谷俊杰，俞先鋒（通訊作者）

（浙江水利水電學院，杭州浙江，310018）

0 引言

本文設計的驅(qū)鳥器是在目前市面上所推廣的風力驅(qū)鳥器的基礎上進行升級改造，解決無法在無風和無光的情況下驅(qū)鳥的問題，提高驅(qū)鳥器的性能，并且可為研發(fā)帶有儲能系統(tǒng)的農(nóng)村自用離網(wǎng)型風光互補發(fā)電、家用儲電裝置以及直流電機驅(qū)動等方面提供一定的思路以及實踐依據(jù)[1]。

1 驅(qū)鳥器系統(tǒng)總體設計方案

該驅(qū)鳥器設計的功能是：白天在充足的光照和足夠的風力條件下，通過風力機旋轉(zhuǎn)帶動風杯光照反射，產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)的強光，起到驅(qū)鳥功效，同時借助風力發(fā)電和光伏發(fā)電對蓄電池儲能；在夜間、無風或光照不理想的條件下，依靠蓄電池提供LED光源和驅(qū)動電機工作，帶動風輪旋轉(zhuǎn)，LED光源通過旋轉(zhuǎn)的風輪風杯反射，產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)的強光，起到驅(qū)鳥的功效。

裝置系統(tǒng)總體框圖如圖1所示。裝置所選用的旋轉(zhuǎn)機構是將垂直軸風杯式風輪通過傳動機構連接直流電機，風杯式葉片的內(nèi)表面安裝反射凹面鏡，同時安裝LED燈；直流電機是具有雙回路的電機，既能工作于發(fā)電運行狀態(tài)，在風力足夠大的時候?qū)崿F(xiàn)風力發(fā)電儲能，也能工作于電動運行狀態(tài)，在風力較小時實現(xiàn)由電機帶動風輪旋轉(zhuǎn)，這樣可以簡化機械傳動機構的設計，節(jié)省了空間；控制電路模塊選擇用光敏電阻采集光照強度，以此來控制白天與夜間電機工作狀態(tài)的切換?？紤]到光伏板和風力發(fā)電的不穩(wěn)定性，所以增加DC/DC升降壓模塊，實現(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)鳥器的結(jié)構設計

驅(qū)鳥器的結(jié)構設計，包括風輪結(jié)構、傳動結(jié)構和裝置底座結(jié)構設計三部分。

■2.1 風輪結(jié)構的設計

風輪的主要結(jié)構是由三個風杯式的葉片構成，每個葉片與垂直軸通過65CM長的空心管連接，風杯式葉片內(nèi)部安裝LED光源。風輪的葉片之所以選用風杯式葉片[2]，主要是為了將一個凹面鏡放在風杯式葉片的杯口內(nèi)部，由光的反射原理，白天通過太陽光的照射，聚焦成三束移動的白色強光，驅(qū)趕鳥類?？紤]到晚上沒有光照，起不到驅(qū)逐鳥類的作用，所以將扇葉與垂直軸的軸承之間連接的連桿設計成空心管，內(nèi)裝設導線，并在扇葉與連桿連接的位置開小孔，安裝LED光源，在夜晚光源照射到凹面鏡上，通過反射，產(chǎn)生平行強光，達到驅(qū)逐鳥類的作用。

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

■2.2 傳動結(jié)構的設計

傳動結(jié)構主要由低速軸、變速齒輪、高速軸、聯(lián)軸器和軸承構成。模型圖如圖2所示。

圖2 傳動結(jié)構示意圖

由于裝置采用的是垂直軸風力發(fā)電機，因此整個傳動結(jié)構整體與風輪旋轉(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)電機安裝在底部。

2.2.1 低速軸設計

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

2.2.2 變速齒輪設計

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

變速齒輪采用一級平行軸輪系結(jié)構，與低速軸連接的是60齒的凸臺齒輪，與高速軸連接的是12齒的凸臺齒輪，變速比為5。通過實驗測得，當風輪的轉(zhuǎn)速為24r/min時，高速軸帶動發(fā)電機旋轉(zhuǎn)，即可產(chǎn)生12V的直流電壓。每分鐘24轉(zhuǎn)的速度對于風力的要求較低，而對于蓄電池的充電要求是可以正常滿足。

2.2.3 高速軸設計

高速軸一端采用臥式軸承支撐，該軸承與發(fā)電機一塊固定在垂直分布的木板上；高速軸與12齒的凸臺齒輪固定連接，其另一端通過聯(lián)軸器與發(fā)電機轉(zhuǎn)軸連接。

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裝置的底座為長方體結(jié)構，長30cm，寬22cm，高29cm，負責承重的主體部分設計成由25mm×25mm的方形木條構成的框架結(jié)構，并設計了兩層，上層為承重層，主要作用是擺放太陽能光伏板和作為風輪和傳動機構的承重平臺；下層為器件架設層，用來放置電機、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于設備的影響。

3 驅(qū)鳥器系統(tǒng)電路設計

驅(qū)鳥器系統(tǒng)電路部分的設計是一個裝置能否正常運行的關鍵，下面主要從LED光源驅(qū)動電路、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)動電路設計

LED光源驅(qū)動電路的設計思路是：從LT8705模塊（蓄電池放電控制模塊）輸出，經(jīng)過導電滑環(huán)引入旋轉(zhuǎn)軸，然后分三路通過限流電阻分別連接安裝在風杯中的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燈的導通電流約為15mA。

■3.2 蓄電池充放電電路設計

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。充電時充電電壓需要控制在12.6V以上，由于風力發(fā)電機和太陽能光伏板發(fā)電輸出電壓具有不穩(wěn)定性，因此需要通過一個寬電壓輸入恒壓輸出的充電電路來實現(xiàn)對蓄電池的可靠充電。放電時，放電電壓需要控制在12V左右，由于隨著蓄電池的使用，其端電壓也會有變化，因此需要通過一個寬電壓輸入恒壓輸出的放電電路來實現(xiàn)對負載的可靠供電。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)控制電路設計

驅(qū)鳥器的工作原理是白天通過風力發(fā)電機和太陽能光伏板發(fā)電向蓄電池充電，晚上再由蓄電池向LED和電機供電，因此需要設計一個能實現(xiàn)自動切換的控制電路。這里選用光敏電阻采集光照強度來實現(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實現(xiàn)自動切換控制。

具體的控制電路分為四個模塊，分別為+5V電源模塊，光敏電阻感應模塊，運算放大器模塊，繼電器模塊，各個模塊通過相互連接，構成了控制電路。

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，通過調(diào)節(jié)電位器，來調(diào)整光明電阻對于光照強度的敏感程度。本設計的光敏電阻模塊設定為當光照強度高時，輸出低電壓，當光照強度低時，輸出高電壓。

圖3 光敏電阻模塊和運算放大器模塊電路

運算放大器模塊如圖3所示，它的的作用是通過由兩級運放構成的兩個比較器將光敏電阻模塊輸出的開關信號轉(zhuǎn)換成兩路相位相反的開關信號IN1和IN2。

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

圖4 繼電器模塊電路圖

4 驅(qū)鳥器功能測試

在白天，通過電風扇制造風力，模擬實際運行環(huán)境，檢測太陽能光伏板和風力發(fā)電機發(fā)出電能，實際測試產(chǎn)生的電壓為12.4V，產(chǎn)生的電流為0.01A。

風杯在LED光源發(fā)光時的反光效果圖如圖5所示。

圖5 風杯反射強光實際拍攝圖

在光照強度高時，光敏電阻感受到光照時，輸出低電平，繼電器切換到1端口，進行蓄電池充電；在亮度較低時，光敏電阻輸出高電平，繼電器切換到2端口對電機和LED燈進行供電，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)上述的測試，基本上可以證明本裝置的功能是可以達到預期設計效果。

5 結(jié)論

本文設計的新能源驅(qū)鳥器是采用風光互補供電，是一種經(jīng)濟環(huán)保高效的驅(qū)鳥設備，可以減少鳥類對農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的損失，適合在農(nóng)田區(qū)域使用。