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。
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。
我国风电和光伏发电一直处于并行的发展模式，很少有风电光伏一体化安装的工程项目。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，对土地资源的依赖相对较小；光伏一般是面式发展，由于日照资源比较分散，必须要大面积布置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，塔筒直径也不断增大。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]，对于赤道附近的热带和亚热带，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
风力发电机组杆塔塔筒适宜安装垂直光伏组件，用于吸收日光获得能量用于发电[3]。如图1所示，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光伏组件背光的利用，也即利用光伏组件另一面，接收相对较弱的环境光进行发电，并制作出了技术先进的双面光伏[4]。双面光伏虽然对光伏组件成本增加，但对光伏发电有一定的增益作用，经测算还是能够获得一定的收益。
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。如果在风力发电机塔筒安装光伏，可以共用部分电气设备，成本将会得到一定降低。因此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。
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。抬升装置能够避免大型起重设施的投用。该装置由抬升支架、托盘、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，周向布置在塔筒周围，共同完成抬升工作。
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，需安装专用的抬升装置进行安装，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，将光伏组件分成两个半圆加工，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，最后按塔筒外径对组件进行调整固定，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。风力和光伏发电一体化设计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.
作者简介：
a整体示意图 b局部详图
图2 光伏转动装置示意图
