水風光互補發電便攜式應急發電機組成及應用

張志慧

摘要：針對戶外旅游，野外活動等特定群體充用電不便，本文提供一種綠色環保的解決方案。便攜式水風光互補發電系統將低流速水能，風能，充分發揮太陽能和風能的互補性，太科學合理的整合保證整個電路的可靠性與安全性，優化設計模塊，整體尺寸規劃，便于攜帶，降低成本，提高效率，滿足戶外用電需求，為解決戶外充電難的問題提供一種新的思路。

關鍵詞：多動力源發電系統 綠色發電機 便攜式

1 功能及組成介紹

該發電機主要采用水力和風能帶動渦輪旋轉發電，還可利用太陽能和人力進行發電，通過整流器得到我們需要的電能，可用來照明、給數碼產品充電等，尤其是在流水的小溪、河流、山地，只要有流動的水源就能發電并存儲，適合經常旅游的人們或野外生存愛好者使用。

整體由柔性太陽能電池板（光電系統）、渦輪發電機（水力發電系統、風力發電系統、手搖發電系統）、冗余電源、整流系統等組件構成。其中產品在整流器和冗余電源部分加裝有顯示屏與智能燈，顯示屏可以實時顯示電流大小，還可以顯示天氣、氣壓、溫度等，智能燈部分可以在晚上用來為露營提供照明，并且還能設置不同頻率的閃光以及SOS求救信號，方便戶外使用，擁有IP68的防水等級。

該應急發電裝置的總體方案如圖2.1所示，包括渦輪發電機系統、光電系統、整流系統（升壓電路、降壓穩壓電路、充電控制電路）、鋰電池組和逆變器等部分。直流發電機輸出的電壓不穩定，不能直接給負載使用，配置升壓電路和降壓穩壓電路，可以向負載輸電。當發電功率大于負載功率時，還可對鋰電池組充電。當發電功率不足時，鋰電池組和手搖直流發電機共同向負載供電。充電控制電路負責鋰電池組的充電管理。逆變器的功能是將鋰電池組的直流電壓逆變為交流電壓，適配其它類型小功率電子設備。

2外觀設計

采用滾筒式設計，各部件采用了收縮式、折疊式設計，利用滾筒式葉片啟動速度低的特點，在充分利用水能時，也能更好地利用風能，適應戶外旅游時風速低流速緩的情況，并采用滾筒式設計使作品結構緊湊，減少產品重量，減輕攜帶負擔。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。ABS塑料和聚碳酸酯的外殼可以有效防止太陽能紫外線照射破壞;最外邊保護圈的設計，使得在山區溪流也可以放心將產品扔入水中，不用擔心摔壞等問題;亮黃色的顏色設計，使得我們可以清楚看到水中的發電機的運行情況，產品外觀在有利于我們戶外使用的同時，盡可能符合大眾審美，美觀又不失性能。

3各系統設計

3.1 發電系統部分

由發電機系統和光電系統兩部分組合而成的，其中的光電系統利用柔性太陽能電池板將太陽能轉換成電能，發電機系統將風能、水能、機械能轉換成電能，通過控制器對冗余電源充電，并通過逆變器對負載供電?，F在市場上常見的太陽能發電裝量充電不穩定（如夜間、陰雨天氣，充電效率很低），供電可靠性不高;而我們團隊的風水光人互補發電系統的優點：充電穩定，供電可靠性高，受環境因素和人為因素影響小，盡可能不間斷的進行發電。

3.2 柔性太陽能電池板部分

光伏發電系統主要由太陽電池陣列、冗余電源、光伏充放電控制器、逆變器和用戶負載等部分組成。本產品研發的光伏發電裝置將光伏陣列與冗余電源直接連接，同時加入最大功率跟蹤環節，既可以跟蹤光伏障列的最大輸出功率，又可以輸出穩定的電壓對冗余電源充電，兼顧光伏發電系統的動態性能和穩態性能。

3.3 整流器部分

整流器部分含有穩壓電路、升壓電路、降壓電路和充電電路，均采用模塊化設計，降低產品重量，增強發電機的可靠性。穩壓電路選用核心芯片為LM2596，升壓電路，選用XL6009 DC-DC升壓模塊配以少量的電子元件實現，降壓電路選用XL4001固定頻率脈寬調制（降壓型）DC/DC轉換器，充電電路選用CN3068芯片對單串鋰電池進行恒流/恒壓充電的充電電路[[]]。

4可行性分析

（1）發電機的渦輪發電機采用永磁式發電機。整機結構簡單，內部設計排列緊湊，體積、重量大為減少，可靠性大大提高。采用開關式整流穩壓方式，穩壓精度高、充電效果好，延長蓄電池的使用壽命。

（2）柔性太陽能電池板光伏發電系統與冗余電源直接連接，加入最大功率跟蹤環節，既可跟蹤光伏障列最大輸出功率，又可輸出穩定電壓對冗余電源充電，兼顧光伏發電系統的動態性能和穩態性能，還能有效抑制非線性負載和死區效應帶來的干擾。

5總結

以戶外活動為突破口，創新性的采用水力、風能、光伏、機械能等多能源混合發電，盡最大可能利用自然資源，為戶外活動提供電能并存儲，具有目前市場上任何一款發電機所不具備的優勢，占用空間小，便于攜帶，使用方法簡單，能廉價地滿足電子設備用電及電池充電的需求，方便快捷地為各類電子設備提供電源。在目前市場上屬于領先水平，并且利用綠色能源也屬于未來人類的發展方向，因此該便攜式發電機在承擔著保護環境的社會責任的同時，還有著廣袤的發展前景和可觀的經濟效益。

山東農業大學 ?山東 ?泰安 ?271018