新能源驅(qū)鳥(niǎo)器的設(shè)計(jì)與制作

谷俊杰，俞先鋒（通訊作者）

（浙江水利水電學(xué)院，杭州浙江，310018）

0 引言

本文設(shè)計(jì)的驅(qū)鳥(niǎo)器是在目前市面上所推廣的風(fēng)力驅(qū)鳥(niǎo)器的基礎(chǔ)上進(jìn)行升級(jí)改造，解決無(wú)法在無(wú)風(fēng)和無(wú)光的情況下驅(qū)鳥(niǎo)的問(wèn)題，提高驅(qū)鳥(niǎo)器的性能，并且可為研發(fā)帶有儲(chǔ)能系統(tǒng)的農(nóng)村自用離網(wǎng)型風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電、家用儲(chǔ)電裝置以及直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)等方面提供一定的思路以及實(shí)踐依據(jù)[1]。

1 驅(qū)鳥(niǎo)器系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)方案

該驅(qū)鳥(niǎo)器設(shè)計(jì)的功能是：白天在充足的光照和足夠的風(fēng)力條件下，通過(guò)風(fēng)力機(jī)旋轉(zhuǎn)帶動(dòng)風(fēng)杯光照反射，產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)的強(qiáng)光，起到驅(qū)鳥(niǎo)功效，同時(shí)借助風(fēng)力發(fā)電和光伏發(fā)電對(duì)蓄電池儲(chǔ)能；在夜間、無(wú)風(fēng)或光照不理想的條件下，依靠蓄電池提供LED光源和驅(qū)動(dòng)電機(jī)工作，帶動(dòng)風(fēng)輪旋轉(zhuǎn)，LED光源通過(guò)旋轉(zhuǎn)的風(fēng)輪風(fēng)杯反射，產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)的強(qiáng)光，起到驅(qū)鳥(niǎo)的功效。

裝置系統(tǒng)總體框圖如圖1所示。裝置所選用的旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)是將垂直軸風(fēng)杯式風(fēng)輪通過(guò)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)連接直流電機(jī)，風(fēng)杯式葉片的內(nèi)表面安裝反射凹面鏡，同時(shí)安裝LED燈；直流電機(jī)是具有雙回路的電機(jī)，既能工作于發(fā)電運(yùn)行狀態(tài)，在風(fēng)力足夠大的時(shí)候?qū)崿F(xiàn)風(fēng)力發(fā)電儲(chǔ)能，也能工作于電動(dòng)運(yùn)行狀態(tài)，在風(fēng)力較小時(shí)實(shí)現(xiàn)由電機(jī)帶動(dòng)風(fēng)輪旋轉(zhuǎn)，這樣可以簡(jiǎn)化機(jī)械傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)，節(jié)省了空間；控制電路模塊選擇用光敏電阻采集光照強(qiáng)度，以此來(lái)控制白天與夜間電機(jī)工作狀態(tài)的切換。考慮到光伏板和風(fēng)力發(fā)電的不穩(wěn)定性，所以增加DC/DC升降壓模塊，實(shí)現(xiàn)寬電壓輸入恒壓恒流輸出，使蓄電池的充放電得到穩(wěn)定控制。

圖1 裝置系統(tǒng)總體框圖

2 驅(qū)鳥(niǎo)器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

驅(qū)鳥(niǎo)器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，包括風(fēng)輪結(jié)構(gòu)、傳動(dòng)結(jié)構(gòu)和裝置底座結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)三部分。

■2.1 風(fēng)輪結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)

風(fēng)輪的主要結(jié)構(gòu)是由三個(gè)風(fēng)杯式的葉片構(gòu)成，每個(gè)葉片與垂直軸通過(guò)65CM長(zhǎng)的空心管連接，風(fēng)杯式葉片內(nèi)部安裝LED光源。風(fēng)輪的葉片之所以選用風(fēng)杯式葉片[2]，主要是為了將一個(gè)凹面鏡放在風(fēng)杯式葉片的杯口內(nèi)部，由光的反射原理，白天通過(guò)太陽(yáng)光的照射，聚焦成三束移動(dòng)的白色強(qiáng)光，驅(qū)趕鳥(niǎo)類。考慮到晚上沒(méi)有光照，起不到驅(qū)逐鳥(niǎo)類的作用，所以將扇葉與垂直軸的軸承之間連接的連桿設(shè)計(jì)成空心管，內(nèi)裝設(shè)導(dǎo)線，并在扇葉與連桿連接的位置開(kāi)小孔，安裝LED光源，在夜晚光源照射到凹面鏡上，通過(guò)反射，產(chǎn)生平行強(qiáng)光，達(dá)到驅(qū)逐鳥(niǎo)類的作用。

LED的電源導(dǎo)線穿過(guò)中空垂直軸與軸底部安裝的導(dǎo)電滑環(huán)輸出端連接，導(dǎo)電滑環(huán)的輸入端與裝置的蓄電池電源連接。

■2.2 傳動(dòng)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)

傳動(dòng)結(jié)構(gòu)主要由低速軸、變速齒輪、高速軸、聯(lián)軸器和軸承構(gòu)成。模型圖如圖2所示。

圖2 傳動(dòng)結(jié)構(gòu)示意圖

由于裝置采用的是垂直軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)，因此整個(gè)傳動(dòng)結(jié)構(gòu)整體與風(fēng)輪旋轉(zhuǎn)面以及地面呈垂直分布，高度大致為1.2m左右，變速齒輪與發(fā)電機(jī)安裝在底部。

2.2.1 低速軸設(shè)計(jì)

由于垂直軸風(fēng)力機(jī)的風(fēng)輪對(duì)于離地高度有一定的需求，所以低速軸選用直徑8mm，長(zhǎng)100cm的不銹鋼管，通過(guò)剛性聯(lián)軸器與風(fēng)輪旋轉(zhuǎn)軸連接。低速軸采用兩個(gè)凸臺(tái)軸承兩點(diǎn)支撐方式，另外選用了一根兩端帶法蘭盤(pán)，直徑5cm，長(zhǎng)70cm的不銹鋼管作為凸臺(tái)軸承的支撐平臺(tái)，該支撐平臺(tái)的下端法蘭盤(pán)與底座支架連接。

2.2.2 變速齒輪設(shè)計(jì)

由于本裝置所選用的發(fā)電機(jī)額定轉(zhuǎn)速為3800rpm，實(shí)際功率15W，電機(jī)轉(zhuǎn)速較高，而風(fēng)輪旋轉(zhuǎn)速度較低，所以需要采用變速齒輪進(jìn)行轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)。

變速齒輪采用一級(jí)平行軸輪系結(jié)構(gòu)，與低速軸連接的是60齒的凸臺(tái)齒輪，與高速軸連接的是12齒的凸臺(tái)齒輪，變速比為5。通過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)得，當(dāng)風(fēng)輪的轉(zhuǎn)速為24r/min時(shí)，高速軸帶動(dòng)發(fā)電機(jī)旋轉(zhuǎn)，即可產(chǎn)生12V的直流電壓。每分鐘24轉(zhuǎn)的速度對(duì)于風(fēng)力的要求較低，而對(duì)于蓄電池的充電要求是可以正常滿足。

2.2.3 高速軸設(shè)計(jì)

高速軸一端采用臥式軸承支撐，該軸承與發(fā)電機(jī)一塊固定在垂直分布的木板上；高速軸與12齒的凸臺(tái)齒輪固定連接，其另一端通過(guò)聯(lián)軸器與發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)軸連接。

別人都是成雙成對(duì)的，只有一個(gè)男同學(xué)是只身赴宴的，他一開(kāi)始特別活躍，酒一上頭就眼淚漣漣吐真言了。原來(lái)他與職場(chǎng)女強(qiáng)人老婆正鬧分居，強(qiáng)勢(shì)的老婆大人根本不尊重他操持家務(wù)的艱辛，把他的付出視作無(wú)能，總是拿他跟朋友的老公做比較……

裝置的底座為長(zhǎng)方體結(jié)構(gòu)，長(zhǎng)30cm，寬22cm，高29cm，負(fù)責(zé)承重的主體部分設(shè)計(jì)成由25mm×25mm的方形木條構(gòu)成的框架結(jié)構(gòu)，并設(shè)計(jì)了兩層，上層為承重層，主要作用是擺放太陽(yáng)能光伏板和作為風(fēng)輪和傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的承重平臺(tái)；下層為器件架設(shè)層，用來(lái)放置電機(jī)、蓄電池、電路模塊，并且下層離地距離為10cm，這樣可以減少外界對(duì)于設(shè)備的影響。

3 驅(qū)鳥(niǎo)器系統(tǒng)電路設(shè)計(jì)

驅(qū)鳥(niǎo)器系統(tǒng)電路部分的設(shè)計(jì)是一個(gè)裝置能否正常運(yùn)行的關(guān)鍵，下面主要從LED光源驅(qū)動(dòng)電路、蓄電池充放電電路和系統(tǒng)控制電路三部分分別介紹。

■3.1 LED光源驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)

LED光源驅(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì)思路是：從LT8705模塊（蓄電池放電控制模塊）輸出，經(jīng)過(guò)導(dǎo)電滑環(huán)引入旋轉(zhuǎn)軸，然后分三路通過(guò)限流電阻分別連接安裝在風(fēng)杯中的LED燈。由于LT8705模塊輸出是12V，根據(jù)LED光源亮度需求，選擇限流電阻為680Ω，LED燈的導(dǎo)通電流約為15mA。

■3.2 蓄電池充放電電路設(shè)計(jì)

本裝置選用的蓄電池是12V/8Ah的蓄電池，采用恒壓充電和放電方式。充電時(shí)充電電壓需要控制在12.6V以上，由于風(fēng)力發(fā)電機(jī)和太陽(yáng)能光伏板發(fā)電輸出電壓具有不穩(wěn)定性，因此需要通過(guò)一個(gè)寬電壓輸入恒壓輸出的充電電路來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)蓄電池的可靠充電。放電時(shí)，放電電壓需要控制在12V左右，由于隨著蓄電池的使用，其端電壓也會(huì)有變化，因此需要通過(guò)一個(gè)寬電壓輸入恒壓輸出的放電電路來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)負(fù)載的可靠供電。這里的充放電電路均選用了由LT8705集成電路[3]構(gòu)成的DC/DC升降壓模塊。

LT8705模塊電路屬于非隔離BUCK-BOOST，它的輸入電壓為6～80V，輸入電流為0.5～15A，MPPT輸入電壓為9～60V，輸出電壓為1.3～80V，輸出電流為3.5～15A。主要作用是將寬電壓范圍輸入變?yōu)橹绷鞣€(wěn)壓輸出。

■3.3 系統(tǒng)控制電路設(shè)計(jì)

驅(qū)鳥(niǎo)器的工作原理是白天通過(guò)風(fēng)力發(fā)電機(jī)和太陽(yáng)能光伏板發(fā)電向蓄電池充電，晚上再由蓄電池向LED和電機(jī)供電，因此需要設(shè)計(jì)一個(gè)能實(shí)現(xiàn)自動(dòng)切換的控制電路。這里選用光敏電阻采集光照強(qiáng)度來(lái)實(shí)現(xiàn)白天和晚上的判別，從而可以產(chǎn)生邏輯相反的控制信號(hào)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)切換控制。

具體的控制電路分為四個(gè)模塊，分別為+5V電源模塊，光敏電阻感應(yīng)模塊，運(yùn)算放大器模塊，繼電器模塊，各個(gè)模塊通過(guò)相互連接，構(gòu)成了控制電路。

光敏電阻模塊和繼電器模塊的輸入電壓均為5V，但是由于蓄電池的電壓值為12V，所以需要降低電壓值[4]。+5V電源模塊主要的作用就是將+12V電壓調(diào)整為5V的電壓輸出。+5V電源模塊主要由7805三端穩(wěn)壓芯片、電容組成。

如圖3所示，光敏電阻模塊具有靈敏度調(diào)節(jié)電位器，通過(guò)調(diào)節(jié)電位器，來(lái)調(diào)整光明電阻對(duì)于光照強(qiáng)度的敏感程度。本設(shè)計(jì)的光敏電阻模塊設(shè)定為當(dāng)光照強(qiáng)度高時(shí)，輸出低電壓，當(dāng)光照強(qiáng)度低時(shí)，輸出高電壓。

圖3 光敏電阻模塊和運(yùn)算放大器模塊電路

運(yùn)算放大器模塊如圖3所示，它的的作用是通過(guò)由兩級(jí)運(yùn)放構(gòu)成的兩個(gè)比較器將光敏電阻模塊輸出的開(kāi)關(guān)信號(hào)轉(zhuǎn)換成兩路相位相反的開(kāi)關(guān)信號(hào)IN1和IN2。

繼電器模塊的功能就是通過(guò)接受IN1和IN2兩路相位相反的高低平信號(hào)，通過(guò)光耦隔離后控制兩個(gè)繼電器的動(dòng)作，從而得到分別控制蓄電池充放電的切換控制信號(hào)，如圖4所示。

圖4 繼電器模塊電路圖

4 驅(qū)鳥(niǎo)器功能測(cè)試

在白天，通過(guò)電風(fēng)扇制造風(fēng)力，模擬實(shí)際運(yùn)行環(huán)境，檢測(cè)太陽(yáng)能光伏板和風(fēng)力發(fā)電機(jī)發(fā)出電能，實(shí)際測(cè)試產(chǎn)生的電壓為12.4V，產(chǎn)生的電流為0.01A。

風(fēng)杯在LED光源發(fā)光時(shí)的反光效果圖如圖5所示。

圖5 風(fēng)杯反射強(qiáng)光實(shí)際拍攝圖

在光照強(qiáng)度高時(shí)，光敏電阻感受到光照時(shí)，輸出低電平，繼電器切換到1端口，進(jìn)行蓄電池充電；在亮度較低時(shí)，光敏電阻輸出高電平，繼電器切換到2端口對(duì)電機(jī)和LED燈進(jìn)行供電，效果展示圖如圖6所示。

圖6 模擬白天和夜間工作狀切態(tài)換效果

根據(jù)上述的測(cè)試，基本上可以證明本裝置的功能是可以達(dá)到預(yù)期設(shè)計(jì)效果。

5 結(jié)論

本文設(shè)計(jì)的新能源驅(qū)鳥(niǎo)器是采用風(fēng)光互補(bǔ)供電，是一種經(jīng)濟(jì)環(huán)保高效的驅(qū)鳥(niǎo)設(shè)備，可以減少鳥(niǎo)類對(duì)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的損失，適合在農(nóng)田區(qū)域使用。