風光聯合發電塔的制作方法

本實用新型屬于新能源技術領域，具體涉及一種風光聯合發電塔。

背景技術：

能源是經濟發展和人民生活必須的重要物質基礎。近年來隨著化石能源的日趨緊缺和環境保護要求的日益提高，可再生、無污染的新能源的開發利用越來越受到重視，風力發電和太陽能發電都是典型的可再生能源發電技術，風光互補發電系統是利用風能和太陽能資源的互補性，是性價比較高的一種新型能源發電系統，具有很好的應用前景。如申請號為201420726077.2的專利公開了一種風力、光伏發電站，申請號為201510215838.7的專利公開了一種光伏風力發電機組，這些技術都涉及風力和太陽能聯合發電。然而，目前已有技術存在如下問題：

(1)目前風力發電一般采用分散式水平軸風力發電機，占地面積大，單位造價高，經濟性差；

(2)常規太陽能和風力聯合發電，電廠布置困難，高大的風力發電裝置會影響太陽能采光裝置的采光，影響太陽能發電效率；

(3)常規太陽能和風力聯合發電，不便于現場安裝和檢修；

(4)風向不穩導致常規水平軸風力發電機發電效率低，風速較小時不能發電。

技術實現要素：

本實用新型實施例涉及一種風光聯合發電塔，至少可解決現有技術的部分缺陷。

本實用新型實施例涉及一種風光聯合發電塔，包括塔體，所述塔體為多層式結構，且至少部分塔層為集風層；各所述集風層內均設有風力發電單元和多面導風壁，所述風力發電單元設于對應的所述集風層中央，各所述導風壁均豎直座設于對應的所述集風層的層板上，且自相鄰的所述風力發電單元附近延伸至該層板外緣；每一所述集風層中，相鄰兩所述導風壁圍設形成一外側和內側均開口的導風部，各所述導風部均自其外側向其內側方向逐漸收縮；于塔頂上及各所述集風層內均布置有光伏板組；每一所述集風層中，至少于該集風層向陽側的各所述導風部內設置有所述光伏板組。

作為實施例之一，所述風力發電單元包括垂直軸磁懸浮風力發電機。

作為實施例之一，各所述導風壁與相鄰的所述垂直軸磁懸浮風力發電機之間的距離不小于0.5m。

作為實施例之一，各所述導風部的風流入口與風流出口的面積之比均在2.7～9.8范圍內。

作為實施例之一，位于所述塔體上部的各所述集風層的高度小于位于所述塔體下部的各所述集風層的高度。

作為實施例之一，設置有所述光伏板組的所述導風部中，至少在對應的所述導風壁的向陽面上均設置有第一光伏板組；各第一光伏板與對應的所述導風壁壁面之間的夾角可調。

作為實施例之一，各所述集風層中設有第二光伏板組，所述第二光伏板組安裝于對應導風部內的層板上；各第二光伏板與水平面之間的夾角可調。

作為實施例之一，各光伏板的板面上均設有耐磨保護層。

作為實施例之一，所述耐磨保護層為疊覆于光伏板板面上的玻璃板。

作為實施例之一，各所述玻璃板的外表面均涂覆有增透涂層。

本實用新型實施例至少具有如下有益效果：通過在發電塔上布置光伏板組和風力發電機組，較常規的光伏、風力、風光互補發電系統占地面積小，約為常規風力發電占地面積的1/70；發電效率高，綜合造價低和運行維護費用，經濟性好。采用導風壁構成導風部型式的集風結構，使風力發電機組不受風向的影響，同時降低了風速對發電系統的影響，在風速較低時也能穩定發電。

附圖說明

為了更清楚地說明本實用新型實施例或現有技術中的技術方案，下面將對實施例或現有技術描述中所需要使用的附圖作簡單地介紹，顯而易見地，下面描述中的附圖僅僅是本實用新型的一些實施例，對于本領域普通技術人員來講，在不付出創造性勞動的前提下，還可以根據這些附圖獲得其它的附圖。

圖1為本實用新型實施例提供的發電塔的結構示意圖；

圖2為本實用新型實施例提供的集風層的剖面結構示意圖；

圖3為本實用新型實施例提供的發電塔工作的流程示意圖。

具體實施方式

下面將結合本實用新型實施例中的附圖，對本實用新型實施例中的技術方案進行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實施例僅僅是本實用新型一部分實施例，而不是全部的實施例。基于本實用新型中的實施例，本領域普通技術人員在沒有做出創造性勞動前提下所獲得的所有其它實施例，都屬于本實用新型保護的范圍。

如圖1-圖3，本實用新型實施例提供一種風光聯合發電塔1，包括塔體1，所述塔體1為多層式結構，且至少部分塔層為集風層；本實施例中，如圖1，該發電塔1第三層及第三層以上均為集風層；第一層可用于設置設備間、維修間、備品庫等，在維修間上部可設置吊裝機構；第二層可用于設置控制室及休息室等。通過采用塔式結構，可減小電站的占地面積，較常規光伏、風力發電站，可降低成本。

如圖2，各所述集風層內均設有風力發電單元4和多面導風壁102，所述風力發電單元4設于對應的所述集風層中央，各所述導風壁102均豎直座設于對應的所述集風層的層板101上，且自相鄰的所述風力發電單元4附近延伸至該層板101外緣；每一所述集風層中，相鄰兩所述導風壁102圍設形成一外側和內側均開口的導風部，各所述導風部均自其外側向其內側方向逐漸收縮。其中，各導風壁102均優選為架構于相鄰的兩層板101之間，即各導風壁102的頂端與對應集風層的頂端(即該集風層上一層的層板101)連接，一方面導風效果更好，另一方面起到支撐壁的作用。每一集風層的外周緣均與塔體1外空間開放連通，即各集風層均無側壁，以方便風能的收集；從而，該發電塔1的第三層及以上的塔體1為由相應的各層板101及相應的各導風壁102搭建構成。各導風壁102與相鄰的風力發電單元4之間具有一定的間隙，且每層的各導風壁102與對應的風力發電單元4之間的間隙優選為相同，從而在各導風壁102與風力發電單元4之間形成一便于風流動的風流道5，利于風力發電單元4的旋轉做功；本實施例中，為保證風具有充分的流通空間，上述風流道5的寬度控制在不小于0.5m。每一集風層中，各導風壁102相對于對應的風力發電單元4呈放射狀向對應層板101的周緣延伸；各導風部的外側開口形成為其風流入口，該風流入口與塔體1外空間開放連通，內側出口形成為其風流出口，該風流出口正對風力發電單元4，風經由風流入口進入導風部內，再經由風流出口進入風流道5內，驅動風力發電單元4做功，并經由另一側的導風部排出塔體1外。由于各導風部均呈漸縮狀，兩導風部相配合即可構成一文丘里結構，使得風在集風層內流動時因文丘里效應而能夠提高風速，而風力發電單元4位于對應的文丘里結構的喉口部，因而能有效提高發電效率。同時，對應于風進入塔體1的方向，風在塔體1背面會產生渦流，該渦流的存在使得穿過塔體1的風的壓降更大，由此能更快地提高風力發電單元4的葉片的旋轉。

本實施例中，上述風力發電單元4優選為采用垂直軸磁懸浮風力發電機4，垂直軸磁懸浮風力發電機4采用磁懸浮技術，結合超級磁鐵的磁力，將電機線圈懸浮于一定的空間，在沒有任何機械摩擦的情況下，依靠風力推動電機轉動并切割磁力線發出交流電，并儲存于電池中。相比于傳統水平軸式風力發電機而言，其優點在于：

第一，多面受風，啟動風速更低；傳統水平軸式風力發電機帶有尾翼，必須隨風向變化轉動風車；垂直軸磁懸浮風力發電機4依靠陀螺式風翼旋轉，不隨風向變化改變軸心。

第二，傳統水平軸式風力發電機噪音大，無法克服不定風向帶來的抖動，電機、葉片容易脫落，三年須更換一次配件；而垂直軸磁懸浮風力發電機4運轉穩定，無噪音，各種機件壽命長，不易脫落，可連續工作20年以上。

第三，傳統水平軸式風力發電機要求空曠無遮蔽的大空間；而垂直軸磁懸浮風力發電機4對空間要求低；

第四，垂直軸磁懸浮風力發電機4發電風速更低。傳統水平軸式風力發電機啟動風速至少2.5m/s，而垂直軸磁懸浮風力發電機4僅需1m/s風速即可啟動，風速超過40m/s也可照常運轉，且風速越高發電效率越高，發電量可比前者增加35％。

第五，垂直軸磁懸浮風力發電機4采用自適應功率控制技術，在低風速時進行升壓，使風機在較低轉速時即可對蓄電池充電；高風速時限制輸出功率，以免損壞蓄電池。

本實施例中，優選為將各集風層內的垂直軸磁懸浮風力發電機4均設置為單元式結構，其中一層集風層內的垂直軸磁懸浮風力發電機4發生故障時，不影響其他垂直軸磁懸浮風力發電機4的正常運行，保證系統的穩定運行，且便于檢修維護。

如圖2，進一步在發電塔1內設置有光伏發電系統，實現風光聯合發電，一方面充分利用發電塔1的空間，節約占地空間，降低成本，另一方面，實現風力與太陽能的有效利用，有效提高發電效率，實現發電的高效節能環保。具體地，于塔頂上及各所述集風層內均布置有光伏板組2；每一所述集風層中，至少于該集風層向陽側的各所述導風部內設置有所述光伏板組2。為節約成本，可僅在各集風層的向陽側設置上述光伏板組2；當然，可視實際情況選擇在各集風層的其他側相應設置上述光伏板組2，如對于位于中國境內的上述發電塔1，可在南側、東側及西側的各導風壁102的可被陽光照射的壁面上安裝光伏板組2。

接續上述結構，對于集風層內光伏板組2的布置，可以有如下結構：

設置有所述光伏板組2的各所述導風部中，至少在對應的所述導風壁102的向陽面上均設置有第一光伏板組2。

各所述集風層中設有第二光伏板組2，所述第二光伏板組2安裝于對應導風部內的層板101上。

一般地，為達到發電效率最大化，在對應的導風壁102上及對應的層板101上均布置光伏板組2。對于各導風壁102上的第一光伏板組2，優選為設置各第一光伏板的板面沿豎直方向；每一第一光伏板在太陽位置變化過程中都基本以同一角度(與陽光垂直)采光，因此，可將各第一光伏板以所需的角度支撐固定于對應的導風壁102上；作為本實施例的優選結構，各第一光伏板與對應的所述導風壁102壁面之間的夾角可調。另外，各第二光伏板與水平面之間的夾角也優選為可調。將各光伏板與對應的安裝面之間的夾角設置為可調，在有陽光照射或需要采光時，將各光伏板調節至所需角度，當沒有陽光照射或其他一些應急情況(如風中攜帶的砂石較多)等狀況下，將各光伏板調節至與對應的安裝面之間呈平行狀態，可減小各光伏板受到的風力作用，降低各光伏板由于風的持續刮擦而導致的磨耗。具體地，各第一光伏板可調節至與對應的導風壁102貼合，從而有效減小各第一光伏板的受風面積，降低與風之間的摩擦力；各第二光伏板可調節至呈水平狀態。其中，各第二光伏板組2可對應配置角度自動跟蹤控制機構，該角度自動跟蹤控制機構可采用現有的光伏發電技術領域常用的光伏板角度自動跟蹤控制系統，具體結構及實現方式此處不再贅述，通過上述角度自動跟蹤控制機構，一方面可實現上述角度調節的需要，另一方面，可保證各第二光伏板在采光過程中始終與太陽光光線垂直，提高采光效率。上述各第一光伏板組2的角度調節機構可采用如下結構：

各第一光伏板的外端(即靠近塔體1外沿的端部)通過一豎直轉軸可轉動安裝于對應的導風壁102上，另一端通過一伸縮桿與對應的所述導風壁102連接；伸縮桿的兩端優選為分別與對應的第一光伏板和導風壁102鉸接。通過伸縮桿的作用力，使得第一光伏板繞豎直轉軸轉動，從而其內端遠離導風壁102或貼靠于導風壁102壁面上。

另外，設于塔頂的各光伏板組2同樣可配置上述角度自動跟蹤控制機構。

上述各光伏板組2優選為采用單元式結構，一個光伏板組2發生故障時，不影響其他光伏板組2的正常發電。

進一步優化上述結構，作為本實施例的一種優選結構，在未設置所述光伏板組2的各所述導風部中均設置有導風部調節機構，所述導風部調節機構包括兩第一導風板和一第二導風板，兩所述第一導風板分別安裝于對應的兩所述導風壁102上，其中，每一所述第一導風板的一端通過一豎直轉軸可轉動安裝于對應的所述導風壁102上且靠近該導風壁102的外端設置，另一端靠近該導風壁102的內端設置且通過一伸縮桿與對應的所述導風壁102連接(伸縮桿的兩端優選為分別與對應的第一導風板和導風壁102鉸接)；所述第二導風板安裝于對應的所述導風部內的層板101上，所述第二導風板的一端通過一水平轉軸可轉動安裝于對應的所述層板101上且靠近該層板101的外沿設置，另一端靠近該層板101的內沿設置且通過一伸縮桿與對應的所述層板101連接(伸縮桿的兩端優選為分別與對應的第二導風板和導風壁102鉸接)。通過上述導風部調節機構，可調節對應導風部的風流入口與風流出口之間的面積之比(考慮到上述風流入口與風流出口均呈弧面形狀，因此用面積之比)，從而調節通過塔體1的風速，達到調節發電效率的目的。另外，對于上述設置有光伏板組2的各導風部，其同樣可實現上述導風部調節機構的作用，可通過各光伏板組2的角度調節實現上述目的；考慮到靠近塔體1中心位置處不易采光，因而不會設置光伏板組2，相應地可通過設置導風板替代。

在捕集的風的風速較小時，或光伏發電功率不足(如夜晚、陰天等)，可通過增大對應導風部的風流入口與風流出口的面積之比，可在一定程度上提高風速，從而提高發電效率。在捕集的風的風速較大時，或風光聯合發電的發電功率大于電網的限發功率等情況下，可通過減小對應導風部的風流入口與風流出口的面積之比，將發電功率控制在相對穩定的水平。通過上述方法，可保證蓄電池等能量存儲單元7的安全可靠平穩工作，保證本發電塔的正常穩定運行。本實施例中，各所述導風部的風流入口與風流出口的面積之比均控制在2.7～9.8范圍內，通過上述調節方法，綜合光伏發電的發電功率，可保證本發電塔的發電功率維持在較為穩定的水平，波動較小。

如圖3，本發電塔還包括能量儲存系統，各所述風力發電單元4的電能輸出端口及各所述光伏板組2的電能輸出端口均與所述能量儲存系統連接。所述能量儲存系統包括通過線路依次連接的風光互補控制器6、能量存儲單元7及并網逆變器8，各所述風力發電單元4的電能輸出端口及各所述光伏板組2的電能輸出端口均與所述風光互補控制器6的輸入端連接。

上述能量存儲單元7可采用蓄電池組，當然也可采用其他儲能方式，例如超級電容器儲能、飛輪儲能、超導儲能等；也可將兩種或幾種儲能技術混合使用。實施例之一為蓄電池和超級電容器混合儲能，兩者在技術性能上有很強的互補性，可大大提高儲能裝置的性能。

本實施例中，上述風光互補控制器6采用MPPT方式控制光伏板組2和風力發電機組4對蓄電池進行充電。在光伏板組2和風力發電機組4的發電功率大于電網的限發功率時，控制雙向DC/DC變換器正向運行對蓄電池充電，以使得并網逆變器8的輸出功率不大于電網的限發功率，因此不需要進行限發處理，保證了風光聯合發電系統滿負荷運行，提高了系統的利用率；在光伏板組2和風力發電機組4的發電功率小于電網的限發功率時，控制雙向DC/DC變換器反向運行對蓄電池放電，在不超過電網限發功率的前提下增大向電網饋入電能的總量。風光互補控制器6采用了液晶模塊，可以顯示蓄電池電壓、光伏板組2電壓、風力發電機組4電壓、光伏板組2功率、風力發電機組4功率、光伏板組2電流、風力發電機組4電流、蓄電池電量狀態。通過液晶上的按鍵，可以瀏覽顯示內容。風光互補控制器6具有完善的保護功能，包括：光伏板組防反沖、光伏板組防反接、蓄電池過充電、蓄電池防反接、防雷、風力發電機組限流、風力發電機組自動剎車和手動剎車。風光互補控制器6采用智能化、模塊化設計，結構簡單、功能強大，選用工業級的優質元器件，適合于低溫等惡劣的工作環境并具有可靠的性能和使用壽命。

上述并網逆變器8為工頻隔離拓撲結構，逆變效率高于97％，輸入電壓范圍：100V～450V，逆變單元基于工業驅動技術，單機輸出功率為100kw、250kw、500kw、750kw、1MW、1.5MW、2MW、3MW。并網逆變器8具有最大功率跟蹤控制、孤島檢測、自動電壓調整、直流檢測、直流接地檢測等功能。

本實施例中，基于上述風光互補控制器6，結合上述各導風部的風流入口與風流出口的面積之比的調節，同時可結合各光伏板組2的角度調節控制(即控制各光伏板的采光效率)，通過上述各方面綜合協調處理，可實現蓄電池的充放電平穩持續運行，保證風光聯合發電系統滿負荷運行，且保證本系統的發電功率與電網的限發功率適配。

另外，本系統還設置有智能監控系統。針對本風光聯合發電系統的光伏板組2和垂直軸磁懸浮風力發電機4安裝地點分散、無人值守的特點，智能監控系統將所有數據匯總展示，并進行統一管理。數據采集器對光伏板組2、風力發電機組4、風光互補控制器6、能量儲存單元、并網逆變器8等進行數據采集，通過有線或無線的方式，與計算機9連接。智能監控系統具有如下特點：一是易于監控和可視化；實時數據與歷史數據以動態圖形展現，效率分析和數據對比圖形清晰準確，具有自定義預警和分明的管理權限。二是數據收集的安全性，數據通過網絡與云服務器連接，數據完全實現云存儲，可確保數據實時展現，不會失去數據。三是數據統計、分析準確性，智能監控系統采用可靠地數據分析和效率分析圖形使管理者更清晰的掌握電站的運行情況；有多重權限管理功能，所有菜單可自由分配給不同的管理員。四是預警，智能監控系統具有自定義預警功能，可以使電站運行人員方便靈活的掌握電站的運行情況。

接續上述風光聯合發電系統的結構，各集風層的高度可相同，也可不同；考慮到在不同高度處的風速可能不同，可采用如下的優選實施例：

(1)位于所述塔體1上部的各所述集風層的高度大于位于所述塔體1下部的各所述集風層的高度；各集風層內的風力發電單元4的功率可相應配置，即位于塔體1上部的各集風層內的風力發電單元4的功率大于位于塔體1下部的各集風層內的風力發電單元4的功率。由于高處的風速較低處的風速要高，上述結構可進一步提高風力發電的效果。

(2)位于塔體1上部的各集風層的高度小于位于塔體1下部的各集風層的高度；各集風層內的風力發電單元4的功率相同。由于高處的風速較低處的風速要高，高處的集風層僅需較小的塔層高度即可獲得與低處的集風層相同的發電功率，因而，上述結構可提高各集風層的發電功率的均勻性，進而提高風力發電機組工作的穩定性。

進一步優化上述風光聯合發電塔的結構，各光伏板的板面上均設有耐磨保護層。由于風的持續刮磨，在一些環境較為復雜、惡劣的地區，風中攜帶的砂石也會對光伏板造成磨蝕、撞擊，通過耐磨保護層對光伏板進行保護，可有效提高光伏板的使用壽命，保證光伏板組2的正常工作。上述耐磨保護層需具有良好的耐磨性及透光率，同時具有一定的耐候性則更佳；如可采用保護膜、高分子透明塑料等；本實施例中，上述耐磨保護層為疊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組分構成：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，通過將Fe₂O₃控制在較低的水平，避免其在玻璃成型過程中產生著色、降低玻璃光學透光率等情況；添加的少量的氧化鋇可提高玻璃的透光性能；添加的少量的氧化鈰、氧化鋰及氧化鍶，在不影響玻璃的透光性的基礎上，保證了低反射率和低輻射吸收率，同時可一定程度上提高玻璃的耐候性及耐磨性；通過上述各組分的選擇及含量范圍控制，使得玻璃板具有良好的透光性、化學穩定性及熱穩定性，機械強度及硬度都符合要求，更為關鍵的是，其耐磨性較好。進一步地，上述玻璃板優選為由以下重量百分比的組分構成：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、耐候性及耐磨性等綜合性能更佳。

進一步優選地，在各所述玻璃板的外表面均涂覆有增透涂層；進一步可在各所述玻璃板的內表面均涂覆有防增透涂層。增透涂層可提高透光玻璃板的透光能力，防增透涂層則可防止透過玻璃板的太陽光光線在未經光伏板吸收時通過該玻璃板散失到環境中，提高光伏板的采光效率。上述增透涂層優選為采用耐磨的自清潔增透涂層，可由市面購得。

另外，如圖1，在塔頂還設置有避雷針3，在發電塔1頂端設有接閃器，用符合規格的導線與埋在地下的泄流地網連接起來。在塔體1內部可設置樓梯及直升電梯等，直升電梯的支架為框架結構，支架框架各立面不設擋板結構；踏板樓梯為框架結構，立面不設擋板結構，踏板樓梯為格柵結構；樓梯和電梯優選為設置于塔體1北側，不影響光照。

以上所述僅為本實用新型的較佳實施例而已，并不用以限制本實用新型，凡在本實用新型的精神和原則之內，所作的任何修改、等同替換、改進等，均應包含在本實用新型的保護范圍之內。