便攜式多動力源發(fā)電系統(tǒng)設(shè)計的探究

楊思夢

摘 要：通過設(shè)計便攜式多動力源發(fā)電系統(tǒng)，實現(xiàn)風(fēng)、光、手搖的互補式發(fā)電。作品采用便攜式設(shè)計，各個部件采用了收縮式、折疊式的設(shè)計。折疊后便于用戶在戶外旅游時攜帶，人們在戶外就可以利用風(fēng)、光、手搖發(fā)電，解決了人們在出外時用電難的問題，將節(jié)能環(huán)保帶到了戶外旅游中。

關(guān)鍵詞：發(fā)電系統(tǒng)；新能源；系統(tǒng)設(shè)計；永磁式發(fā)電機

中圖分類號：TM614 文獻標(biāo)識碼：A DOI：10.15913/j.cnki.kjycx.2015.12.081

風(fēng)能、太陽能作為清潔的可再生能源，越來越受到世界各國的重視。資料顯示，我國風(fēng)能總量約1.6×109 kW，年有效風(fēng)能密度達到可利用水平的地區(qū)約占國土面積的76%，特別是東南沿海及附近島嶼、內(nèi)蒙古和甘肅走廊、東北、西北、華北和青藏高原等部分地區(qū)，每年風(fēng)速在3 m/s以上的時間近4 000 h，一些地區(qū)年平均風(fēng)速可達6～7 m/s，具有很大的開發(fā)利用價值。另外，我國太陽能資源相當(dāng)豐富，絕大多數(shù)地區(qū)年平均日輻射量超過4 kW·h/ m2，西藏最高達7 kW·h/m2。其中，一、二、三類地區(qū)約占全國總面積的2/3以上，年太陽輻射總量高于5 000 MJ/m2，年日照時數(shù)大于2 000 h，具有利用太陽能的良好條件。

在我國新能源的良好資源優(yōu)勢下，新能源開發(fā)利用設(shè)備卻并不理想，尤其是集成式發(fā)電機不成熟，戶外無法有效采集利用風(fēng)能、太陽能。傳統(tǒng)的戶外出游都會遇到電子設(shè)備缺電的情況，戶外出游時會攜帶較多的備用電源——電池，或者是利用汽車等設(shè)備的供電系統(tǒng)為電子產(chǎn)品供電。這些電源不環(huán)保，且不能較長時間供電。雖然現(xiàn)在市面上風(fēng)力發(fā)電和光能發(fā)電技術(shù)早已成熟，但現(xiàn)有的產(chǎn)品很少有將兩種資源混合在一起發(fā)電，并且大多數(shù)的風(fēng)能、太陽能發(fā)電裝置體積龐大、笨重，不方便攜帶和移動，更不能滿足對便攜性、靈活性要求較高的戶外用電需求。

1 多動力源發(fā)電系統(tǒng)的設(shè)計

1.1 工作原理

作品采用滾筒式設(shè)計，利用滾筒式葉片啟動風(fēng)速低的特點，適應(yīng)戶外旅游時低風(fēng)速的情況，并采用滾筒式設(shè)計使作品結(jié)構(gòu)緊湊。發(fā)電系統(tǒng)的穩(wěn)壓電路采用了開關(guān)穩(wěn)壓電路，相比于傳統(tǒng)的線性穩(wěn)壓電路，它避免了線性穩(wěn)壓電路在穩(wěn)壓過程中相當(dāng)于電阻而造成功耗較大的問題，因此我們選擇了開關(guān)穩(wěn)壓電路。開關(guān)穩(wěn)壓電路的核心芯片為LM2596，具有功耗小、效率高、很好的過流保護和限流保護能力等優(yōu)點，簡化了電路，輸出固定且電壓較為穩(wěn)定。

1.2 主要組成結(jié)構(gòu)

1.2.1 機械部分

發(fā)電系統(tǒng)動力分為葉片軸和手搖機構(gòu)。在風(fēng)力發(fā)電時，滑移齒輪Ⅲ向右滑動，與葉片軸上的齒輪Ⅳ嚙合，當(dāng)風(fēng)吹動葉片軸時，葉片軸直接帶動兩邊的發(fā)電機轉(zhuǎn)動發(fā)電。當(dāng)手搖發(fā)電的時候，滑移齒輪Ⅲ向左滑動，手搖發(fā)電系統(tǒng)的齒輪Ⅱ與滑移齒輪Ⅲ嚙合，這樣搖動手搖機構(gòu)就可以帶動發(fā)電機發(fā)電。

滑移齒輪的設(shè)計可在不同發(fā)電狀態(tài)下將不同的傳動鏈接入發(fā)電系統(tǒng)中，防止風(fēng)力發(fā)電時帶動手搖機構(gòu)轉(zhuǎn)動，或者是手搖發(fā)電時帶動葉片軸轉(zhuǎn)動，否則發(fā)電效率就會大大降低。同時，手搖機構(gòu)采用兩級齒輪增速，提高了發(fā)電功率。

尾翼的設(shè)計是為了在風(fēng)力發(fā)電的過程中自動調(diào)整滾筒的迎風(fēng)面，做到自主迎風(fēng)。原理為：當(dāng)風(fēng)向改變時，就會對尾翼產(chǎn)生一個偏移力，在偏移力的作用下，滾筒自主迎風(fēng)，調(diào)整角度，此時α變小，當(dāng)滾筒正對著風(fēng)向時，α=0，偏移力就消失了。

1.2.2 電路設(shè)計

永磁式發(fā)電機省去了勵磁式發(fā)電機的勵磁繞組、碳刷、滑環(huán)結(jié)構(gòu)，整機結(jié)構(gòu)簡單，避免了勵磁繞組易燒毀、斷線，碳刷、滑環(huán)易磨損等故障，可靠性大大提高。永磁式發(fā)電機的優(yōu)點主要有以下幾點。

1.2.2.1 體積小、重量輕、比功率大

永磁轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)的采用，使得發(fā)電機內(nèi)部結(jié)構(gòu)設(shè)計排列得很緊湊，體積、重量大為減少。永磁轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)的簡化，還使得轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動慣量減少，實用轉(zhuǎn)速增加，比功率（即功率、體積之比）達到一個很高的值。

1.2.2.2 中、低速發(fā)電性能好

功率等級相同的情況下，怠速時，永磁式發(fā)電機要比勵磁式發(fā)電機的輸出功率高1倍，也就是說，永磁式發(fā)電機是實際等功率等級的勵磁式發(fā)電機。

1.2.2.3 延長蓄電池壽命

永磁式發(fā)電機采用的是開關(guān)式的整流穩(wěn)壓方式，穩(wěn)壓精度高、充電效果好，避免了過電流充電造成的蓄電池壽命縮短。永磁式發(fā)電機的開頭式整流輸出對蓄電池采用小電流脈沖充電，相同的充電電流充電效果更好，從而延長蓄電池的使用壽命。

1.2.2.4 效率高

永磁式發(fā)電機是一種節(jié)能產(chǎn)品。永磁轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)免去了產(chǎn)生轉(zhuǎn)子磁場所需的勵磁功率和碳刷、滑環(huán)之間磨擦的機械損耗，使得永磁式發(fā)電機效率大為提高。普通勵磁式發(fā)電機在1 500～6 000 r/min之間的轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)平均效率只有45%～55%，而永磁式發(fā)電機則可高達75%～80%.

經(jīng)過以上的一些對比，可以得出結(jié)論，永磁式發(fā)電機在小型發(fā)電中的性能要強于勵磁式發(fā)電機，所以發(fā)電機的選擇為永磁式交流發(fā)電機。

2 結(jié)束語

新能源已被列為“十二五”規(guī)劃的七大戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)之一，在全國大部分地區(qū)，風(fēng)能、光能未得到有效開發(fā)利用，戶外用電是個難題，因此應(yīng)用前景很廣。作品采用混合式的發(fā)電方式，可利用多種可再生清潔能源進行發(fā)電，它集風(fēng)能、光能發(fā)電于一體，具有以下幾個優(yōu)點：①便攜式設(shè)計，滿足了用戶攜帶至戶外使用的要求；②風(fēng)輪機采用滾筒模式，安全可靠；③風(fēng)光互補集合式設(shè)計，效率高。

風(fēng)光互補式新能源的利用填補了便攜式混合發(fā)電機的空白，其簡單、高效的機械設(shè)計和優(yōu)化的電路設(shè)計提高了能量的利用率，實現(xiàn)了新能源的有效開發(fā)與利用，達到了節(jié)能減排與可持續(xù)發(fā)展的目的。

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〔編輯：王霞〕