線槽_PVC線槽_電纜接頭_尼龍扎帶_冷壓端子_尼龍軟管_金屬軟管_導軌_汽車線束 - 上海日成電子有限公司RCCN

引言

當今，風能開發(fā)越來越受到人們的重視。作為一種新型能源，它取用方便，不污染環(huán)境，并且資源豐富。據(jù)估算1，全世界的風能總量約1300億千瓦，中國的風能總量約16億千瓦。有資料表明，近些年來，各種可再生能源開發(fā)利用中，風電的增長速度是最快的。 但是，目前運行的風力發(fā)電機功率都比較大1，尚不能在家居生活中真正普及?；趯L電裝置微型化的理念，本文提出一種新型的家旅兩用微型垂直軸風力發(fā)電裝置，為的是將可再生的、環(huán)保的風能應用到日常生活中，讓風力發(fā)電真正走入尋常百姓家！

1 裝置結構

本裝置使用微型垂直軸風力發(fā)電機提供電能。采用類似于半橄欖球形狀的阻力型風杯及風力機設計，具有啟動風速低，啟動性能好，穩(wěn)定低速運轉的優(yōu)點2。為了不引起紊流，在半橄欖球形的葉片中心開一個小孔，用于引導風的流向3。由于要求裝置方便攜帶、易拆裝，風機還設計成即插即拔的形式。發(fā)電機采用微型永磁同步發(fā)電機，啟動力矩小，以達到低啟動風速的目標。

DC-DC穩(wěn)壓器采用Boost電路，可以穩(wěn)定提升不可控整流輸出電壓至DC12V。蓄電池采用7.2V/5200mAh的鋰電池。充電電路Buck采用DC-DC變換芯片AP34063搭建，放電電路同樣采用Boost。系統(tǒng)內(nèi)置能量管理，不斷對蓄電池端電壓、風力機發(fā)出的能量、負載所需的能量情況進行判斷，以此切換系統(tǒng)的工作方式，完成各個風機與負載的協(xié)調(diào)控制。

裝置的結構框圖如下：

圖1 系統(tǒng)原理框圖

下面分別來介紹各個部分的設計。

2 風力機設計

（1） 風力機尺寸設計

計算風機的風能捕獲有以下公式4：

                  (1)

式中PN是額定功率，設計PN =2 w；ρ是空氣密度，取ρ=1.225kg / m3；Cp是風能利用系數(shù)，取Cp=0.2；η是風力機傳動系統(tǒng)和發(fā)電機的效率，取η=0.8；VN是額定風速，取VN=7m / s；S是葉輪的掃風面積。計算可得S=0.03m2。

由于裝置采用的是三葉片阻力型的垂直軸風力機，所以掃風面積可表示為：
S = 3                                                 （2）
式中r是風杯半徑。計算可得：r = 0.05m。
設計風力機的直徑D=0.2m。

（2） 葉片形狀的設計

根據(jù)葉片的啟動特性、正面與背面的風阻分析，證明半橄欖球型葉片的背向阻力很小，利于在微風中啟動和運轉，適合采用為本裝置的葉片形式。在實驗室用風扇在同一風速下吹動各類風機模型旋轉，對比啟動性能和轉速，也證實了半橄欖型葉片的氣動特性較好。

但是，實驗也發(fā)現(xiàn)，半橄欖球形的葉片雖然很靈敏，但當氣流進入葉片內(nèi)部，在頂端中心沖擊容易產(chǎn)生氣流紊亂，導致風機啟動時不穩(wěn)定，并減慢風機的轉速，影響發(fā)電效果。在葉片的尾部打一個小孔，小孔就有導流的效果，從而不會發(fā)生紊流，使葉片運轉趨于穩(wěn)定，提高發(fā)電效率。
 

圖2  未開孔葉片內(nèi)部氣流分析

（3） 風力機重要參數(shù)計算

速比是葉片旋轉速度和來流速度之比，是影響風力機氣動力性能的重要因素。通過查閱資料有以下公式5：

            (3)

其中N表示風力機的額定轉速，取N=200rpm，D表示風力機直徑，VN 表示額定風速。
則：

                  (4)

風力機葉片的疏密程度決定了葉片氣動力干擾的強弱，是影響風力機性能的重要因素，通常用葉片密實度來衡量風力機葉片的疏密程度。可以如下表示5：

(5)

其中B表示葉片個數(shù)，C / D表示葉片的弦長直徑比。
在本風機中，C = r
帶入公式，計算得：σ=0.75
通過資料5，計算工作轉矩有公式：
 

       (6)

計算可得：T=
一般取3~5倍的工作轉矩作為啟動力矩。
由此可以看出，風力機啟動力矩較小，滿足微風啟動的要求。

（4） 風力機整體示意圖

根據(jù)以上計算結果，已經(jīng)得到風力機的完整參數(shù)，據(jù)此設計繪制風力機的AutoCAD3D圖紙，如圖3：

圖3 葉片3D圖

3 穩(wěn)壓電路的設計
     （1）Boost工作原理及參數(shù)計算
     BOOST電路原理圖如下：

圖4 BOOST電路原理圖

D表示二極管，L表示電感，C表示電容，SW表示電力電子開關器件。
輸入輸出關系有以下公式：

(7)

其中：Vout即直流母線電壓；Vin為穩(wěn)壓電路輸入電壓； 為BOOST電路的占空比。
由于裝置內(nèi)部的要求，所以規(guī)定以下參數(shù)：
電路輸入電壓Uin范圍：5~9
電路輸出電壓Uout：12
開關工作頻率：100
取最小的輸入電壓5V，由上述公式

                     (8)

可得最大占空比：
                              (9)
已知額定負載，由公式
                      (10)
V=RI                                               （10-2）
可得輸入電流：
             (11)
根據(jù)電感計算公式可得儲能電感：
             (12)
根據(jù)電容計算公式可得濾波電容，即直流母線的電容：
                  (13)
考慮裕量，取。

（2）電路實驗調(diào)試結果

調(diào)試結果表明，當輸入在4.5V~9V之間，所搭建的電路樣板輸出均能穩(wěn)定在12V，下圖是各實驗波形：
當DC-DC輸入電壓為4.5V時，占空比為62.5%，輸出恒定在12V。
 

圖5 DC-DC輸出波形1

當DC-DC輸入電壓為6V時，占空比為50%，輸出恒定在12V。

圖6 DC-DC輸出波形2

當DC-DC輸入電壓為8V時，占空比為33%，輸出恒定在12V。

圖7 DC-DC輸出波形3

4 能量管理系統(tǒng)的設計

能量管理系統(tǒng)它可以根據(jù)外界的風力，判斷蓄電池端電壓、風力機發(fā)出的能量、負載所需的能量，據(jù)此切換系統(tǒng)的工作方式，完成各個風機與負載的協(xié)調(diào)控制，動態(tài)的轉換蓄電池的儲電和輸電的狀態(tài)，保證系統(tǒng)能夠應對各種環(huán)境、負載條件下的電能需求。
其控制管理思路如下：
1、風速較低，風力發(fā)電機不能發(fā)電，且蓄電池端電壓較低，則系統(tǒng)關機；
2、風速較低，風力發(fā)電機不能發(fā)電，但蓄電池端電壓正常，則蓄電池放電，向負載供電；
3、風速較高，風力發(fā)電機可以發(fā)電，但是負載需要的能量大于風力發(fā)電機發(fā)出的能量，且蓄電池端電壓正常，則蓄電池與風力發(fā)電機同時向負載供電；
4、風速較高，風力發(fā)電機可以發(fā)電，但是負載需要的能量大于風力發(fā)電機發(fā)出的能量，蓄電池端電壓較低，切斷部分負載；
5、風速較高，風力發(fā)電機可以發(fā)電，且風力發(fā)電機發(fā)出的電能足夠負載使用且有多，蓄電池端電壓較低，則風力發(fā)電機向負載供電，同時向蓄電池充電；
6、風速較高，風力發(fā)電機可以發(fā)電，且風力發(fā)電機發(fā)出的電能足夠負載使用且有多，蓄電池端電壓較高，則風力發(fā)電機向負載供電，多余電能通過卸荷電阻消耗；
7、風速太高，風力發(fā)電機轉速過高，蓄電池端電壓較低，則控制風力機剎車，系統(tǒng)關機；
8、風速太高，風力發(fā)電機轉速過高，蓄電池端電壓過高，則控制風力機剎車，由蓄電池向負載供電。

使用單片機進行檢測、采樣、計算、判斷工作模式后，控制系統(tǒng)中的開關器件調(diào)整開關狀態(tài)，構成特定的供電回路，就能夠實現(xiàn)能量管理。

當風力機、蓄電池等能量輸入大于負載所需時，母線電壓上升；小于負載所需時，母線電壓會下降；保持動態(tài)平衡時，母線電壓會在一定范圍內(nèi)保持相對穩(wěn)定的狀態(tài)。單片機檢測母線電壓來判斷能量供需是否匹配，通過判斷母線電壓處在哪個范圍內(nèi)來發(fā)出相應的控制信號，控制系統(tǒng)各部分的切入退出。

其主要工作流程如下圖：

圖中負載1代表重要負載，如照明用電；負載2代表非重要負載，如小功率充電器。

圖8 能量管理工作流程圖

5 裝置整體及其實驗

裝置整體如下圖所示：

圖9 裝置整體實物圖

通過不同風速下裝置整體帶載實驗，可知系統(tǒng)風力發(fā)電的功率水平：

表1 系統(tǒng)實驗功率輸出水平

實驗結果顯示，系統(tǒng)的功率輸出可以滿足LED照明及小功率充電器的用電要求。

6 結語

本文提出的家旅兩用垂直軸微型風力發(fā)電裝置具有精巧便攜的特點，其電能控制轉換電路以及能量管理系統(tǒng)可以保證風力電能的穩(wěn)定輸出。通過實驗證明其功率輸出可以滿足小功率用電的要求，裝置在家居或戶外都具有較好的實用性。

參考文獻
1. 田海姣，王鐵龍等.垂直軸風力發(fā)電機發(fā)展概述.應用能源技術，2006，11：22-27.
2. 李巖.垂直軸風力機技術講座（一）——垂直軸風力機及其發(fā)展概況.可再生能源，2009，2：121-123.
3. 陳忠維.垂直軸風力機葉尖速比分析研究.可再生能源，2008，10：76-82.
4. 范正萍，王心塵等.小型家用垂直軸風力發(fā)電系統(tǒng)的設計。能源技術，2007，Vol.28(5)：279-283.
5. 陳忠緯.垂直軸阻力型風力機平均功率計算及分析.設計與研究，2008，11：20-24.