微风发电聚能装置的研究

于力 郎天池

摘 要：本文针对风能和水能这些具有流动性的可再生资源，提出了一种可以发电储能的聚能装置并对该装置研制过程中关键问题进行了理论研究。新型微风发电聚能装置可以不受能流流速的限制，并通过它可以把这些具有流动性的能量转化成电能并储存在蓄电池内，通过蓄电池给负载供电使用。该装置安全节能无污染，无需人工操作，高效的利用了微风能源，解决了现有技术中受能流流速的限制无法连续储存能源的问题。

关键词：微风发电；聚能装置；蓄电池

1 引言

风能作为一种可再生的清洁能源，其蕴量巨大，但从经济合理的角度出发，风速大于每秒4米才适宜于发电。而我国地域辽阔，内陆部分地区大部分时间的风速达不到4米每秒，而城市更不适宜装设大型风机发电，这些时间内由于无法很好的利用这些风能造成了很大的能源浪费。一直以来，风电局限性颇多、风速低时风机捕风能力弱是限制风电发展的一大瓶颈。试想如果设计一种装置，该装置在风速达不到风机发电的切入风速时能通过能量的转化将流动性能量的转化为电能保存在蓄电池内，供给负荷使用。

基于风速限制的情况，相关领域研究了在微风状态下即风速达不到普通风机切入风速的情况下通过对风机装置的设计从而达到在微风状态下风机转动发电的目的。例如中科院广州能源研究所， 采用“全永磁悬浮风力发电技术”研制的发电机，其内部结构完全由永磁体构成，不带任何控制系统，是我国自主研发的原创新技术成果，全永磁悬浮风力发电机的启动风速为1.5米/秒以下、发电风速为2米/秒，可以做到“轻风启动，微风发电”。而传统风力发电机的这两项数值则分别为3.5米/秒、4.2米/秒。这项新技术的问世比传统发电设备所要求的风速大为下降。

不管是传统的风机还是经过改进的风机，归根到底仍然是一台风机，所以造成必然不适宜在城市中心的社区等地方使用。而该项目所设计产品是一种新型的聚能装置，该装置不需要风机，装置的转动惯量装置的转动轮盘边缘镶嵌有高导磁材料，缠绕线圈的电磁铁串联并与储能电容并联，最后将能量储存在蓄电池内。该装置设计精巧，适宜在城市社区、学校等场所使用。

2 聚能装置结构介绍

新型聚能装置是由一个转动装置其转动杆末端安装有高导磁介质（如硅钢片）、一个缠绕线圈的E性电磁铁、一个谐振电容和一个桥式整流电路、一个收割电阻以及蓄电池组成。

3 工作原理的仿真研究

为了清楚地知道随着风速变化连续不间断的发电过程中，电压和电流信号的幅值是否在蓄电池电压允许的范围，本项目主要以仿真为主，重点研究微风发电过程中电感线圈电压电流变化规律。

本文分别对单一线圈和四线圈作为研究对象，仿真中用电流频率的变化来模拟风速变化。图1中Fs为5Hz，图2中四线圈初始相位差Du为0°。

从图1仿真结果中可以看出：单一线圈时，电感线圈中电压电流在周期内迅速递增。

从图2的仿真结果中可以看出：四线圈初始相位差对电感线圈中电压电流的变化有显著的影响。当四线圈初始相位差Du存在一个临界值，小于临界值时电感线圈中电压电流变化呈发散型，反之，电感线圈中电压电流变化呈收缩型。

通过对单一线圈及多线圈（如4线圈）的仿真分析可知，多线圈情况通过采取适当手段可以实现对电感线圈中电压电流的变化趋势进行控制。

4 结论

本文提出了一种可以发电储能的聚能装置并对该装置研制过程中关键问题进行了理论研究。文中采用MATLAB软件针对新型聚能装置的换能部分建立相应的数学模型。数值模拟中重点研究了单一轮盘和四个轮盘发电过程中电感线圈中电压、电流变化规律，并且初步确定微风发电聚能装置相位控制策略。

参考文献：

[1]宋海辉.风力发电技术及工程[M].北京：中国水利水电出版社，2009.

[2]王宏华.风力饭店的原理及发展现状[J].机械制造与自动化，2010，39（01）：175-178.

[3]田德.国内外风力发电技术的现状与发展趋势[J].农业工程技术，2007：51-56.

[4]刘细平，于仲安等.风力发电技术研究及发展[J].科学之友，2007（40）：76-79.

作者简介：于力（1976—），女，辽宁沈阳人，博士，讲师，研究方向：电力系统及其自动。