統(tǒng)的控制部分；⑤相關(guān)電路的設計及軟件算法的實現(xiàn)。經(jīng)過對設備各個部分的檢測、優(yōu)化和組裝，電力供給系統(tǒng)整體達到了設計要求、完成了預期功能。
科學性、先進性
- 西部荒漠區(qū)沙漠化日益加劇，水資源貧乏等因素使得綠化治沙成為難題，本設計以沙漠治理與開發(fā)中電能需求為前提，基于沙漠的特殊環(huán)境開發(fā)一套更為低成本、環(huán)保的系統(tǒng)。將氣體存儲于氣缸內(nèi)，通過太陽能對積熱氣缸加熱使氣體膨脹推動氣動馬達轉(zhuǎn)動，提高了發(fā)電效率?，F(xiàn)有的發(fā)電大多是將風能或太陽能直接轉(zhuǎn)化為電能，而本設計利用風車將風能存儲，再通過太陽能加熱使氣體膨脹實現(xiàn)高效發(fā)電，這樣使得電能穩(wěn)定。并基于超級電容的穩(wěn)定、能量存取速度快、充放電損耗小的優(yōu)點，克服能源的浪費，高效地利用了資源。 風能與太陽能組合使用，將開辟了一條提供能源的全新途徑。一個風力發(fā)電群與壓縮空氣電站、太陽能增益站的配合，從技術(shù)及經(jīng)濟角度看，均可與油、燃氣、煤或核能一比高下。我國的沙漠地區(qū)面積大，風能和太陽能豐富，建造風力壓縮空氣站、太陽能積熱增益站，將會有穩(wěn)定持續(xù)的電能輸出。利用自然清潔的可再生資源—風能和太陽能，不受時間和空間的限制能夠創(chuàng)造充足的電能，且系統(tǒng)無污染無噪音不產(chǎn)生廢棄物。適應當前的發(fā)展趨勢，具有廣闊發(fā)展前途。
獲獎情況及鑒定結(jié)果
- 2011年5月在本校由校黨委學生工作部、校團委、教務處、科學技術(shù)處、研究生院、校學生會聯(lián)合舉辦的第七屆“挑戰(zhàn)杯”本校大學生課外學術(shù)科技作品競賽中獲特等獎
作品所處階段
- 系統(tǒng)的硬件、軟件都已完成。設計報告完成。
技術(shù)轉(zhuǎn)讓方式
- 合作生產(chǎn)。
作品可展示的形式
- 模型、視頻。
使用說明,技術(shù)特點和優(yōu)勢,適應范圍,推廣前景的技術(shù)性說明,市場分析,經(jīng)濟效益預測
- 1. 技術(shù)特點和優(yōu)勢 (1)便捷簡易；性價比高。 (2)工作物質(zhì)空氣、太陽能資源豐富，無成本消耗。 (3)可再生資源的合理、有效的利用，發(fā)電方式對壞境無污染。 (4)克服了風能發(fā)電的不穩(wěn)定性，太陽能發(fā)電的間斷性。 (5)可規(guī)?；?、產(chǎn)業(yè)化，成批操作，帶來可觀經(jīng)濟效益。 2.適用范圍： (1)沙漠開發(fā)和改造中的電力供給。 (2)可移植到非沙漠地區(qū)的居民的生活用電。 3.市場分析和經(jīng)濟效益預測： (1)該設計取材于沙漠中豐富的風能、太陽能，高效、低成本、無污染的給沙漠地區(qū)的改造與開發(fā)過程中輸出穩(wěn)定的電能，用于改造過程中水的提取，通信以及沙漠溫室等。具有很高的實用價值，能很好的推動沙漠的治理與改造。 (2) 我國的土地沙化面積大，國家把沙漠治理作為長期的計劃項目進行實施，該作品能在沙漠的改造中發(fā)揮很大的作用，所以具有很高的經(jīng)濟效益。
同類課題研究水平概述
- 當下我國在新能源發(fā)電方面的研究主要是風能或者太陽能發(fā)電。是單純的風力發(fā)電或者光伏發(fā)電，沒有以沙漠為背景，以壓縮空氣為工作介質(zhì)，將風能和太陽能結(jié)合起來的發(fā)電研究。以下就沙漠地區(qū)的風能發(fā)電和太陽能發(fā)電現(xiàn)狀做以概述： 1、風能發(fā)電 (1)自然風速的大小和方向是隨機變化的, 風能具有不穩(wěn)定性。此外 , 當電網(wǎng)中并入的風力發(fā)電容量達到一定程度 , 會引起電壓不穩(wěn)定 , 特別當電網(wǎng)發(fā)生短時故障時 , 電壓突降 , 風力發(fā)電機組無法向電網(wǎng)輸送能量 , 最終由于保護動作切出電網(wǎng)。在風能占較大比重的電網(wǎng)中 , 風力發(fā)電機組的突然切出會導致電網(wǎng)不穩(wěn)定。因此 , 用合理的方法使風力發(fā)電機組的電功率平穩(wěn)具有非常重要的意義。風力發(fā)電對電網(wǎng)的不利影響可以運用儲能技術(shù)來改善 (2)風力發(fā)電機組的控制技術(shù)： 由于空氣動力學的不確定性和發(fā)電機、電力電子裝置模型的復雜性 , 風力發(fā)電系統(tǒng)模型的確定很困難。從已列出的那些可能影響風力發(fā)電機組性能的誤差源和不確定性因素中,諸如老化、大氣條件和電網(wǎng)等因素 , 在機組的能量轉(zhuǎn)換過程中引起不同程度的變化。因此,風力發(fā)電系統(tǒng)具有很強的非線性和不確定性 , 以及多干擾等特點 , 所有基于某些有效系統(tǒng)模型的控制也僅適合于某個特定的系統(tǒng)和一定的工作周期。另外,風力發(fā)電機組通常布置在風力資源豐富的地區(qū),如海島和邊遠地區(qū)甚至海上 , 要求能夠無人值班運行和遠程監(jiān)控 , 這就對風力發(fā)電機組的控制系統(tǒng)可靠性提出了很高的要求。 2、光伏發(fā)電 光伏發(fā)電目前發(fā)展的最大制約因素是成本太高,太陽電池占光伏發(fā)電系統(tǒng)價格的 60%以 上, 因此開發(fā)廉價, 高效, 高可靠, 高穩(wěn)定, 長壽命的太陽電池就成為世界各國攻關(guān)的焦點. 太陽能光伏發(fā)電還存在一些有待攻克的“弱點”。它的主要缺點有以下幾個方面。 (1):光電轉(zhuǎn)化率很低。 (2):光伏發(fā)電需要很大的面積。 (3):所需光照要求復雜，選擇地日光輻射情況適當。 (4):光伏發(fā)電成本太高。
