引言

當今，風能開發越來越受到人們的重視。作為一種新型能源，它取用方便，不污染環境，并且資源豐富。據估算1，全世界的風能總量約1300億千瓦，中國的風能總量約16億千瓦。有資料表明，近些年來，各種可再生能源開發利用中，風電的增長速度是最快的。 但是，目前運行的風力發電機功率都比較大1，尚不能在家居生活中真正普及。基于將風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力發電裝置，為的是將可再生的、環保的風能應用到日常生活中，讓風力發電真正走入尋常百姓家！

1 裝置結構

本裝置使用微型垂直軸風力發電機提供電能。采用類似于半橄欖球形狀的阻力型風杯及風力機設計，具有啟動風速低，啟動性能好，穩定低速運轉的優點2。為了不引起紊流，在半橄欖球形的葉片中心開一個小孔，用于引導風的流向3。由于要求裝置方便攜帶、易拆裝，風機還設計成即插即拔的形式。發電機采用微型永磁同步發電機，啟動力矩小，以達到低啟動風速的目標。

DC-DC穩壓器采用Boost電路，可以穩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。系統內置能量管理，不斷對蓄電池端電壓、風力機發出的能量、負載所需的能量情況進行判斷，以此切換系統的工作方式，完成各個風機與負載的協調控制。

裝置的結構框圖如下：

圖1 系統原理框圖

下面分別來介紹各個部分的設計。

2 風力機設計

（1） 風力機尺寸設計

計算風機的風能捕獲有以下公式4：

                  (1)

式中PN是額定功率，設計PN =2 w；ρ是空氣密度，取ρ=1.225kg / m3；Cp是風能利用系數，取Cp=0.2；η是風力機傳動系統和發電機的效率，取η=0.8；VN是額定風速，取VN=7m / s；S是葉輪的掃風面積。計算可得S=0.03m2。

由于裝置采用的是三葉片阻力型的垂直軸風力機，所以掃風面積可表示為：
S = 3                                                 （2）
式中r是風杯半徑。計算可得：r = 0.05m。
設計風力機的直徑D=0.2m。

（2） 葉片形狀的設計

根據葉片的啟動特性、正面與背面的風阻分析，證明半橄欖球型葉片的背向阻力很小，利于在微風中啟動和運轉，適合采用為本裝置的葉片形式。在實驗室用風扇在同一風速下吹動各類風機模型旋轉，對比啟動性能和轉速，也證實了半橄欖型葉片的氣動特性較好。

但是，實驗也發現，半橄欖球形的葉片雖然很靈敏，但當氣流進入葉片內部，在頂端中心沖擊容易產生氣流紊亂，導致風機啟動時不穩定，并減慢風機的轉速，影響發電效果。在葉片的尾部打一個小孔，小孔就有導流的效果，從而不會發生紊流，使葉片運轉趨于穩定，提高發電效率。
 

圖2  未開孔葉片內部氣流分析

（3） 風力機重要參數計算

速比是葉片旋轉速度和來流速度之比，是影響風力機氣動力性能的重要因素。通過查閱資料有以下公式5：

            (3)

其中N表示風力機的額定轉速，取N=200rpm，D表示風力機直徑，VN 表示額定風速。
則：

                  (4)

風力機葉片的疏密程度決定了葉片氣動力干擾的強弱，是影響風力機性能的重要因素，通常用葉片密實度來衡量風力機葉片的疏密程度?？梢匀缦卤硎?：

(5)

其中B表示葉片個數，C / D表示葉片的弦長直徑比。
在本風機中，C = r
帶入公式，計算得：σ=0.75
通過資料5，計算工作轉矩有公式：
 

       (6)

計算可得：T=
一般取3~5倍的工作轉矩作為啟動力矩。
由此可以看出，風力機啟動力矩較小，滿足微風啟動的要求。

（4） 風力機整體示意圖

根據以上計算結果，已經得到風力機的完整參數，據此設計繪制風力機的AutoCAD3D圖紙，如圖3：

圖3 葉片3D圖

3 穩壓電路的設計
     （1）Boost工作原理及參數計算
     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表示電力電子開關器件。
輸入輸出關系有以下公式：

(7)

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

                     (8)

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

（2）電路實驗調試結果

調試結果表明，當輸入在4.5V~9V之間，所搭建的電路樣板輸出均能穩定在12V，下圖是各實驗波形：
當DC-DC輸入電壓為4.5V時，占空比為62.5%，輸出恒定在12V。
 

圖5 DC-DC輸出波形1

當DC-DC輸入電壓為6V時，占空比為50%，輸出恒定在12V。

圖6 DC-DC輸出波形2

當DC-DC輸入電壓為8V時，占空比為33%，輸出恒定在12V。

圖7 DC-DC輸出波形3

4 能量管理系統的設計

能量管理系統它可以根據外界的風力，判斷蓄電池端電壓、風力機發出的能量、負載所需的能量，據此切換系統的工作方式，完成各個風機與負載的協調控制，動態的轉換蓄電池的儲電和輸電的狀態，保證系統能夠應對各種環境、負載條件下的電能需求。
其控制管理思路如下：
1、風速較低，風力發電機不能發電，且蓄電池端電壓較低，則系統關機；
2、風速較低，風力發電機不能發電，但蓄電池端電壓正常，則蓄電池放電，向負載供電；
3、風速較高，風力發電機可以發電，但是負載需要的能量大于風力發電機發出的能量，且蓄電池端電壓正常，則蓄電池與風力發電機同時向負載供電；
4、風速較高，風力發電機可以發電，但是負載需要的能量大于風力發電機發出的能量，蓄電池端電壓較低，切斷部分負載；
5、風速較高，風力發電機可以發電，且風力發電機發出的電能足夠負載使用且有多，蓄電池端電壓較低，則風力發電機向負載供電，同時向蓄電池充電；
6、風速較高，風力發電機可以發電，且風力發電機發出的電能足夠負載使用且有多，蓄電池端電壓較高，則風力發電機向負載供電，多余電能通過卸荷電阻消耗；
7、風速太高，風力發電機轉速過高，蓄電池端電壓較低，則控制風力機剎車，系統關機；
8、風速太高，風力發電機轉速過高，蓄電池端電壓過高，則控制風力機剎車，由蓄電池向負載供電。

使用單片機進行檢測、采樣、計算、判斷工作模式后，控制系統中的開關器件調整開關狀態，構成特定的供電回路，就能夠實現能量管理。

當風力機、蓄電池等能量輸入大于負載所需時，母線電壓上升；小于負載所需時，母線電壓會下降；保持動態平衡時，母線電壓會在一定范圍內保持相對穩定的狀態。單片機檢測母線電壓來判斷能量供需是否匹配，通過判斷母線電壓處在哪個范圍內來發出相應的控制信號，控制系統各部分的切入退出。

其主要工作流程如下圖：

圖中負載1代表重要負載，如照明用電；負載2代表非重要負載，如小功率充電器。

圖8 能量管理工作流程圖

5 裝置整體及其實驗

裝置整體如下圖所示：

圖9 裝置整體實物圖

通過不同風速下裝置整體帶載實驗，可知系統風力發電的功率水平：

表1 系統實驗功率輸出水平

實驗結果顯示，系統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 結語

本文提出的家旅兩用垂直軸微型風力發電裝置具有精巧便攜的特點，其電能控制轉換電路以及能量管理系統可以保證風力電能的穩定輸出。通過實驗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用性。

參考文獻
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