便携式垂直轴风力发电设备系统化设计

2018-05-24尹德健杨家俊张显国李志军

现代工业经济和信息化 2018年4期

尹德健，杨家俊，张显国，李志军

（扬州大学，江苏扬州 225100）

1 研究背景

在这个追求低碳环保的时代，风能逐渐成为各个国家重视的对象。据统计，我国的风能总储量在1 600 GW左右，且分布较均匀，具有巨大的利用潜力和价值[1]。风力发电机作为一种风电转换装置，主要分为水平轴和垂直轴两种，水平轴风力机被广泛应用于大规模的高能效发电，每年为世界提供大量能源，而垂直轴由于利用率较低一直得不到足够的重视，发展较为缓慢。近年来随着技术不断革新，垂直轴风力机取得长足进步。垂直轴风力机具有维护方便，叶片设计制造简单，不需对风等优点，特别是其启动风速小的特点，使之被广泛应用在各个地区成为可能。芬兰的一家名为WindSide的公司推出一种新型小型垂直轴风力发电系统，可为野外工作者的电池充电，其适应力极强，最大的优点是风速不高的情况下就能提供稳定电力。本研究面向的电子设备主要为手机，平板及其他小功率器件，其充电电压在5～10 V，电流在1～3 A，小型垂直轴风力机功率在50～200 W，完全满足移动设备充电要求。

2 主要设计原理

2.1 垂直轴风力机叶片设计

垂直轴风力机主要可以分为两种，一种是升力型，另一种是阻力型。物体在空气中受力R可以正交分解为垂直于流体方向的升力分量L和平行于流体方向的阻力分量D。

利用升力作为动力的风力机就成为升力型风力机，利用阻力作为动力的风力机就是阻力型风力机。

升力型风力机最典型的是由法国工程师达里厄发明的达里厄风力机，对叶片形状又可细分为直叶片和弯叶片两类。

升力型风力机风能利用系数大，对风能的利用率较高，但是其叶片结构较为复杂，简化困难，且极易损坏，难以便携化利用。

阻力型风力机的典型结构是萨瓦纽斯型风力机，由芬兰工程师Savoonius发明，又被称为S型风力机，其结构如图1所示。

图1 S型风力机

S型风力机主要有两个半圆柱型叶片组成，它的显著优点是启动转矩很大，启动风力低，尖速比较低，对风能的利用率小于达里厄风力机，但是其结构简单，且制造工艺要求难度远低于达里厄风力机，利于便携化设计。其叶片形状便携化设计，主要利用SOLIDWORKS对叶片进行建模处理，最终做出最理想效果图加以实现。

为使体积相对较大的叶片更为贴合便携化设计，结合折叠伞的结构，使用中空金属条作为叶片框架，将防风布料撑起作为叶片，从而达到利于折叠存放、不占用较大空间又可以正常使用的目的。

2.2 电机选型

驱动风力主要来自野外自然风，据气象统计显示，我国年有效风密度达到可以用水平的地区约占我国领土总面积的80%，平均风速可达3 m/s，东南沿海及西北，东北等地区风速甚至可达6～7 m/s，可利用潜力巨大。外出旅游考察风力条件大概在3～8 m/s，在这样的风速条件下，要求电机可以正常工作的最低风速在3 m/s，另外为了便携化处理，且移动设备充电功率要求低，电机体积重量应尽可能小，所以最终选择日本三洋40 W发电马达，在负载10 Ω，转速700 r/min情况下，发电机输出功率可达到12 V，已经达到便携设备的充电要求。

2.3 发电机风电转化电路

S型风力机带动小型发电机转动，三相发电机输出不稳定的随风速变化交流电，不可以直接加以利用，工业常后接调节器，为轻量化设备[2]。使用电子调节器，如图2所示。

图2 电子调节器

电子调节器由功率开关三极管、信号放大和控制电路以及电压信号的检测电路等部分组成。当合上开关SW后，蓄电池电压便夹在A、C两端，R1上的分压UAB通过三极管VT1的发射结加到稳压管VD上，由于蓄电池电压低于发电机的规定电压值，故此时加到稳压管VD上的电压值小于其反向击穿电压UVD，稳压管VD截止，VT1截止，VT2则由R3提供偏置电流而处于饱和导通状态，蓄电池便经给VT2磁场绕组提供磁场电流。当发电机电压超过规定值时，VD导通，VT1导通，使VT2的发射结被短路，因而VT2截止，从而切断了磁场电路，使得发电机电压迅速下降。如此反复，发电机的电压便被稳定于规定值[3]。