便攜式垂直軸風力發(fā)電設備系統(tǒng)化設計

尹德健， 楊家俊， 張顯國， 李志軍

（揚州大學， 江蘇 揚州 225100）

1 研究背景

在這個追求低碳環(huán)保的時代，風能逐漸成為各個國家重視的對象。據(jù)統(tǒng)計，我國的風能總儲量在1 600 GW左右，且分布較均勻，具有巨大的利用潛力和價值[1]。風力發(fā)電機作為一種風電轉換裝置，主要分為水平軸和垂直軸兩種，水平軸風力機被廣泛應用于大規(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。近年來隨著技術不斷革新，垂直軸風力機取得長足進步。垂直軸風力機具有維護方便，葉片設計制造簡單，不需對風等優(yōu)點，特別是其啟動風速小的特點，使之被廣泛應用在各個地區(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力發(fā)電系統(tǒng)，可為野外工作者的電池充電，其適應力極強，最大的優(yōu)點是風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備主要為手機，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，小型垂直軸風力機功率在50～200 W，完全滿足移動設備充電要求。

2 主要設計原理

2.1 垂直軸風力機葉片設計

垂直軸風力機主要可以分為兩種，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。

利用升力作為動力的風力機就成為升力型風力機，利用阻力作為動力的風力機就是阻力型風力機。

升力型風力機最典型的是由法國工程師達里厄發(fā)明的達里厄風力機，對葉片形狀又可細分為直葉片和彎葉片兩類。

升力型風力機風能利用系數(shù)大，對風能的利用率較高，但是其葉片結構較為復雜，簡化困難，且極易損壞，難以便攜化利用。

阻力型風力機的典型結構是薩瓦紐斯型風力機，由芬蘭工程師Savoonius發(fā)明，又被稱為S型風力機，其結構如圖1所示。

圖1 S型風力機

S型風力機主要有兩個半圓柱型葉片組成，它的顯著優(yōu)點是啟動轉矩很大，啟動風力低，尖速比較低，對風能的利用率小于達里厄風力機，但是其結構簡單，且制造工藝要求難度遠低于達里厄風力機，利于便攜化設計。其葉片形狀便攜化設計，主要利用SOLIDWORKS對葉片進行建模處理，最終做出最理想效果圖加以實現(xiàn)。

為使體積相對較大的葉片更為貼合便攜化設計，結合折疊傘的結構，使用中空金屬條作為葉片框架，將防風布料撐起作為葉片，從而達到利于折疊存放、不占用較大空間又可以正常使用的目的。

2.2 電機選型

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

2.3 發(fā)電機風電轉化電路

S型風力機帶動小型發(fā)電機轉動，三相發(fā)電機輸出不穩(wěn)定的隨風速變化交流電，不可以直接加以利用，工業(yè)常后接調節(jié)器，為輕量化設備[2]。使用電子調節(jié)器，如圖2所示。

圖2 電子調節(jié)器

電子調節(jié)器由功率開關三極管、信號放大和控制電路以及電壓信號的檢測電路等部分組成。當合上開關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)射結加到穩(wěn)壓管VD上，由于蓄電池電壓低于發(fā)電機的規(guī)定電壓值，故此時加到穩(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通狀態(tài)，蓄電池便經(jīng)給VT2磁場繞組提供磁場電流。當發(fā)電機電壓超過規(guī)定值時，VD導通，VT1導通，使VT2的發(fā)射結被短路，因而VT2截止，從而切斷了磁場電路，使得發(fā)電機電壓迅速下降。如此反復，發(fā)電機的電壓便被穩(wěn)定于規(guī)定值[3]。

2.4 整流及穩(wěn)壓電路

采用一個三相整流橋電路接在發(fā)電機輸出端，將方向大小變化的發(fā)電機輸出信號轉化成大小起伏的直流電，起伏不定的直流電信號在經(jīng)過穩(wěn)壓器穩(wěn)壓后可穩(wěn)定在5V。

3 結語

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

參考文獻

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

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

[3] 史廣泰，升力型.升阻型垂直軸風力機流場計算及性能預測[D].蘭州：蘭州理工大學，2013.