摘要：本文研制了一个家旅两用的微型垂直轴风力发电装置，由微型垂直轴风力发电机、电能变换控制部分构成。微型垂直轴风力机的叶片采用带孔半橄榄球形的设计方案，有利于风机在微风下稳定地启动。同时，微型风机设计成即插即拔方式，每个风机配备DC-DC稳压器，方便多个微型风力发电机联合发电。智能化的能量控制与管理系统实时监测蓄电池端电压、风力机与负载状态，从而判断和切换系统的工作方式，完成各个风机与负载的协调控制。实验和试运行表明：装置低风速启动性能好，运行稳定可靠，携带方便，适合家庭或旅行使用，还可作为家居摆设的工艺品。装置已申请发明专利，名称“家旅两用垂直轴微型风力发电装置”（申请号：2010201040874）。【关键词】    微型风力发电装置  垂直轴  即插即拔  能量管理  可折叠

    引言

    当今，风能开发越来越受到人们的重视。作为一种新型能源，它取用方便，不污染环境，并且资源丰富。据估算¹，全世界的风能总量约1300亿千瓦，中国的风能总量约16亿千瓦。有资料表明，近些年来，各种可再生能源开发利用中，风电的增长速度是最快的。 但是，目前运行的风力发电机功率都比较大1，尚不能在家居生活中真正普及。基于将风电装置微型化的理念，本文提出一种新型的家旅两用微型垂直轴风力发电装置，为的是将可再生的、环保的风能应用到日常生活中，让风力发电真正走入寻常百姓家！

    1 装置结构

    本装置使用微型垂直轴风力发电机提供电能。采用类似于半橄榄球形状的阻力型风杯及风力机设计，具有启动风速低，启动性能好，稳定低速运转的优点²。为了不引起紊流，在半橄榄球形的叶片中心开一个小孔，用于引导风的流向³。由于要求装置方便携带、易拆装，风机还设计成即插即拔的形式。发电机采用微型永磁同步发电机，启动力矩小，以达到低启动风速的目标。

     DC-DC稳压器采用Boost电路，可以稳定提升不可控整流输出电压至DC12V。蓄电池采用7.2V/5200mAh的锂电池。充电电路Buck采用DC-DC变换芯片AP34063搭建，放电电路同样采用Boost。系统内置能量管理，不断对蓄电池端电压、风力机发出的能量、负载所需的能量情况进行判断，以此切换系统的工作方式，完成各个风机与负载的协调控制。

    装置的结构框图如下：

 
图1 系统原理框图

下面分别来介绍各个部分的设计。

    2 风力机设计

   （1） 风力机尺寸设计

    计算风机的风能捕获有以下公式⁴：

                  (1)

    式中PN是额定功率，设计PN =2 w；ρ是空气密度，取ρ=1.225kg / m³；Cp是风能利用系数，取Cp=0.2；η是风力机传动系统和发电机的效率，取η=0.8；VN是额定风速，取VN=7m / s；S是叶轮的扫风面积。计算可得S=0.03m²。

    由于装置采用的是三叶片阻力型的垂直轴风力机，所以扫风面积可表示为：
S = 3                                                 （2）
式中r是风杯半径。计算可得：r = 0.05m。
设计风力机的直径D=0.2m。

    （2） 叶片形状的设计

    根据叶片的启动特性、正面与背面的风阻分析，证明半橄榄球型叶片的背向阻力很小，利于在微风中启动和运转，适合采用为本装置的叶片形式。在实验室用风扇在同一风速下吹动各类风机模型旋转，对比启动性能和转速，也证实了半橄榄型叶片的气动特性较好。

     但是，实验也发现，半橄榄球形的叶片虽然很灵敏，但当气流进入叶片内部，在顶端中心冲击容易产生气流紊乱，导致风机启动时不稳定，并减慢风机的转速，影响发电效果。在叶片的尾部打一个小孔，小孔就有导流的效果，从而不会发生紊流，使叶片运转趋于稳定，提高发电效率。

图2  未开孔叶片内部气流分析

    （3） 风力机重要参数计算

    速比是叶片旋转速度和来流速度之比，是影响风力机气动力性能的重要因素。通过查阅资料有以下公式5：

            (3)

    其中N表示风力机的额定转速，取N=200rpm，D表示风力机直径，VN 表示额定风速。
则：

                  (4)

    风力机叶片的疏密程度决定了叶片气动力干扰的强弱，是影响风力机性能的重要因素，通常用叶片密实度来衡量风力机叶片的疏密程度。可以如下表示5：

                                                                                     (5)