【象新力杯作品展】华北电力大学：便携式全场景风光互补智能发电

一、 作品信息

作品名称：基于涡激共振原理的便携式全场景风光互补智能发电系统

参赛单位：华北电力大学

指导教师：李新涛

团队成员：詹妤涵、王子凝

获奖信息：第四届象新力杯－开放创新赛道自由选题类－一等奖

二、 作品介绍

团队提出一种面向离网场景的便携式风光互补智能发电系统：基于涡激共振原理，采用可伸缩激励柱集成柔性光伏板，配合PET压电薄膜实现风光互补发电；通过NILM负载监测与多智能体协同优化，结合LSTM预测及气象驱动自适应调节，实时追踪涡振频率匹配结构参数，依托物联网云平台实现需求导向供能，为离网场景提供稳定清洁能源。

三、 核心组件

风光互补复合发电体系

涡激振动能量收集：流体流过圆柱形激励体形成卡门涡街使弹性膜振动，压电陶瓷将机械能转为电能。采用三段式可伸缩透明亚克力圆柱作为激励柱，具有良好的透光和机械性能。

太阳能收集：激励柱外侧贴附柔性光伏板，有效提高空间利用率，实现风光互补。

发电薄膜：选取PET薄膜，面积210x300mm2，附着压电陶瓷，其固有频率与涡激振动频率匹配，最大化能量收集效率。

交直流转换与储能管理

发电装置输出交流电经整流转为直流电输入能量收集芯片，超级电容储能缓冲，稳定输出。

需求导向功能策略

针对风光发电波动性，系统通过NILM负载监测（决策树分类+突变点分析）分解设备能耗，结合MADDPG多智能体协同校正气象数据，采用CEEMDAN-LSTM模型（MSE= 0.032，精度91%）预测环境变化。

引入AnyLogic仿真软件，构建天气混沌系统动态模型，结果如下图优化预测效果。基于用电紧迫性动态优化供能优先级。

智能对风模块

通过多参数气象传感器和 4G模块获取数据，经DBSCAN-PCA聚类降维和SSA时序特征提取，搭建智能对风模块，调整弹性膜方向优化效率。

激励柱下方连接以舵机转盘，自动调整系统方向，确保系统始终处于最佳对风状态，最大化风能利用率。

激励柱固有频率匹配

构建ROM气动降阶模型，利用ARX训练模型，结合CFD 仿真追踪涡振频率，自适应调节激励柱高度，使系统固有频率实时匹配涡振频率。

物联网云平台

封装算法搭建物联网云平台，通过4G模块实时回传发电量/负载/环境数据，实现运行监测与安全预警；用户可经可视化大屏定位设备位置并监控状态。

四、 应用前景

本项目在分布式能源领域具有广阔应用前景：凭借高能量密度与低环境依赖突破传统局限，微型化设计适配沙漠/山区等无电网场景；3m/s低风速启动及水流兼容性扩展弱风/河流应用，涡振抑制功能同步解决建筑结构安全与供电需求。技术经济性方面，无旋转部件的设计大幅降低运维成本，显著提升用户可负担性，尤其适合经济基础薄弱地区推广。