便攜式多動(dòng)力源發(fā)電系統(tǒng)設(shè)計(jì)的探究

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摘 要：通過(guò)設(shè)計(jì)便攜式多動(dòng)力源發(fā)電系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)風(fēng)、光、手搖的互補(bǔ)式發(fā)電。作品采用便攜式設(shè)計(jì)，各個(gè)部件采用了收縮式、折疊式的設(shè)計(jì)。折疊后便于用戶在戶外旅游時(shí)攜帶，人們?cè)趹敉饩涂梢岳蔑L(fēng)、光、手搖發(fā)電，解決了人們?cè)诔鐾鈺r(shí)用電難的問(wèn)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(jì)；永磁式發(fā)電機(jī)

中圖分類號(hào)：TM614 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A DOI：10.15913/j.cnki.kjycx.2015.12.081

風(fēng)能、太陽(yáng)能作為清潔的可再生能源，越來(lái)越受到世界各國(guó)的重視。資料顯示，我國(guó)風(fēng)能總量約1.6×109 kW，年有效風(fēng)能密度達(dá)到可利用水平的地區(qū)約占國(guó)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(shí)間近4 000 h，一些地區(qū)年平均風(fēng)速可達(dá)6～7 m/s，具有很大的開發(fā)利用價(jià)值。另外，我國(guó)太陽(yáng)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(guò)4 kW·h/ m2，西藏最高達(dá)7 kW·h/m2。其中，一、二、三類地區(qū)約占全國(guó)總面積的2/3以上，年太陽(yáng)輻射總量高于5 000 MJ/m2，年日照時(shí)數(shù)大于2 000 h，具有利用太陽(yáng)能的良好條件。

在我國(guó)新能源的良好資源優(yōu)勢(shì)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(jī)不成熟，戶外無(wú)法有效采集利用風(fēng)能、太陽(yáng)能。傳統(tǒng)的戶外出游都會(huì)遇到電子設(shè)備缺電的情況，戶外出游時(shí)會(huì)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(zhǎng)時(shí)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(yáng)能發(fā)電裝置體積龐大、笨重，不方便攜帶和移動(dòng)，更不能滿足對(duì)便攜性、靈活性要求較高的戶外用電需求。

1 多動(dòng)力源發(fā)電系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

1.1 工作原理

作品采用滾筒式設(shè)計(jì)，利用滾筒式葉片啟動(dòng)風(fēng)速低的特點(diǎn)，適應(yīng)戶外旅游時(shí)低風(fēng)速的情況，并采用滾筒式設(shè)計(jì)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(guò)程中相當(dāng)于電阻而造成功耗較大的問(wèn)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L(zhǎng)M2596，具有功耗小、效率高、很好的過(guò)流保護(hù)和限流保護(hù)能力等優(yōu)點(diǎn)，簡(jiǎn)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(jī)械部分

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

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

尾翼的設(shè)計(jì)是為了在風(fēng)力發(fā)電的過(guò)程中自動(dòng)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(shí)，就會(huì)對(duì)尾翼產(chǎn)生一個(gè)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(shí)α變小，當(dāng)滾筒正對(duì)著風(fēng)向時(shí)，α=0，偏移力就消失了。

1.2.2 電路設(shè)計(jì)

永磁式發(fā)電機(jī)省去了勵(lì)磁式發(fā)電機(jī)的勵(lì)磁繞組、碳刷、滑環(huán)結(jié)構(gòu)，整機(jī)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，避免了勵(lì)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(jī)的優(yōu)點(diǎn)主要有以下幾點(diǎn)。

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(jī)內(nèi)部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)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(jiǎn)化，還使得轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)慣量減少，實(shí)用轉(zhuǎn)速增加，比功率（即功率、體積之比）達(dá)到一個(gè)很高的值。

1.2.2.2 中、低速發(fā)電性能好

功率等級(jí)相同的情況下，怠速時(shí)，永磁式發(fā)電機(jī)要比勵(lì)磁式發(fā)電機(jī)的輸出功率高1倍，也就是說(shuō)，永磁式發(fā)電機(jī)是實(shí)際等功率等級(jí)的勵(lì)磁式發(fā)電機(jī)。

1.2.2.3 延長(zhǎng)蓄電池壽命

永磁式發(fā)電機(jī)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(guò)電流充電造成的蓄電池壽命縮短。永磁式發(fā)電機(jī)的開頭式整流輸出對(duì)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(zhǎng)蓄電池的使用壽命。

1.2.2.4 效率高

永磁式發(fā)電機(jī)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(chǎng)所需的勵(lì)磁功率和碳刷、滑環(huán)之間磨擦的機(jī)械損耗，使得永磁式發(fā)電機(jī)效率大為提高。普通勵(lì)磁式發(fā)電機(jī)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(jī)則可高達(dá)75%～80%.

經(jīng)過(guò)以上的一些對(duì)比，可以得出結(jié)論，永磁式發(fā)電機(jī)在小型發(fā)電中的性能要強(qiáng)于勵(lì)磁式發(fā)電機(jī)，所以發(fā)電機(jī)的選擇為永磁式交流發(fā)電機(jī)。

2 結(jié)束語(yǔ)

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(guó)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(gè)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(jìn)行發(fā)電，它集風(fēng)能、光能發(fā)電于一體，具有以下幾個(gè)優(yōu)點(diǎn)：①便攜式設(shè)計(jì)，滿足了用戶攜帶至戶外使用的要求；②風(fēng)輪機(jī)采用滾筒模式，安全可靠；③風(fēng)光互補(bǔ)集合式設(shè)計(jì)，效率高。

風(fēng)光互補(bǔ)式新能源的利用填補(bǔ)了便攜式混合發(fā)電機(jī)的空白，其簡(jiǎn)單、高效的機(jī)械設(shè)計(jì)和優(yōu)化的電路設(shè)計(jì)提高了能量的利用率，實(shí)現(xiàn)了新能源的有效開發(fā)與利用，達(dá)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〕