便携式多动力源发电系统设计的探究

风能、太阳能作为清洁的可再生能源，越来越受到世界各国的重视。资料显示，我国风能总量约1.6×10⁹ kW，年有效风能密度达到可利用水平的地区约占国土面积的76%，特别是东南沿海及附近岛屿、内蒙古和甘肃走廊、东北、西北、华北和青藏高原等部分地区，每年风速在3 m/s以上的时间近4 000 h，一些地区年平均风速可达6～7 m/s，具有很大的开发利用价值。另外，我国太阳能资源相当丰富，绝大多数地区年平均日辐射量超过4 kW·h/ m²，西藏最高达7 kW·h/m²。其中，一、二、三类地区约占全国总面积的2/3以上，年太阳辐射总量高于5 000 MJ/m²，年日照时数大于2 000 h，具有利用太阳能的良好条件。

在我国新能源的良好资源优势下，新能源开发利用设备却并不理想，尤其是集成式发电机不成熟，户外无法有效采集利用风能、太阳能。传统的户外出游都会遇到电子设备缺电的情况，户外出游时会携带较多的备用电源——电池，或者是利用汽车等设备的供电系统为电子产品供电。这些电源不环保,且不能较长时间供电。虽然现在市面上风力发电和光能发电技术早已成熟，但现有的产品很少有将两种资源混合在一起发电，并且大多数的风能、太阳能发电装置体积庞大、笨重，不方便携带和移动，更不能满足对便携性、灵活性要求较高的户外用电需求。

1  多动力源发电系统的设计

1.1  工作原理

作品采用滚筒式设计，利用滚筒式叶片启动风速低的特点，适应户外旅游时低风速的情况，并采用滚筒式设计使作品结构紧凑。发电系统的稳压电路采用了开关稳压电路，相比于传统的线性稳压电路，它避免了线性稳压电路在稳压过程中相当于电阻而造成功耗较大的问题，因此我们选择了开关稳压电路。开关稳压电路的核心芯片为LM2596，具有功耗小、效率高、很好的过流保护和限流保护能力等优点，简化了电路，输出固定且电压较为稳定。

1.2  主要组成结构

1.2.1  机械部分

发电系统动力分为叶片轴和手摇机构。在风力发电时，滑移齿轮Ⅲ向右滑动，与叶片轴上的齿轮Ⅳ啮合，当风吹动叶片轴时，叶片轴直接带动两边的发电机转动发电。当手摇发电的时候，滑移齿轮Ⅲ向左滑动，手摇发电系统的齿轮Ⅱ与滑移齿轮Ⅲ啮合，这样摇动手摇机构就可以带动发电机发电。

滑移齿轮的设计可在不同发电状态下将不同的传动链接入发电系统中，防止风力发电时带动手摇机构转动，或者是手摇发电时带动叶片轴转动，否则发电效率就会大大降低。同时，手摇机构采用两级齿轮增速，提高了发电功率。

尾翼的设计是为了在风力发电的过程中自动调整滚筒的迎风面，做到自主迎风。原理为：当风向改变时，就会对尾翼产生一个偏移力，在偏移力的作用下，滚筒自主迎风，调整角度，此时α变小，当滚筒正对着风向时，α=0，偏移力就消失了。

1.2.2  电路设计

永磁式发电机省去了励磁式发电机的励磁绕组、碳刷、滑环结构，整机结构简单，避免了励磁绕组易烧毁、断线，碳刷、滑环易磨损等故障，可靠性大大提高。永磁式发电机的优点主要有以下几点。

1.2.2.1  体积小、重量轻、比功率大

永磁转子结构的采用，使得发电机内部结构设计排列得很紧凑，体积、重量大为减少。永磁转子结构的简化，还使得转子转动惯量减少，实用转速增加，比功率（即功率、体积之比）达到一个很高的值。

1.2.2.2  中、低速发电性能好

功率等级相同的情况下，怠速时，永磁式发电机要比励磁式发电机的输出功率高1倍，也就是说，永磁式发电机是实际等功率等级的励磁式发电机。

1.2.2.3  延长蓄电池寿命

永磁式发电机采用的是开关式的整流稳压方式，稳压精度高、充电效果好，避免了过电流充电造成的蓄电池寿命缩短。永磁式发电机的开头式整流输出对蓄电池采用小电流脉冲充电，相同的充电电流充电效果更好，从而延长蓄电池的使用寿命。

1.2.2.4  效率高

永磁式发电机是一种节能产品。永磁转子结构免去了产生转子磁场所需的励磁功率和碳刷、滑环之间磨擦的机械损耗，使得永磁式发电机效率大为提高。普通励磁式发电机在1 500～6 000 r/min之间的转速范围内平均效率只有45%～55%，而永磁式发电机则可高达75%～80%.

经过以上的一些对比，可以得出结论，永磁式发电机在小型发电中的性能要强于励磁式发电机，所以发电机的选择为永磁式交流发电机。

2  结束语

新能源已被列为“十二五”规划的七大战略性新兴产业之一，在全国大部分地区，风能、光能未得到有效开发利用，户外用电是个难题，因此应用前景很广。作品采用混合式的发电方式，可利用多种可再生清洁能源进行发电，它集风能、光能发电于一体，具有以下几个优点：①便携式设计，满足了用户携带至户外使用的要求；②风轮机采用滚筒模式，安全可靠；③风光互补集合式设计，效率高。

风光互补式新能源的利用填补了便携式混合发电机的空白，其简单、高效的机械设计和优化的电路设计提高了能量的利用率，实现了新能源的有效开发与利用，达到了节能减排与可持续发展的目的。

参考文献

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〔编辑：王霞〕