于力 郎天池

摘 要：本文針對風(fēng)能和水能這些具有流動性的可再生資源，提出了一種可以發(fā)電儲能的聚能裝置并對該裝置研制過程中關(guān)鍵問題進行了理論研究。新型微風(fēng)發(fā)電聚能裝置可以不受能流流速的限制，并通過它可以把這些具有流動性的能量轉(zhuǎn)化成電能并儲存在蓄電池內(nèi)，通過蓄電池給負載供電使用。該裝置安全節(jié)能無污染，無需人工操作，高效的利用了微風(fēng)能源，解決了現(xiàn)有技術(shù)中受能流流速的限制無法連續(xù)儲存能源的問題。

關(guān)鍵詞：微風(fēng)發(fā)電；聚能裝置；蓄電池

1 引言

風(fēng)能作為一種可再生的清潔能源，其蘊量巨大，但從經(jīng)濟合理的角度出發(fā)，風(fēng)速大于每秒4米才適宜于發(fā)電。而我國地域遼闊，內(nèi)陸部分地區(qū)大部分時間的風(fēng)速達不到4米每秒，而城市更不適宜裝設(shè)大型風(fēng)機發(fā)電，這些時間內(nèi)由于無法很好的利用這些風(fēng)能造成了很大的能源浪費。一直以來，風(fēng)電局限性頗多、風(fēng)速低時風(fēng)機捕風(fēng)能力弱是限制風(fēng)電發(fā)展的一大瓶頸。試想如果設(shè)計一種裝置，該裝置在風(fēng)速達不到風(fēng)機發(fā)電的切入風(fēng)速時能通過能量的轉(zhuǎn)化將流動性能量的轉(zhuǎn)化為電能保存在蓄電池內(nèi)，供給負荷使用。

基于風(fēng)速限制的情況，相關(guān)領(lǐng)域研究了在微風(fēng)狀態(tài)下即風(fēng)速達不到普通風(fēng)機切入風(fēng)速的情況下通過對風(fēng)機裝置的設(shè)計從而達到在微風(fēng)狀態(tài)下風(fēng)機轉(zhuǎn)動發(fā)電的目的。例如中科院廣州能源研究所， 采用“全永磁懸浮風(fēng)力發(fā)電技術(shù)”研制的發(fā)電機，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)完全由永磁體構(gòu)成，不帶任何控制系統(tǒng)，是我國自主研發(fā)的原創(chuàng)新技術(shù)成果，全永磁懸浮風(fēng)力發(fā)電機的啟動風(fēng)速為1.5米/秒以下、發(fā)電風(fēng)速為2米/秒，可以做到“輕風(fēng)啟動，微風(fēng)發(fā)電”。而傳統(tǒng)風(fēng)力發(fā)電機的這兩項數(shù)值則分別為3.5米/秒、4.2米/秒。這項新技術(shù)的問世比傳統(tǒng)發(fā)電設(shè)備所要求的風(fēng)速大為下降。

不管是傳統(tǒng)的風(fēng)機還是經(jīng)過改進的風(fēng)機，歸根到底仍然是一臺風(fēng)機，所以造成必然不適宜在城市中心的社區(qū)等地方使用。而該項目所設(shè)計產(chǎn)品是一種新型的聚能裝置，該裝置不需要風(fēng)機，裝置的轉(zhuǎn)動慣量裝置的轉(zhuǎn)動輪盤邊緣鑲嵌有高導(dǎo)磁材料，纏繞線圈的電磁鐵串聯(lián)并與儲能電容并聯(lián)，最后將能量儲存在蓄電池內(nèi)。該裝置設(shè)計精巧，適宜在城市社區(qū)、學(xué)校等場所使用。

2 聚能裝置結(jié)構(gòu)介紹

新型聚能裝置是由一個轉(zhuǎn)動裝置其轉(zhuǎn)動桿末端安裝有高導(dǎo)磁介質(zhì)（如硅鋼片）、一個纏繞線圈的E性電磁鐵、一個諧振電容和一個橋式整流電路、一個收割電阻以及蓄電池組成。

3 工作原理的仿真研究

為了清楚地知道隨著風(fēng)速變化連續(xù)不間斷的發(fā)電過程中，電壓和電流信號的幅值是否在蓄電池電壓允許的范圍，本項目主要以仿真為主，重點研究微風(fēng)發(fā)電過程中電感線圈電壓電流變化規(guī)律。

本文分別對單一線圈和四線圈作為研究對象，仿真中用電流頻率的變化來模擬風(fēng)速變化。圖1中Fs為5Hz，圖2中四線圈初始相位差Du為0°。

從圖1仿真結(jié)果中可以看出：單一線圈時，電感線圈中電壓電流在周期內(nèi)迅速遞增。

從圖2的仿真結(jié)果中可以看出：四線圈初始相位差對電感線圈中電壓電流的變化有顯著的影響。當四線圈初始相位差Du存在一個臨界值，小于臨界值時電感線圈中電壓電流變化呈發(fā)散型，反之，電感線圈中電壓電流變化呈收縮型。

通過對單一線圈及多線圈（如4線圈）的仿真分析可知，多線圈情況通過采取適當手段可以實現(xiàn)對電感線圈中電壓電流的變化趨勢進行控制。

4 結(jié)論

本文提出了一種可以發(fā)電儲能的聚能裝置并對該裝置研制過程中關(guān)鍵問題進行了理論研究。文中采用MATLAB軟件針對新型聚能裝置的換能部分建立相應(yīng)的數(shù)學(xué)模型。數(shù)值模擬中重點研究了單一輪盤和四個輪盤發(fā)電過程中電感線圈中電壓、電流變化規(guī)律，并且初步確定微風(fēng)發(fā)電聚能裝置相位控制策略。

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作者簡介：于力（1976—），女，遼寧沈陽人，博士，講師，研究方向：電力系統(tǒng)及其自動。