便攜式多動力源發電系統設計的探究

楊思夢

摘 要：通過設計便攜式多動力源發電系統，實現風、光、手搖的互補式發電。作品采用便攜式設計，各個部件采用了收縮式、折疊式的設計。折疊后便于用戶在戶外旅游時攜帶，人們在戶外就可以利用風、光、手搖發電，解決了人們在出外時用電難的問題，將節能環保帶到了戶外旅游中。

關鍵詞：發電系統；新能源；系統設計；永磁式發電機

中圖分類號：TM614 文獻標識碼：A DOI：10.15913/j.cnki.kjycx.2015.12.081

風能、太陽能作為清潔的可再生能源，越來越受到世界各國的重視。資料顯示，我國風能總量約1.6×109 kW，年有效風能密度達到可利用水平的地區約占國土面積的76%，特別是東南沿海及附近島嶼、內蒙古和甘肅走廊、東北、西北、華北和青藏高原等部分地區，每年風速在3 m/s以上的時間近4 000 h，一些地區年平均風速可達6～7 m/s，具有很大的開發利用價值。另外，我國太陽能資源相當豐富，絕大多數地區年平均日輻射量超過4 kW·h/ m2，西藏最高達7 kW·h/m2。其中，一、二、三類地區約占全國總面積的2/3以上，年太陽輻射總量高于5 000 MJ/m2，年日照時數大于2 000 h，具有利用太陽能的良好條件。

在我國新能源的良好資源優勢下，新能源開發利用設備卻并不理想，尤其是集成式發電機不成熟，戶外無法有效采集利用風能、太陽能。傳統的戶外出游都會遇到電子設備缺電的情況，戶外出游時會攜帶較多的備用電源——電池，或者是利用汽車等設備的供電系統為電子產品供電。這些電源不環保，且不能較長時間供電。雖然現在市面上風力發電和光能發電技術早已成熟，但現有的產品很少有將兩種資源混合在一起發電，并且大多數的風能、太陽能發電裝置體積龐大、笨重，不方便攜帶和移動，更不能滿足對便攜性、靈活性要求較高的戶外用電需求。

1 多動力源發電系統的設計

1.1 工作原理

作品采用滾筒式設計，利用滾筒式葉片啟動風速低的特點，適應戶外旅游時低風速的情況，并采用滾筒式設計使作品結構緊湊。發電系統的穩壓電路采用了開關穩壓電路，相比于傳統的線性穩壓電路，它避免了線性穩壓電路在穩壓過程中相當于電阻而造成功耗較大的問題，因此我們選擇了開關穩壓電路。開關穩壓電路的核心芯片為LM2596，具有功耗小、效率高、很好的過流保護和限流保護能力等優點，簡化了電路，輸出固定且電壓較為穩定。

1.2 主要組成結構

1.2.1 機械部分

發電系統動力分為葉片軸和手搖機構。在風力發電時，滑移齒輪Ⅲ向右滑動，與葉片軸上的齒輪Ⅳ嚙合，當風吹動葉片軸時，葉片軸直接帶動兩邊的發電機轉動發電。當手搖發電的時候，滑移齒輪Ⅲ向左滑動，手搖發電系統的齒輪Ⅱ與滑移齒輪Ⅲ嚙合，這樣搖動手搖機構就可以帶動發電機發電。

滑移齒輪的設計可在不同發電狀態下將不同的傳動鏈接入發電系統中，防止風力發電時帶動手搖機構轉動，或者是手搖發電時帶動葉片軸轉動，否則發電效率就會大大降低。同時，手搖機構采用兩級齒輪增速，提高了發電功率。

尾翼的設計是為了在風力發電的過程中自動調整滾筒的迎風面，做到自主迎風。原理為：當風向改變時，就會對尾翼產生一個偏移力，在偏移力的作用下，滾筒自主迎風，調整角度，此時α變小，當滾筒正對著風向時，α=0，偏移力就消失了。

1.2.2 電路設計

永磁式發電機省去了勵磁式發電機的勵磁繞組、碳刷、滑環結構，整機結構簡單，避免了勵磁繞組易燒毀、斷線，碳刷、滑環易磨損等故障，可靠性大大提高。永磁式發電機的優點主要有以下幾點。

1.2.2.1 體積小、重量輕、比功率大

永磁轉子結構的采用，使得發電機內部結構設計排列得很緊湊，體積、重量大為減少。永磁轉子結構的簡化，還使得轉子轉動慣量減少，實用轉速增加，比功率（即功率、體積之比）達到一個很高的值。

1.2.2.2 中、低速發電性能好

功率等級相同的情況下，怠速時，永磁式發電機要比勵磁式發電機的輸出功率高1倍，也就是說，永磁式發電機是實際等功率等級的勵磁式發電機。

1.2.2.3 延長蓄電池壽命

永磁式發電機采用的是開關式的整流穩壓方式，穩壓精度高、充電效果好，避免了過電流充電造成的蓄電池壽命縮短。永磁式發電機的開頭式整流輸出對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，從而延長蓄電池的使用壽命。

1.2.2.4 效率高

永磁式發電機是一種節能產品。永磁轉子結構免去了產生轉子磁場所需的勵磁功率和碳刷、滑環之間磨擦的機械損耗，使得永磁式發電機效率大為提高。普通勵磁式發電機在1 500～6 000 r/min之間的轉速范圍內平均效率只有45%～55%，而永磁式發電機則可高達75%～80%.

經過以上的一些對比，可以得出結論，永磁式發電機在小型發電中的性能要強于勵磁式發電機，所以發電機的選擇為永磁式交流發電機。

2 結束語

新能源已被列為“十二五”規劃的七大戰略性新興產業之一，在全國大部分地區，風能、光能未得到有效開發利用，戶外用電是個難題，因此應用前景很廣。作品采用混合式的發電方式，可利用多種可再生清潔能源進行發電，它集風能、光能發電于一體，具有以下幾個優點：①便攜式設計，滿足了用戶攜帶至戶外使用的要求；②風輪機采用滾筒模式，安全可靠；③風光互補集合式設計，效率高。

風光互補式新能源的利用填補了便攜式混合發電機的空白，其簡單、高效的機械設計和優化的電路設計提高了能量的利用率，實現了新能源的有效開發與利用，達到了節能減排與可持續發展的目的。

參考文獻

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〔編輯：王霞〕