新能源驱鸟器的设计与制作

谷俊杰，俞先锋（通讯作者）

（浙江水利水电学院，杭州浙江，310018）

0 引言

本文设计的驱鸟器是在目前市面上所推广的风力驱鸟器的基础上进行升级改造，解决无法在无风和无光的情况下驱鸟的问题，提高驱鸟器的性能，并且可为研发带有储能系统的农村自用离网型风光互补发电、家用储电装置以及直流电机驱动等方面提供一定的思路以及实践依据[1]。

1 驱鸟器系统总体设计方案

该驱鸟器设计的功能是：白天在充足的光照和足够的风力条件下，通过风力机旋转带动风杯光照反射，产生旋转的强光，起到驱鸟功效，同时借助风力发电和光伏发电对蓄电池储能；在夜间、无风或光照不理想的条件下，依靠蓄电池提供LED光源和驱动电机工作，带动风轮旋转，LED光源通过旋转的风轮风杯反射，产生旋转的强光，起到驱鸟的功效。

装置系统总体框图如图1所示。装置所选用的旋转机构是将垂直轴风杯式风轮通过传动机构连接直流电机，风杯式叶片的内表面安装反射凹面镜，同时安装LED灯；直流电机是具有双回路的电机，既能工作于发电运行状态，在风力足够大的时候实现风力发电储能，也能工作于电动运行状态，在风力较小时实现由电机带动风轮旋转，这样可以简化机械传动机构的设计，节省了空间；控制电路模块选择用光敏电阻采集光照强度，以此来控制白天与夜间电机工作状态的切换。考虑到光伏板和风力发电的不稳定性，所以增加DC/DC升降压模块，实现宽电压输入恒压恒流输出，使蓄电池的充放电得到稳定控制。

图1 装置系统总体框图

2 驱鸟器的结构设计

驱鸟器的结构设计，包括风轮结构、传动结构和装置底座结构设计三部分。

■2.1 风轮结构的设计

风轮的主要结构是由三个风杯式的叶片构成，每个叶片与垂直轴通过65CM长的空心管连接，风杯式叶片内部安装LED光源。风轮的叶片之所以选用风杯式叶片[2]，主要是为了将一个凹面镜放在风杯式叶片的杯口内部，由光的反射原理，白天通过太阳光的照射，聚焦成三束移动的白色强光，驱赶鸟类。考虑到晚上没有光照，起不到驱逐鸟类的作用，所以将扇叶与垂直轴的轴承之间连接的连杆设计成空心管，内装设导线，并在扇叶与连杆连接的位置开小孔，安装LED光源，在夜晚光源照射到凹面镜上，通过反射，产生平行强光，达到驱逐鸟类的作用。

LED的电源导线穿过中空垂直轴与轴底部安装的导电滑环输出端连接，导电滑环的输入端与装置的蓄电池电源连接。

■2.2 传动结构的设计

传动结构主要由低速轴、变速齿轮、高速轴、联轴器和轴承构成。模型图如图2所示。

图2 传动结构示意图

由于装置采用的是垂直轴风力发电机，因此整个传动结构整体与风轮旋转面以及地面呈垂直分布，高度大致为1.2m左右，变速齿轮与发电机安装在底部。

2.2.1 低速轴设计

由于垂直轴风力机的风轮对于离地高度有一定的需求，所以低速轴选用直径8mm，长100cm的不锈钢管，通过刚性联轴器与风轮旋转轴连接。低速轴采用两个凸台轴承两点支撑方式，另外选用了一根两端带法兰盘，直径5cm，长70cm的不锈钢管作为凸台轴承的支撑平台，该支撑平台的下端法兰盘与底座支架连接。

2.2.2 变速齿轮设计

由于本装置所选用的发电机额定转速为3800rpm，实际功率15W，电机转速较高，而风轮旋转速度较低，所以需要采用变速齿轮进行转速调节。

变速齿轮采用一级平行轴轮系结构，与低速轴连接的是60齿的凸台齿轮，与高速轴连接的是12齿的凸台齿轮，变速比为5。通过实验测得，当风轮的转速为24r/min时，高速轴带动发电机旋转，即可产生12V的直流电压。每分钟24转的速度对于风力的要求较低，而对于蓄电池的充电要求是可以正常满足。

2.2.3 高速轴设计

高速轴一端采用卧式轴承支撑，该轴承与发电机一块固定在垂直分布的木板上；高速轴与12齿的凸台齿轮固定连接，其另一端通过联轴器与发电机转轴连接。

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装置的底座为长方体结构，长30cm，宽22cm，高29cm，负责承重的主体部分设计成由25mm×25mm的方形木条构成的框架结构，并设计了两层，上层为承重层，主要作用是摆放太阳能光伏板和作为风轮和传动机构的承重平台；下层为器件架设层，用来放置电机、蓄电池、电路模块，并且下层离地距离为10cm，这样可以减少外界对于设备的影响。

3 驱鸟器系统电路设计

驱鸟器系统电路部分的设计是一个装置能否正常运行的关键，下面主要从LED光源驱动电路、蓄电池充放电电路和系统控制电路三部分分别介绍。

■3.1 LED光源驱动电路设计

LED光源驱动电路的设计思路是：从LT8705模块（蓄电池放电控制模块）输出，经过导电滑环引入旋转轴，然后分三路通过限流电阻分别连接安装在风杯中的LED灯。由于LT8705模块输出是12V，根据LED光源亮度需求，选择限流电阻为680Ω，LED灯的导通电流约为15mA。

■3.2 蓄电池充放电电路设计

本装置选用的蓄电池是12V/8Ah的蓄电池，采用恒压充电和放电方式。充电时充电电压需要控制在12.6V以上，由于风力发电机和太阳能光伏板发电输出电压具有不稳定性，因此需要通过一个宽电压输入恒压输出的充电电路来实现对蓄电池的可靠充电。放电时，放电电压需要控制在12V左右，由于随着蓄电池的使用，其端电压也会有变化，因此需要通过一个宽电压输入恒压输出的放电电路来实现对负载的可靠供电。这里的充放电电路均选用了由LT8705集成电路[3]构成的DC/DC升降压模块。

LT8705模块电路属于非隔离BUCK-BOOST，它的输入电压为6～80V，输入电流为0.5～15A，MPPT输入电压为9～60V，输出电压为1.3～80V，输出电流为3.5～15A。主要作用是将宽电压范围输入变为直流稳压输出。

■3.3 系统控制电路设计

驱鸟器的工作原理是白天通过风力发电机和太阳能光伏板发电向蓄电池充电，晚上再由蓄电池向LED和电机供电，因此需要设计一个能实现自动切换的控制电路。这里选用光敏电阻采集光照强度来实现白天和晚上的判别，从而可以产生逻辑相反的控制信号实现自动切换控制。

具体的控制电路分为四个模块，分别为+5V电源模块，光敏电阻感应模块，运算放大器模块，继电器模块，各个模块通过相互连接，构成了控制电路。

光敏电阻模块和继电器模块的输入电压均为5V，但是由于蓄电池的电压值为12V，所以需要降低电压值[4]。+5V电源模块主要的作用就是将+12V电压调整为5V的电压输出。+5V电源模块主要由7805三端稳压芯片、电容组成。

如图3所示，光敏电阻模块具有灵敏度调节电位器，通过调节电位器，来调整光明电阻对于光照强度的敏感程度。本设计的光敏电阻模块设定为当光照强度高时，输出低电压，当光照强度低时，输出高电压。

图3 光敏电阻模块和运算放大器模块电路

运算放大器模块如图3所示，它的的作用是通过由两级运放构成的两个比较器将光敏电阻模块输出的开关信号转换成两路相位相反的开关信号IN1和IN2。

继电器模块的功能就是通过接受IN1和IN2两路相位相反的高低平信号，通过光耦隔离后控制两个继电器的动作，从而得到分别控制蓄电池充放电的切换控制信号，如图4所示。

图4 继电器模块电路图

4 驱鸟器功能测试

在白天，通过电风扇制造风力，模拟实际运行环境，检测太阳能光伏板和风力发电机发出电能，实际测试产生的电压为12.4V，产生的电流为0.01A。

风杯在LED光源发光时的反光效果图如图5所示。

图5 风杯反射强光实际拍摄图

在光照强度高时，光敏电阻感受到光照时，输出低电平，继电器切换到1端口，进行蓄电池充电；在亮度较低时，光敏电阻输出高电平，继电器切换到2端口对电机和LED灯进行供电，效果展示图如图6所示。

图6 模拟白天和夜间工作状切态换效果

根据上述的测试，基本上可以证明本装置的功能是可以达到预期设计效果。

5 结论

本文设计的新能源驱鸟器是采用风光互补供电，是一种经济环保高效的驱鸟设备，可以减少鸟类对农业生产的损失，适合在农田区域使用。