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家旅兩用垂直軸微型風力發(fā)電裝置

本文研制了一個家旅兩用的微型垂直軸風力發(fā)電裝置,由微型垂直軸風力發(fā)電機、電能變換控制部分構成。微型垂直軸風力機的葉片采用帶孔半橄欖球形的設計方案,有利于風機在微風下穩(wěn)定地啟動。同時,微型風機設計成即插即拔方式,每個風機配備DC-DC穩(wěn)壓器,方便多個微型風力發(fā)電機聯(lián)合發(fā)電。智能化的能量控制與管理系統(tǒng)實時監(jiān)測蓄電池端電壓、風力機與負載狀態(tài),從而判斷和切換系統(tǒng)的工作方式,完成各個風機與負載的協(xié)調(diào)控制。實驗和試運行表明:裝置低風速啟動性能好,運行穩(wěn)定可靠,攜帶方便,適合家庭或旅行使用,還可作為家居擺設的工藝品。裝置已申請發(fā)明專利,名稱“家旅兩用垂直軸微型風力發(fā)電裝置”(申請?zhí)枺?010201040874)?!娟P鍵詞】    微型風力發(fā)電裝置  垂直軸  即插即拔  能量管理  可折疊

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
風速(m/s)
風機轉速(rpm)
輸出電壓(V)
輸出功率(W)
10.0
500
5
1.25
12.0
600
6
1.8
15.0
800
8
3.2
20.0
900
9
4.05
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
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