风力发电机组加装光伏装置可行性研究

刘建生

摘 要：风和光资源分流发展不利于自然资源的合理利用，利用风力发电机大面积杆塔附加光伏装置可以提高发电效率。杆塔光伏设计需考虑太阳入射角度、天气情况等多种因素，通过设计抬升装置安装光伏装置具有一定的可操作性，且施工难度不大，将为风力发电场站的风光资源综合利用创造条件。

关 键 词：风力；光资源；利用效率；太阳入射角；天气；抬升装置；施工

中图分类号： 文献标识码： 文章编号：

Feasibility Study On Installing Photovoltaic Device On Wind Turbine

Liu Jiansheng

(East China Electric Power Test and Research Institute of China Datang Group Science and Technology Research Institute Co., Ltd., Hefei.230000，China)

Abstract: The separate development of wind and light resources is not conducive to the rational utilization of natural resources. The use of large-area tower attached photovoltaic devices of wind turbines can improve the power generation efficiency. Tower photovoltaic design needs to consider various factors such as solar incidence angle and weather conditions. The installation of photovoltaic devices through the design of lifting devices has certain operability and little construction difficulty, which will create conditions for the comprehensive utilization of wind and solar resources in wind power stations.

keywords:wind force; Light resources; Utilization efficiency; Solar incidence angle; Weather; Lifting device; construction

1.问题提出背景

随着我国双碳政策的大力推进，风力发电得到了快速的发展，在能源获取方面的重要性日益凸显[1]。近二十年，风力发电机的单机容量持续增长，现在已经向万千瓦迈进，不但在内陆有大量的装机，海上风电得到了空前的发展，随着漂浮式风电研究的不断深入，在不久的将来远离海岸的深海区域也将出现一定规模的风电机组。

我国风电和光伏发现一直处于并行的发展模式，很少有风电光伏协调发展的工程项目。根据两种能源的特性不同，风电一般是点式发展，风机叶轮越来越大，对土地资源的以来较小；光伏一般是面式发展，由于日照资源比较分散，必须要大面积不是光伏组件才能对光资源进行利用，光伏板成片发展，还需要考虑不利天气等自然环境的影响。

2.合理利用风光资源

我国北方大部分地区风力和光资源均较好，合理利用这些自然资源能够提供更多的电力。尤其是西北和内蒙地区，纬度较低，太阳入射角较小，对于高的竖直建筑，光资源利用更有便利条件。目前我国风力发电场站、光伏发电场站均为分开布置，很少有组合发展的案例。

风力发电占地面积小，对地面作物影响较小，因此在耕地或者林地均可以安装一定规模的风力发电机。随着风力发电机装机的不断增大，目前最大的风机叶片长度已经超过100米，塔筒高度也超过了130米。随着高度的增加，塔筒直径也不短增大。以2MW风机为例，塔筒直径约4米左右，对于10MW或更大容量的最大塔筒直径超过7米。因此对于大型风力发电机而言，塔筒表面，甚至叶片表面均可以安装光伏板组件，用于接收太阳光进行发电。

如按塔筒直径7米，高度130米来测算，塔筒受光壁面面积可以达到910㎡。如果能安装光伏组件对其进行利用，能够获得一定的发电量。光伏组件每平方米发电140W/h，900平米光伏板小时发电126kW，如按年利用小时按2000小时进行测算，年发电可达25万度。实际上塔筒表面光伏组件随着季节、不同时段的受光面积是不断变化的，上午和下午受光面积大，但阳光较弱，中午阳光强烈，但受光面积较小。

3.光伏安装需考虑的因素

在竖直的建筑或杆塔上安装光伏发电装置，需要考虑如下因素。

3.1太阳入射角的影响

光伏场站的设计安装需考虑太阳入射角的影响。太阳入射角决定光伏板安装角度[2]，对于赤道附近的热点和亚热带，上午或下午阳光照射较好，但由于正午太阳直射，对于竖直安装的光伏板很难正面接收到阳光照射，因此光资源利用极为有限。对于北方地区，尤其是冬天，全天均有较好的阳光入射角度，光伏板能够获得更多的光资源，因此北方纬度高的地区更适合安装竖直光伏。

图1 太阳入射角对受光面积的影响

如图1所示，在风力发电机塔筒安装类似于高层建筑幕墙的光伏[3]。太阳入射角呈α照射到竖直的壁面上，受光面积为避免面积A与入射角α余弦的乘积，即为A受光=A壁面*cosα。

目前光伏制造厂商关注到背光的利用，也即利用背光的天光进行发电，发展出了技术先进的双面光伏[4]，对光伏组件成本增加，但对光伏发电有一定的增益作用。

3.2天气的影响

对于光资源的利用，国家对国内不同地区的光资源进行了分类。晴好天气居多的西北、内蒙等地区属于一类光资源，需要更好的加以利用。江浙、福建地区由于阴雨天气较多，光资源利用有一定的难度，发电效率也收到较为严重的影响。

3.3工艺流程

目前光伏发电的工艺流程相对固定，均由光伏组件接收太阳照射，产生电流送入逆变器进行整流，通过变压器进行上网，整个过程和风力发电较为相近。发展风力杆塔光伏可以将两种不同的发电模式进行整合，转换后统一接到变压器送到电网。

4.部件设计

4.1光伏组件形式的选择

光伏组件主要由两种，分别是是单晶硅和多晶硅太阳能组件。单晶硅太阳能电池的光电转换效率为15%左右，最高的达到24%，一般采用钢化玻璃以及防水树脂进行封装，因此其坚固耐用，技术先进，逐渐成为了市场主流。多晶硅制作工艺和单晶硅相近，该组件研制较早，转化效率仅有12%左右，但更早的进入市场，因此占据了一定的装机份额。

常见的光电转换组件还有碲化镉、铜铟镓硒等制造的薄膜光伏，还有其他化学能转换光伏，因技术限制，制造和材料成本较高，目前只在特殊场合选用。

4.1.1矩形光伏板

常见的光伏组件是矩形的光伏板，有光伏单元组件拼接成大的正方形或长方形。矩形光伏板适合安装与地面上，能够拼接成大面积的光伏矩阵，形成大容量的光伏发电场站。

4.1.2弧形光伏板

将光伏板组件做成弧形，并适配风力发电机等较高的杆塔，能够减少大风天气对光伏板的吹扫和冲击，防止光伏板受到损坏。

4.1.3两种形式的比较

因风力发电机杆塔竖直安装，光伏发电装置安装于杆塔表面，因此选用弧形光伏板更为适合。弧形光伏板能够在大风天气减小阻力，防止风力对光伏板造成损坏，并能减少沙尘天气的冲刷。

4.1转动装置的设计

对于风力发电机杆塔而言，设计安装180°光伏板就能满足使用需求，但需要为光伏发电装置设计转动装置，使光伏发电装置中间位置始终朝向太阳所在的方位，以获得更好的日照强度和时长。

光伏控制系统实时计算太阳方位的位置，设置专用的位置计算函数，根据相关信息实时计算太阳的方位角，位置计算函数如下：

式中，φS为太阳的方位角，θS为太阳高度角，h为计算时间的时角，δ为当时的太阳赤纬。

控制系统与驱动组件的电机连接，电机根据控制系统中的位置计算函数计算的太阳方位角，来实时调整光伏组件1的位置，保证弧形的光伏组件1的中心位置始终对准太阳。

设计固定在风电塔筒上的支撑环，用于承担光伏组件重量。为了实现光伏组件的转动，设计平面和竖直两个方向的约束，如图2所示，圆周方向可以通过周向布置的多个滚轮定位，竖直方向的滚轮承受组件的重量，并能保证组件转动灵活。在转动环上设计齿轮传动机构，由电机进行控制，用于完成光伏装置的转动功能。

图2 光伏转动装置示意图

为了降低光伏组件的重量，应采用强度较好的轻型材料制造光伏板和转动装置，减小下端光伏组件的负载。整个光伏组件的重量落在下部基础上，减小对风力发电机塔筒的影响。为了保证安装后杆塔满足要求，应采用专用的软件对模态和强度进行校核，防止出现各部件在运行中出现共振，并防止恶劣天气组件的应力超标，影响安全运行。

5.光伏装置的安装

对于未安装的风力发电机组，光伏可以通过预制的方式进行组装。对于已经安装到位的风力发电机，则需要设计合理的施工方案现场安装。由于组装起来的光伏装置较重，需要专门设计，对原有基础进行过加固，提高地面的强度，并使大部分重量由地面基础承担。

5.1抬升装置的设计

为了完成分段光伏组件的现场安装，需设计专用的组件抬升装置。抬升装置由支架、托盘、矩形螺杆起升装置组成。托架采用矩形螺纹传动机构，通过转动手轮带动矩形螺纹机构实现托盘的顺利抬升。可根据组件支撑圈直径的大小安装多个抬升托架。

对于高度有限的小型杆塔，使用较小的手动抬升装置即可满足要求。对于大直径杆塔，杆塔底部的直径会小于杆顶的直径，需安装专用的支架尽进行安装，并需要设计抬升力更大的电动抬升装置。

5.2施工过程

为了便于安装，设计制造高度为2-3米的分段光伏组件，将光伏子安分成两个半圆加工，最后到现场进行组装，组装一段向上抬升一段。在前一段组抓完成后，利用抬升装置机构将组件升高，在下部空间进行下一段组件的组装，组装完成后将两段之间用螺栓进行连接。完成后继续向上抬升，直至完成作业。

随着组件的连接和抬升作业，陆续完成转动机构和电气控制线路的安装。为了以后维护方便，同时设计安装爬梯及护笼等安全设施。

6.小结

对于大型风力发电机组，塔筒具有较大的表面积，具有光伏发电装置安装的条件，设计可转动的光伏组件可以有效利用塔筒面积用于发电，在风力发电机组上安装应用，可以获得较大的发电量。协同风力和光伏发电能够合理利用自然资源，提高风力和光资源的利用效率，本文对风力发电机杆塔光伏装置的设计和安装进行了讨论，并就再装风力发电机安装光伏提供了初步的施工方案，为新能源的发展提供了一定的参考和借鉴。

参考文献：

[1]苗青青,石春艳,张香平.碳中和目标下的光伏发电技术[J].化工进展,2022,41(03):1125-1131.

[2]刘洋.光伏发电系统中影响发电量因素分析[J].四川水力发电,2022,41(01):27-30.

[3]姜文化.太阳能光伏建筑一体化中光伏幕墙的设计要点分析[J].工程建设与设计,2022(05):25-27.

[4]吴芳和,黄圭成,王士涛,李彩霞.光伏双面跟踪发电系统的发电特性研究[J].太阳能,2022(02):31-39.

a整体示意图 b局部详图

图2 光伏转动装置示意图