基本信息
- 项目名称：
- 沙漠地区基于压缩空气储能的风能太阳能供电系统
- 来源：
- 第十二届“挑战杯”作品
- 小类：
- 能源化工
- 大类：
- 科技发明制作A类
- 简介：
- 本项目基于沙漠地区丰富的风能和太阳能资源，研制出一套低成本、无污染、适用于当下沙漠治理与改造过程中电力需求的电力供给系统。本系统不受时间和空间的限制创造充足的电能，且系统无污染无噪音不产生废弃物，能够有效解决我国沙漠治理与改造过程中用电难的、用电紧缺的问题。与其他沙漠发电装置相比本项目以低成本、高效、发电连续且稳定为目标，针对沙漠中发电装置成本高、污染环境而设计的，易于维护。
- 详细介绍：
- 本作品设计了垂直轴阻力型风车、曲柄机构。垂直轴风车截获风能，通过风车轴和曲柄机构使风能转化为机械能，机械能使空压机工作，将外界空气压缩至储能气缸。通过可控电磁阀开关的控制，再将气体传送至集热气缸。为了能够使前后两个汽缸中的气体得到充分利用，使其在相同气压条件下能够发出更多的电能，我们采用Arduino单片机控制电磁阀的开与闭，从而控制流向气马达的气流大小。 太阳能集热装置对压缩空气进行加热，将太阳热能转化为气体内能。对小型系统，制作了楔形集热装置，设计了圆弧形透明玻璃盖板，利用酚醛泡沫作为吸收层。对大型系统，使用太阳能追日装置，它能够自动对光，以达到吸收更多能量、为系统提供更多热能的目的。开发基于单片机坏境的软件，直接将产生的太阳高度角和方位角数据导入单片机中，实现控制，使驱动反光板将太阳能长时间以最大功率反射至集热器装置的吸收层，， 最后通过气动装置将气体内能转化为机械能从而带动发动机发电。本发电装置以气动马达作为经太阳能增益后的高能量气流与发电机之间的中间传动设备。从太阳能增益集热气缸输出的高能量气流进入气动马达，气动马达高速旋转，与发电机之间通过联轴器连接同轴传动，使发电机发电。 本系统将采用自动控制技术来实现系统的操作、显示和通信，提供远程维护所需要的本地功能。具体地说就是设计一个独立的、由AVR单片机为核心构成的储能并网的监视控制系统，监视模块将负责对并网逆变系统的运行状态、运行数据进行实时检测、定时记录，控制模块则对能量进行控制，并能够记录和随时显示这些信息，能够对系统的运行参数进行设置，并随时能够接收来自远程控制中心的命令以及将记录数据传输给远程控制中心。
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作品专业信息
设计、发明的目的和基本思路、创新点、技术关键和主要技术指标
- 1.设计发明目的： 结合我国沙漠治理与改造过程中电能紧缺的问题而提出、设计了一套低成本、无污染、适用于当下沙漠治理与改造过程中电力需求的电力供给系统。 2.设计思路： 垂直轴阻力型风车将风能转化为压缩空气内能，压缩气体通过太阳能增益环节变为高能量密度气流，高能量密度气流通过气动马达带动发电机，实现了风能与太阳能向电能的转化。 3.创新点： 首先，提出了以沙漠为背景，为沙漠的绿化改造及开发设计电能的系统，使得沙漠的治理与开发有了可靠的能源供给。太阳能与风能在时间上有很强的互补性，改善了现有的沙漠风能和太阳能发电的不足。采用以风能和太阳能配合使用的发电装置，解决了风电的不稳定性，太阳能只能在白天发电，晚上不能利用的间断性问题。其次采用普通的太阳能增益及开发了太阳能追日增益系统使得在不同大小的系统中合理的资源利用，同时开发了基于超级电容的电力并网系统，使得整个发电系统稳定可靠的运行。 4.技术关键和主要技术指标： 项目主要研究的内容有：①最大性捕捉风能实现风能向机械能的转换；②完成太阳能增益集热器的设计及研制；③实现气动马达同轴带动发电机的装置并建立超级电容器储能装置；④完成汽缸气体流量系统的控制部分；⑤相关电路的设计及软件算法的实现。经过对设备各个部分的检测、优化和组装，电力供给系统整体达到了设计要求、完成了预期功能。
科学性、先进性
- 西部荒漠区沙漠化日益加剧，水资源贫乏等因素使得绿化治沙成为难题，本设计以沙漠治理与开发中电能需求为前提，基于沙漠的特殊环境开发一套更为低成本、环保的系统。将气体存储于气缸内，通过太阳能对积热气缸加热使气体膨胀推动气动马达转动，提高了发电效率。现有的发电大多是将风能或太阳能直接转化为电能，而本设计利用风车将风能存储，再通过太阳能加热使气体膨胀实现高效发电，这样使得电能稳定。并基于超级电容的稳定、能量存取速度快、充放电损耗小的优点，克服能源的浪费，高效地利用了资源。 风能与太阳能组合使用，将开辟了一条提供能源的全新途径。一个风力发电群与压缩空气电站、太阳能增益站的配合，从技术及经济角度看，均可与油、燃气、煤或核能一比高下。我国的沙漠地区面积大，风能和太阳能丰富，建造风力压缩空气站、太阳能积热增益站，将会有稳定持续的电能输出。利用自然清洁的可再生资源—风能和太阳能，不受时间和空间的限制能够创造充足的电能，且系统无污染无噪音不产生废弃物。适应当前的发展趋势，具有广阔发展前途。
获奖情况及鉴定结果
- 2011年5月在本校由校党委学生工作部、校团委、教务处、科学技术处、研究生院、校学生会联合举办的第七届“挑战杯”本校大学生课外学术科技作品竞赛中获特等奖
作品所处阶段
- 系统的硬件、软件都已完成。设计报告完成。
技术转让方式
- 合作生产。
作品可展示的形式
- 模型、视频。
使用说明,技术特点和优势,适应范围,推广前景的技术性说明,市场分析,经济效益预测
- 1. 技术特点和优势 (1)便捷简易；性价比高。 (2)工作物质空气、太阳能资源丰富，无成本消耗。 (3)可再生资源的合理、有效的利用，发电方式对坏境无污染。 (4)克服了风能发电的不稳定性，太阳能发电的间断性。 (5)可规模化、产业化，成批操作，带来可观经济效益。 2.适用范围： (1)沙漠开发和改造中的电力供给。 (2)可移植到非沙漠地区的居民的生活用电。 3.市场分析和经济效益预测： (1)该设计取材于沙漠中丰富的风能、太阳能，高效、低成本、无污染的给沙漠地区的改造与开发过程中输出稳定的电能，用于改造过程中水的提取，通信以及沙漠温室等。具有很高的实用价值，能很好的推动沙漠的治理与改造。 (2) 我国的土地沙化面积大，国家把沙漠治理作为长期的计划项目进行实施，该作品能在沙漠的改造中发挥很大的作用，所以具有很高的经济效益。
同类课题研究水平概述
- 当下我国在新能源发电方面的研究主要是风能或者太阳能发电。是单纯的风力发电或者光伏发电，没有以沙漠为背景，以压缩空气为工作介质，将风能和太阳能结合起来的发电研究。以下就沙漠地区的风能发电和太阳能发电现状做以概述： 1、风能发电 (1)自然风速的大小和方向是随机变化的, 风能具有不稳定性。此外 , 当电网中并入的风力发电容量达到一定程度 , 会引起电压不稳定 , 特别当电网发生短时故障时 , 电压突降 , 风力发电机组无法向电网输送能量 , 最终由于保护动作切出电网。在风能占较大比重的电网中 , 风力发电机组的突然切出会导致电网不稳定。因此 , 用合理的方法使风力发电机组的电功率平稳具有非常重要的意义。风力发电对电网的不利影响可以运用储能技术来改善 (2)风力发电机组的控制技术： 由于空气动力学的不确定性和发电机、电力电子装置模型的复杂性 , 风力发电系统模型的确定很困难。从已列出的那些可能影响风力发电机组性能的误差源和不确定性因素中,诸如老化、大气条件和电网等因素 , 在机组的能量转换过程中引起不同程度的变化。因此,风力发电系统具有很强的非线性和不确定性 , 以及多干扰等特点 , 所有基于某些有效系统模型的控制也仅适合于某个特定的系统和一定的工作周期。另外,风力发电机组通常布置在风力资源丰富的地区,如海岛和边远地区甚至海上 , 要求能够无人值班运行和远程监控 , 这就对风力发电机组的控制系统可靠性提出了很高的要求。 2、光伏发电 光伏发电目前发展的最大制约因素是成本太高,太阳电池占光伏发电系统价格的 60%以 上, 因此开发廉价, 高效, 高可靠, 高稳定, 长寿命的太阳电池就成为世界各国攻关的焦点. 太阳能光伏发电还存在一些有待攻克的“弱点”。它的主要缺点有以下几个方面。 (1):光电转化率很低。 (2):光伏发电需要很大的面积。 (3):所需光照要求复杂，选择地日光辐射情况适当。 (4):光伏发电成本太高。
