微風發電聚能裝置的研究

于力 郎天池

摘 要：本文針對風能和水能這些具有流動性的可再生資源，提出了一種可以發電儲能的聚能裝置并對該裝置研制過程中關鍵問題進行了理論研究。新型微風發電聚能裝置可以不受能流流速的限制，并通過它可以把這些具有流動性的能量轉化成電能并儲存在蓄電池內，通過蓄電池給負載供電使用。該裝置安全節能無污染，無需人工操作，高效的利用了微風能源，解決了現有技術中受能流流速的限制無法連續儲存能源的問題。

關鍵詞：微風發電；聚能裝置；蓄電池

1 引言

風能作為一種可再生的清潔能源，其蘊量巨大，但從經濟合理的角度出發，風速大于每秒4米才適宜于發電。而我國地域遼闊，內陸部分地區大部分時間的風速達不到4米每秒，而城市更不適宜裝設大型風機發電，這些時間內由于無法很好的利用這些風能造成了很大的能源浪費。一直以來，風電局限性頗多、風速低時風機捕風能力弱是限制風電發展的一大瓶頸。試想如果設計一種裝置，該裝置在風速達不到風機發電的切入風速時能通過能量的轉化將流動性能量的轉化為電能保存在蓄電池內，供給負荷使用。

基于風速限制的情況，相關領域研究了在微風狀態下即風速達不到普通風機切入風速的情況下通過對風機裝置的設計從而達到在微風狀態下風機轉動發電的目的。例如中科院廣州能源研究所， 采用“全永磁懸浮風力發電技術”研制的發電機，其內部結構完全由永磁體構成，不帶任何控制系統，是我國自主研發的原創新技術成果，全永磁懸浮風力發電機的啟動風速為1.5米/秒以下、發電風速為2米/秒，可以做到“輕風啟動，微風發電”。而傳統風力發電機的這兩項數值則分別為3.5米/秒、4.2米/秒。這項新技術的問世比傳統發電設備所要求的風速大為下降。

不管是傳統的風機還是經過改進的風機，歸根到底仍然是一臺風機，所以造成必然不適宜在城市中心的社區等地方使用。而該項目所設計產品是一種新型的聚能裝置，該裝置不需要風機，裝置的轉動慣量裝置的轉動輪盤邊緣鑲嵌有高導磁材料，纏繞線圈的電磁鐵串聯并與儲能電容并聯，最后將能量儲存在蓄電池內。該裝置設計精巧，適宜在城市社區、學校等場所使用。

2 聚能裝置結構介紹

新型聚能裝置是由一個轉動裝置其轉動桿末端安裝有高導磁介質（如硅鋼片）、一個纏繞線圈的E性電磁鐵、一個諧振電容和一個橋式整流電路、一個收割電阻以及蓄電池組成。

3 工作原理的仿真研究

為了清楚地知道隨著風速變化連續不間斷的發電過程中，電壓和電流信號的幅值是否在蓄電池電壓允許的范圍，本項目主要以仿真為主，重點研究微風發電過程中電感線圈電壓電流變化規律。

本文分別對單一線圈和四線圈作為研究對象，仿真中用電流頻率的變化來模擬風速變化。圖1中Fs為5Hz，圖2中四線圈初始相位差Du為0°。

從圖1仿真結果中可以看出：單一線圈時，電感線圈中電壓電流在周期內迅速遞增。

從圖2的仿真結果中可以看出：四線圈初始相位差對電感線圈中電壓電流的變化有顯著的影響。當四線圈初始相位差Du存在一個臨界值，小于臨界值時電感線圈中電壓電流變化呈發散型，反之，電感線圈中電壓電流變化呈收縮型。

通過對單一線圈及多線圈（如4線圈）的仿真分析可知，多線圈情況通過采取適當手段可以實現對電感線圈中電壓電流的變化趨勢進行控制。

4 結論

本文提出了一種可以發電儲能的聚能裝置并對該裝置研制過程中關鍵問題進行了理論研究。文中采用MATLAB軟件針對新型聚能裝置的換能部分建立相應的數學模型。數值模擬中重點研究了單一輪盤和四個輪盤發電過程中電感線圈中電壓、電流變化規律，并且初步確定微風發電聚能裝置相位控制策略。

參考文獻：

[1]宋海輝.風力發電技術及工程[M].北京：中國水利水電出版社，2009.

[2]王宏華.風力飯店的原理及發展現狀[J].機械制造與自動化，2010，39（01）：175-178.

[3]田德.國內外風力發電技術的現狀與發展趨勢[J].農業工程技術，2007：51-56.

[4]劉細平，于仲安等.風力發電技術研究及發展[J].科學之友，2007（40）：76-79.

作者簡介：于力（1976—），女，遼寧沈陽人，博士，講師，研究方向：電力系統及其自動。