便攜式垂直軸風(fēng)力發(fā)電設(shè)備系統(tǒng)化設(shè)計(jì)

尹德健， 楊家俊， 張顯國， 李志軍

（揚(yáng)州大學(xué)， 江蘇 揚(yáng)州 225100）

1 研究背景

在這個(gè)追求低碳環(huán)保的時(shí)代，風(fēng)能逐漸成為各個(gè)國家重視的對(duì)象。據(jù)統(tǒng)計(jì)，我國的風(fēng)能總儲(chǔ)量在1 600 GW左右，且分布較均勻，具有巨大的利用潛力和價(jià)值[1]。風(fēng)力發(fā)電機(jī)作為一種風(fēng)電轉(zhuǎn)換裝置，主要分為水平軸和垂直軸兩種，水平軸風(fēng)力機(jī)被廣泛應(yīng)用于大規(guī)模的高能效發(fā)電，每年為世界提供大量能源，而垂直軸由于利用率較低一直得不到足夠的重視，發(fā)展較為緩慢。近年來隨著技術(shù)不斷革新，垂直軸風(fēng)力機(jī)取得長足進(jìn)步。垂直軸風(fēng)力機(jī)具有維護(hù)方便，葉片設(shè)計(jì)制造簡單，不需對(duì)風(fēng)等優(yōu)點(diǎn)，特別是其啟動(dòng)風(fēng)速小的特點(diǎn)，使之被廣泛應(yīng)用在各個(gè)地區(qū)成為可能。芬蘭的一家名為WindSide的公司推出一種新型小型垂直軸風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)，可為野外工作者的電池充電，其適應(yīng)力極強(qiáng)，最大的優(yōu)點(diǎn)是風(fēng)速不高的情況下就能提供穩(wěn)定電力。本研究面向的電子設(shè)備主要為手機(jī)，平板及其他小功率器件，其充電電壓在5～10 V，電流在1～3 A，小型垂直軸風(fēng)力機(jī)功率在50～200 W，完全滿足移動(dòng)設(shè)備充電要求。

2 主要設(shè)計(jì)原理

2.1 垂直軸風(fēng)力機(jī)葉片設(shè)計(jì)

垂直軸風(fēng)力機(jī)主要可以分為兩種，一種是升力型，另一種是阻力型。物體在空氣中受力R可以正交分解為垂直于流體方向的升力分量L和平行于流體方向的阻力分量D。

利用升力作為動(dòng)力的風(fēng)力機(jī)就成為升力型風(fēng)力機(jī)，利用阻力作為動(dòng)力的風(fēng)力機(jī)就是阻力型風(fēng)力機(jī)。

升力型風(fēng)力機(jī)最典型的是由法國工程師達(dá)里厄發(fā)明的達(dá)里厄風(fēng)力機(jī)，對(duì)葉片形狀又可細(xì)分為直葉片和彎葉片兩類。

升力型風(fēng)力機(jī)風(fēng)能利用系數(shù)大，對(duì)風(fēng)能的利用率較高，但是其葉片結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，簡化困難，且極易損壞，難以便攜化利用。

阻力型風(fēng)力機(jī)的典型結(jié)構(gòu)是薩瓦紐斯型風(fēng)力機(jī)，由芬蘭工程師Savoonius發(fā)明，又被稱為S型風(fēng)力機(jī)，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 S型風(fēng)力機(jī)

S型風(fēng)力機(jī)主要有兩個(gè)半圓柱型葉片組成，它的顯著優(yōu)點(diǎn)是啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩很大，啟動(dòng)風(fēng)力低，尖速比較低，對(duì)風(fēng)能的利用率小于達(dá)里厄風(fēng)力機(jī)，但是其結(jié)構(gòu)簡單，且制造工藝要求難度遠(yuǎn)低于達(dá)里厄風(fēng)力機(jī)，利于便攜化設(shè)計(jì)。其葉片形狀便攜化設(shè)計(jì)，主要利用SOLIDWORKS對(duì)葉片進(jìn)行建模處理，最終做出最理想效果圖加以實(shí)現(xiàn)。

為使體積相對(duì)較大的葉片更為貼合便攜化設(shè)計(jì)，結(jié)合折疊傘的結(jié)構(gòu)，使用中空金屬條作為葉片框架，將防風(fēng)布料撐起作為葉片，從而達(dá)到利于折疊存放、不占用較大空間又可以正常使用的目的。

2.2 電機(jī)選型

驅(qū)動(dòng)風(fēng)力主要來自野外自然風(fēng)，據(jù)氣象統(tǒng)計(jì)顯示，我國年有效風(fēng)密度達(dá)到可以用水平的地區(qū)約占我國領(lǐng)土總面積的80%，平均風(fēng)速可達(dá)3 m/s，東南沿海及西北，東北等地區(qū)風(fēng)速甚至可達(dá)6～7 m/s，可利用潛力巨大。外出旅游考察風(fēng)力條件大概在3～8 m/s，在這樣的風(fēng)速條件下，要求電機(jī)可以正常工作的最低風(fēng)速在3 m/s，另外為了便攜化處理，且移動(dòng)設(shè)備充電功率要求低，電機(jī)體積重量應(yīng)盡可能小，所以最終選擇日本三洋40 W發(fā)電馬達(dá)，在負(fù)載10 Ω，轉(zhuǎn)速700 r/min情況下，發(fā)電機(jī)輸出功率可達(dá)到12 V，已經(jīng)達(dá)到便攜設(shè)備的充電要求。

2.3 發(fā)電機(jī)風(fēng)電轉(zhuǎn)化電路

S型風(fēng)力機(jī)帶動(dòng)小型發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，三相發(fā)電機(jī)輸出不穩(wěn)定的隨風(fēng)速變化交流電，不可以直接加以利用，工業(yè)常后接調(diào)節(jié)器，為輕量化設(shè)備[2]。使用電子調(diào)節(jié)器，如圖2所示。

圖2 電子調(diào)節(jié)器

電子調(diào)節(jié)器由功率開關(guān)三極管、信號(hào)放大和控制電路以及電壓信號(hào)的檢測電路等部分組成。當(dāng)合上開關(guān)SW后，蓄電池電壓便夾在A、C兩端，R1上的分壓UAB通過三極管VT1的發(fā)射結(jié)加到穩(wěn)壓管VD上，由于蓄電池電壓低于發(fā)電機(jī)的規(guī)定電壓值，故此時(shí)加到穩(wěn)壓管VD上的電壓值小于其反向擊穿電壓UVD，穩(wěn)壓管VD截止，VT1截止，VT2則由R3提供偏置電流而處于飽和導(dǎo)通狀態(tài)，蓄電池便經(jīng)給VT2磁場繞組提供磁場電流。當(dāng)發(fā)電機(jī)電壓超過規(guī)定值時(shí)，VD導(dǎo)通，VT1導(dǎo)通，使VT2的發(fā)射結(jié)被短路，因而VT2截止，從而切斷了磁場電路，使得發(fā)電機(jī)電壓迅速下降。如此反復(fù)，發(fā)電機(jī)的電壓便被穩(wěn)定于規(guī)定值[3]。

2.4 整流及穩(wěn)壓電路

采用一個(gè)三相整流橋電路接在發(fā)電機(jī)輸出端，將方向大小變化的發(fā)電機(jī)輸出信號(hào)轉(zhuǎn)化成大小起伏的直流電，起伏不定的直流電信號(hào)在經(jīng)過穩(wěn)壓器穩(wěn)壓后可穩(wěn)定在5V。

3 結(jié)語

風(fēng)電作為一種主要的清潔能源無疑是新時(shí)代的發(fā)展主題之一，而將其應(yīng)用于室外的微型發(fā)電用來緩解中小型電子設(shè)備的供電問題，無疑具有廣闊的應(yīng)用前景。

參考文獻(xiàn)

[1] 鄭云.小型H型垂直軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)氣動(dòng)性能分析[D].西安：西安交通大學(xué)，2008.

[2] 孫志超.戶外休閑發(fā)電系統(tǒng)設(shè)計(jì)[D].武漢：武漢理工大學(xué)，2012.

[3] 史廣泰，升力型.升阻型垂直軸風(fēng)力機(jī)流場計(jì)算及性能預(yù)測[D].蘭州：蘭州理工大學(xué)，2013.