引言

當(dāng)今，風(fēng)能開發(fā)越來(lái)越受到人們的重視。作為一種新型能源，它取用方便，不污染環(huán)境，并且資源豐富。據(jù)估算1，全世界的風(fēng)能總量約1300億千瓦，中國(guó)的風(fēng)能總量約16億千瓦。有資料表明，近些年來(lái)，各種可再生能源開發(fā)利用中，風(fēng)電的增長(zhǎng)速度是最快的。 但是，目前運(yùn)行的風(fēng)力發(fā)電機(jī)功率都比較大1，尚不能在家居生活中真正普及。基于將風(fēng)電裝置微型化的理念，本文提出一種新型的家旅兩用微型垂直軸風(fēng)力發(fā)電裝置，為的是將可再生的、環(huán)保的風(fēng)能應(yīng)用到日常生活中，讓風(fēng)力發(fā)電真正走入尋常百姓家！

1 裝置結(jié)構(gòu)

本裝置使用微型垂直軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)提供電能。采用類似于半橄欖球形狀的阻力型風(fēng)杯及風(fēng)力機(jī)設(shè)計(jì)，具有啟動(dòng)風(fēng)速低，啟動(dòng)性能好，穩(wěn)定低速運(yùn)轉(zhuǎn)的優(yōu)點(diǎn)2。為了不引起紊流，在半橄欖球形的葉片中心開一個(gè)小孔，用于引導(dǎo)風(fēng)的流向3。由于要求裝置方便攜帶、易拆裝，風(fēng)機(jī)還設(shè)計(jì)成即插即拔的形式。發(fā)電機(jī)采用微型永磁同步發(fā)電機(jī)，啟動(dòng)力矩小，以達(dá)到低啟動(dòng)風(fēng)速的目標(biāo)。

DC-DC穩(wěn)壓器采用Boost電路，可以穩(wěn)定提升不可控整流輸出電壓至DC12V。蓄電池采用7.2V/5200mAh的鋰電池。充電電路Buck采用DC-DC變換芯片AP34063搭建，放電電路同樣采用Boost。系統(tǒng)內(nèi)置能量管理，不斷對(duì)蓄電池端電壓、風(fēng)力機(jī)發(fā)出的能量、負(fù)載所需的能量情況進(jìn)行判斷，以此切換系統(tǒng)的工作方式，完成各個(gè)風(fēng)機(jī)與負(fù)載的協(xié)調(diào)控制。

裝置的結(jié)構(gòu)框圖如下：

圖1 系統(tǒng)原理框圖

下面分別來(lái)介紹各個(gè)部分的設(shè)計(jì)。

2 風(fēng)力機(jī)設(shè)計(jì)

（1） 風(fēng)力機(jī)尺寸設(shè)計(jì)

計(jì)算風(fēng)機(jī)的風(fēng)能捕獲有以下公式4：

                  (1)

式中PN是額定功率，設(shè)計(jì)PN =2 w；ρ是空氣密度，取ρ=1.225kg / m3；Cp是風(fēng)能利用系數(shù)，取Cp=0.2；η是風(fēng)力機(jī)傳動(dòng)系統(tǒng)和發(fā)電機(jī)的效率，取η=0.8；VN是額定風(fēng)速，取VN=7m / s；S是葉輪的掃風(fēng)面積。計(jì)算可得S=0.03m2。

由于裝置采用的是三葉片阻力型的垂直軸風(fēng)力機(jī)，所以掃風(fēng)面積可表示為：
S = 3                                                 （2）
式中r是風(fēng)杯半徑。計(jì)算可得：r = 0.05m。
設(shè)計(jì)風(fēng)力機(jī)的直徑D=0.2m。

（2） 葉片形狀的設(shè)計(jì)

根據(jù)葉片的啟動(dòng)特性、正面與背面的風(fēng)阻分析，證明半橄欖球型葉片的背向阻力很小，利于在微風(fēng)中啟動(dòng)和運(yùn)轉(zhuǎn)，適合采用為本裝置的葉片形式。在實(shí)驗(yàn)室用風(fēng)扇在同一風(fēng)速下吹動(dòng)各類風(fēng)機(jī)模型旋轉(zhuǎn)，對(duì)比啟動(dòng)性能和轉(zhuǎn)速，也證實(shí)了半橄欖型葉片的氣動(dòng)特性較好。

但是，實(shí)驗(yàn)也發(fā)現(xiàn)，半橄欖球形的葉片雖然很靈敏，但當(dāng)氣流進(jìn)入葉片內(nèi)部，在頂端中心沖擊容易產(chǎn)生氣流紊亂，導(dǎo)致風(fēng)機(jī)啟動(dòng)時(shí)不穩(wěn)定，并減慢風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)速，影響發(fā)電效果。在葉片的尾部打一個(gè)小孔，小孔就有導(dǎo)流的效果，從而不會(huì)發(fā)生紊流，使葉片運(yùn)轉(zhuǎn)趨于穩(wěn)定，提高發(fā)電效率。
 

圖2  未開孔葉片內(nèi)部氣流分析

（3） 風(fēng)力機(jī)重要參數(shù)計(jì)算

速比是葉片旋轉(zhuǎn)速度和來(lái)流速度之比，是影響風(fēng)力機(jī)氣動(dòng)力性能的重要因素。通過(guò)查閱資料有以下公式5：

            (3)

其中N表示風(fēng)力機(jī)的額定轉(zhuǎn)速，取N=200rpm，D表示風(fēng)力機(jī)直徑，VN 表示額定風(fēng)速。
則：

                  (4)

風(fēng)力機(jī)葉片的疏密程度決定了葉片氣動(dòng)力干擾的強(qiáng)弱，是影響風(fēng)力機(jī)性能的重要因素，通常用葉片密實(shí)度來(lái)衡量風(fēng)力機(jī)葉片的疏密程度。可以如下表示5：

(5)

其中B表示葉片個(gè)數(shù)，C / D表示葉片的弦長(zhǎng)直徑比。
在本風(fēng)機(jī)中，C = r
帶入公式，計(jì)算得：σ=0.75
通過(guò)資料5，計(jì)算工作轉(zhuǎn)矩有公式：
 

       (6)

計(jì)算可得：T=
一般取3~5倍的工作轉(zhuǎn)矩作為啟動(dòng)力矩。
由此可以看出，風(fēng)力機(jī)啟動(dòng)力矩較小，滿足微風(fēng)啟動(dòng)的要求。

（4） 風(fēng)力機(jī)整體示意圖

根據(jù)以上計(jì)算結(jié)果，已經(jīng)得到風(fēng)力機(jī)的完整參數(shù)，據(jù)此設(shè)計(jì)繪制風(fēng)力機(jī)的AutoCAD3D圖紙，如圖3：

圖3 葉片3D圖

3 穩(wěn)壓電路的設(shè)計(jì)
     （1）Boost工作原理及參數(shù)計(jì)算
     BOOST電路原理圖如下：

圖4 BOOST電路原理圖

D表示二極管，L表示電感，C表示電容，SW表示電力電子開關(guān)器件。
輸入輸出關(guān)系有以下公式：

(7)

其中：Vout即直流母線電壓；Vin為穩(wěn)壓電路輸入電壓； 為BOOST電路的占空比。
由于裝置內(nèi)部的要求，所以規(guī)定以下參數(shù)：
電路輸入電壓Uin范圍：5~9
電路輸出電壓Uout：12
開關(guān)工作頻率：100
取最小的輸入電壓5V，由上述公式

                     (8)

可得最大占空比：
                              (9)
已知額定負(fù)載，由公式
                      (10)
V=RI                                               （10-2）
可得輸入電流：
             (11)
根據(jù)電感計(jì)算公式可得儲(chǔ)能電感：
             (12)
根據(jù)電容計(jì)算公式可得濾波電容，即直流母線的電容：
                  (13)
考慮裕量，取。

（2）電路實(shí)驗(yàn)調(diào)試結(jié)果

調(diào)試結(jié)果表明，當(dāng)輸入在4.5V~9V之間，所搭建的電路樣板輸出均能穩(wěn)定在12V，下圖是各實(shí)驗(yàn)波形：
當(dāng)DC-DC輸入電壓為4.5V時(shí)，占空比為62.5%，輸出恒定在12V。
 

圖5 DC-DC輸出波形1

當(dāng)DC-DC輸入電壓為6V時(shí)，占空比為50%，輸出恒定在12V。

圖6 DC-DC輸出波形2

當(dāng)DC-DC輸入電壓為8V時(shí)，占空比為33%，輸出恒定在12V。

圖7 DC-DC輸出波形3

4 能量管理系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

能量管理系統(tǒng)它可以根據(jù)外界的風(fēng)力，判斷蓄電池端電壓、風(fēng)力機(jī)發(fā)出的能量、負(fù)載所需的能量，據(jù)此切換系統(tǒng)的工作方式，完成各個(gè)風(fēng)機(jī)與負(fù)載的協(xié)調(diào)控制，動(dòng)態(tài)的轉(zhuǎn)換蓄電池的儲(chǔ)電和輸電的狀態(tài)，保證系統(tǒng)能夠應(yīng)對(duì)各種環(huán)境、負(fù)載條件下的電能需求。
其控制管理思路如下：
1、風(fēng)速較低，風(fēng)力發(fā)電機(jī)不能發(fā)電，且蓄電池端電壓較低，則系統(tǒng)關(guān)機(jī)；
2、風(fēng)速較低，風(fēng)力發(fā)電機(jī)不能發(fā)電，但蓄電池端電壓正常，則蓄電池放電，向負(fù)載供電；
3、風(fēng)速較高，風(fēng)力發(fā)電機(jī)可以發(fā)電，但是負(fù)載需要的能量大于風(fēng)力發(fā)電機(jī)發(fā)出的能量，且蓄電池端電壓正常，則蓄電池與風(fēng)力發(fā)電機(jī)同時(shí)向負(fù)載供電；
4、風(fēng)速較高，風(fēng)力發(fā)電機(jī)可以發(fā)電，但是負(fù)載需要的能量大于風(fēng)力發(fā)電機(jī)發(fā)出的能量，蓄電池端電壓較低，切斷部分負(fù)載；
5、風(fēng)速較高，風(fēng)力發(fā)電機(jī)可以發(fā)電，且風(fēng)力發(fā)電機(jī)發(fā)出的電能足夠負(fù)載使用且有多，蓄電池端電壓較低，則風(fēng)力發(fā)電機(jī)向負(fù)載供電，同時(shí)向蓄電池充電；
6、風(fēng)速較高，風(fēng)力發(fā)電機(jī)可以發(fā)電，且風(fēng)力發(fā)電機(jī)發(fā)出的電能足夠負(fù)載使用且有多，蓄電池端電壓較高，則風(fēng)力發(fā)電機(jī)向負(fù)載供電，多余電能通過(guò)卸荷電阻消耗；
7、風(fēng)速太高，風(fēng)力發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速過(guò)高，蓄電池端電壓較低，則控制風(fēng)力機(jī)剎車，系統(tǒng)關(guān)機(jī)；
8、風(fēng)速太高，風(fēng)力發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速過(guò)高，蓄電池端電壓過(guò)高，則控制風(fēng)力機(jī)剎車，由蓄電池向負(fù)載供電。

使用單片機(jī)進(jìn)行檢測(cè)、采樣、計(jì)算、判斷工作模式后，控制系統(tǒng)中的開關(guān)器件調(diào)整開關(guān)狀態(tài)，構(gòu)成特定的供電回路，就能夠?qū)崿F(xiàn)能量管理。

當(dāng)風(fēng)力機(jī)、蓄電池等能量輸入大于負(fù)載所需時(shí)，母線電壓上升；小于負(fù)載所需時(shí)，母線電壓會(huì)下降；保持動(dòng)態(tài)平衡時(shí)，母線電壓會(huì)在一定范圍內(nèi)保持相對(duì)穩(wěn)定的狀態(tài)。單片機(jī)檢測(cè)母線電壓來(lái)判斷能量供需是否匹配，通過(guò)判斷母線電壓處在哪個(gè)范圍內(nèi)來(lái)發(fā)出相應(yīng)的控制信號(hào)，控制系統(tǒng)各部分的切入退出。

其主要工作流程如下圖：

圖中負(fù)載1代表重要負(fù)載，如照明用電；負(fù)載2代表非重要負(fù)載，如小功率充電器。

圖8 能量管理工作流程圖

5 裝置整體及其實(shí)驗(yàn)

裝置整體如下圖所示：

圖9 裝置整體實(shí)物圖

通過(guò)不同風(fēng)速下裝置整體帶載實(shí)驗(yàn)，可知系統(tǒng)風(fēng)力發(fā)電的功率水平：

表1 系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)功率輸出水平

實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，系統(tǒng)的功率輸出可以滿足LED照明及小功率充電器的用電要求。

6 結(jié)語(yǔ)

本文提出的家旅兩用垂直軸微型風(fēng)力發(fā)電裝置具有精巧便攜的特點(diǎn)，其電能控制轉(zhuǎn)換電路以及能量管理系統(tǒng)可以保證風(fēng)力電能的穩(wěn)定輸出。通過(guò)實(shí)驗(yàn)證明其功率輸出可以滿足小功率用電的要求，裝置在家居或戶外都具有較好的實(shí)用性。

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