小型发电装置

小型发电装置（精选7篇）

小型发电装置 篇1

一、研究背景

现如今, 能源短缺是全世界面临的最大问题之一。在新能源 (如太阳能、快中子反应堆电站、核聚变电站等) 尚未取得大突破前, 能源供应将日趋紧张。我们从日常生活入手, 利用电磁感应发电原理将人类日常生活中产生的机械能转化为电能, 用于辅助解决生活中的小规模用电问题, 达到节能环保的目的。本文即是对一种小型自发电装置的研究, 它是一个可以通过切割磁感线从而发电的装置, 将其安装在人流量较大的公共场合的地表上, 把人产生的机械能转化为电能, 从而达到节能发电的效果。其中自发电装置的设计是难点, 装置的使用与后续推广是重点。

二、研究意义和价值

1. 创新意义。

首先, 该自发电装置将人们日常行走产生的能量转化为电能, 此种发电方式方便使用, 可提供电能给小型用电器, 解决小规模用电问题, 达到节能发电的目的;其次, 通过切割磁感线发电的方式节能环保, 原理简单易懂, 且不会产生有害物质污染环境。除此之外, 其新颖的外观和发光效果可以作为一种装饰品装饰环境。

2. 应用价值。

项目成功的必然性: (1) 该自发电装置原理较简单, 易于理解, 便于制作; (2) 使用范围广泛, 可适用于人流量较大的地点 (如教学楼、影剧院、超市等) ; (3) 符合低碳环保的大环境, 与可持续发展战略相契合。项目的可行性:充分利用人们日常活动产生的机械能, 使其转化为电能, 为小型发电装置提供电力, 既可以避免常规发电方式带来的污染, 又大大提高了发电的安全性、环保性;可广泛应用于美化、宣传、广告传播、地面导向标识等;创新而合理的设计, 可以美化装饰环境。

三、自发电装置设计及使用推广

1. 自发电装置原理设计 (图文说明) :

由此俯视图可以看出该装置是由八个自发电装置组成, 可以大大提高装置发电的效率。

由此纵剖面图可以看出整个装置由三部分组成。位于图最上面的为踏板 (与弹簧直接相连) , 位于图中央的为发电装置, 位于图底部的为储电和电能导出装置。当外力作用于踏板时, 利用弹簧与踏板的相互作用, 以及齿轮之间的相互嵌套带动磁极的转动达到切割磁感线的目的从而发电。

由此图可以看出自发电装置的发电原理是通过对踏板的作用带动齿轮转动, 利用齿轮的咬合作用带动磁极旋转切割磁感线从而发电。

2. 装置组成。

此装置内部主要由承重部分、发电部分、发光部分和蓄电部分组成。发电装置是主要的构成部分, 主要由齿轮、磁铁和线圈组成。

3. 具体构件说明。

(1) 脚踏板:利用外力对踏板的作用带动弹簧, 使弹簧带动踏板发生往复运动, 再通过增速机将牵动的速度提升, 提高此装置的发电效率。 (2) 齿轮:如图所示, 此装置由三个齿轮组合而成。通过踏板对杆件的作用带动大齿轮转动, 将磁极安装在小齿轮上, 利用大小齿轮的咬合作用带动磁极旋转从而发电。另外通过大齿轮和小齿轮的配合使用, 当大齿轮转动一圈时刻带动小齿轮转动多圈, 从而提高发电效率。 (3) 线圈:线圈在磁场中旋转, 切割磁力线产生电能, 线圈转得越快, 切割磁力线的速度就越高, 产生的电能也越多, 对外电路提供的功率就越大, 线圈和磁铁相对旋转的动力来源于踏板, 通过踏板和弹簧就可以将人日常行走产生的能量转变成电能。 (4) 磁极与铁片:电磁感应原理的发电方式主要为两种, 一种是磁极旋转, 线圈不转;另一种为线圈旋转, 磁极不转。此装置采用磁极旋转线圈不转的方式发电。另外, 此装置采用双层铁片的设计, 增大了磁感线与铁片的接触面积, 从而提高了发电效率。 (5) 蓄电池:蓄电池可以将装置产生的电能进行储存, 既可以作为装置本身发光效果的原动力, 同时也可为外部LED显示屏的工作提供电能。 (6) 逆变器:逆变器的作用是完成直流电与交流电的转化工作, 从而扩大该装置的使用范围, 增强其应用性。 (7) LED显示屏:由于该装置原理简单, 无法解决大型用电器的用电问题, 且LED显示屏具有耗电小、应用广泛的特点。因此, 本装置选用LED显示屏作为用电器, 可以充分展示装置的发电效果。

4. 运行机理。

(1) 承重部分, 人踩踏板由金属板构成, 以保证地板的结实, 板的下侧连接弹簧, 弹簧支撑在下侧的板上, 使得地板被踩下后能再弹起。 (2) 发电部分, 当人踩下地板时, 地板下沉带动齿轮转动从而带动末端磁铁旋转, 而环绕在磁铁周围的线圈就会因为切割磁感线而产生电流, 最后连在线圈一端的蓄电池就会将电能储存在电池中, 这样, 人的机械能就转化成了电池的化学能, 从而达到发电的效果。 (3) 发光部分, 人施加的机械能不是全部被蓄电池转化, 还有一部分用做地板下部紧贴的电灯装置的供能。当装置开始发电时, 一部分电能流向蓄电池, 另一部分电能流向发光装置, 使得其产生间断的光, 增加其灵活性。

5. 附加功能。

为了增强地板外观效果, 本装置将地板的板面安装了发光装置, 利用人短暂的做功产生短暂间断的发光效果, 以装饰环境。

四、自发电装置使用及推广

将该自发电装置连接在一起, 安装在人流量较大的公共场所, 可为广告屏、楼梯屏、信息发布屏、交通引导屏提供电能;另外, 白天过往的人或车辆通过对地板上的踩踏产生发光效果, 晚上其发光效果可以装饰城市, 既可以美化地面, 又可以将剩余的电能储存起来或用在交通道路上, 晚上或雾天过往的车辆使地板发光以警示行人。由于该装置原理简单, 具有较大的发展空间, 经专业人士改进后, 可进一步解决用电问题。

我们利用踏板带动齿轮转动, 通过齿轮的咬合作用带动磁极旋转切割磁感线从而发电。通过与LED显示屏的配合使用, 可充分展示装置的发电效果。整套装置可进行批量生产, 且装置的制造成本低, 实用性强, 任何单位均能够负担起它的价格, 有极强的经济效益和社会效益, 市场发展前景巨大。

摘要：在现如今能源短缺的前提下, 日常生活中的供用电问题已成为一个值得关注和研究的问题。本研究从日常生活入手, 旨在辅助解决生活中的小规模用电问题, 达到节能环保的目的。

关键词：自发电装置,地板,环保,装饰

参考文献

[1]谢处方, 饶克谨.电磁场与电磁波 (第4版) [M].北京:高等教育出版社, 2006.

[2]邱关源.电路 (第5版) [M].北京:高等教育出版社, 2006.

[3]阎石, 清华大学电子学教研组.数字电子技术基础 (第4版) M].北京:高等教育出版社, 1997.

[4]李发海, 王岩.电机与拖动基础 (第3版) [M].北京:清华大学出版社, 2005.

[5]唐文秀, 孙丽萍.模拟电子技术基础[M].北京:中国电力出版社, 2008.

小型发电机的应用 篇2

小型发电机组(简称“发电机”)主要由内燃机和发电机两部分组成。内燃机依靠燃烧燃料产生旋转动力带动同轴的发电机发出电力。内燃机和发电机间通过一定的机械调速控装置连接,用来稳定内燃机转速和控制发电机转速,以满足不同输出功率的需要。根据需要可以配置交流或直流发电机,分别发出不同电压的交流电或直流电。发出的电力经过一定的电压调节和稳定装置后提供电力输出供负载使用。

应急通信电台可以选用输出额定电压12V的直流发电机,也可以选用输出电压220V的交流发电机。如果选用前者,则要考虑发电机与电台之间的连线不能太长,尽量用粗短的优良导体进行连接。太长的连接或电源线截面积太小,会造成电台供电电压下降,以及电源导线发热等危险隐患的发生。如果电台与发电机间的距离间隔较长,建议选用后者。220V交流输出可以通过相对12V直流使用截面积小长度更长的电源导线,将电力输送到更远的地方供电台使用。这种方法需要为电台配套前面方案中提到的专用直流稳压电源,在电台附近将220V交流降压整流成直流供通信设备使用。见图1。

小型发电机分类

小型发电机按使用燃料分类,可以分为柴油发电机、汽油发电机、混合油发电机、燃气发电机。柴油发电机噪声较大,输出功率也比较高,大多为5kw以上。柴油内燃机惯性大、加速调整滞后,当发电机负载变化大时,其输出电压和频率稳定性受影响较大。业余电台的工作采用小功率机组时,电台发射瞬间电流陡增,发电机输出稳定性受影响较大。汽油发电机工作时的噪声相对较小,功率大多在5kw以下,多为2kw、3千瓦、5kw不等,价格约在1200至3000元之间。而混合油发电机使用的燃料为汽油和机油混合物,功率大多只有几百瓦,如550W、600W、800W等,价格约在500至800元。业余无线电当中使用较多的则是汽油发电机和混合油发电机,售价便宜、使用成本低、输出也满足需求。

如果在类似重庆这样天然气资源丰富,并且有普遍配套的天然气加气站供应的城市,也可以考虑使用天然气为燃料的燃气发电机。这种发电机能源利用率比前面几种类型发电机都高,可以达94%。而且污染小、体积小、重量轻、噪声也相对小。最大的缺点就是市售产品多为进口机型,售价较高,并且有燃气供应的城市不多。见图2。

燃油发电机按其中内燃机设计的工作循环不同,可以分为二冲程和四冲程机。内燃机完成一个工作循环,即吸气、压缩、燃烧做功、排气等四个过程,如果是在曲轴旋转二周内完成,并且整个工作过程是在活塞上方进行则是四冲程内燃机;如果是在曲轴旋转一周内完成,在采用曲轴箱换气的情况下,工作过程既在活塞上方进行,也在活塞下方进行则是二冲程内燃机。二冲程内燃机比四冲程内燃机省略了进排气配气机械结构,有结构简单、可靠性高、成本低的优点,但在吸气、排气过程中有新鲜进气和废气的短路,会造成燃烧效率低、燃烧不充分、排气污染大、输出功率小、噪声大等缺点。对于机械制造加工精度低的机型,还会有工作不稳定、不平顺,会爆燃,小负荷时缺火严重等问题。总体综合四冲程的内燃机有省油、噪声小、寿命长等优点,在家用小型发电机中如果不考虑污染和噪声的问题,二冲程和四冲程机是用差别不是很大,但价格可以便宜很多。关键看厂家的制造水平和使用材料的优良,这些主要都与售价成本直接关联。

发电机的选购参考

业余无线电应急通信采用小型发电机供电方案,在选购发电机时可以参考以下关键因素。

1.发电机组噪声。

按照国家有关标准发电机工作允许发出的噪声,在白天、夜间、居民区、生产区等是不同的,通常允许噪音为45dB～75dB。质量好、大品牌、价格贵的发电机工作时相对噪音会很小,而小厂生产、价格较便宜的机型噪声通常会很大。发电机虽然能为电台提供电力供应,但如果它发出的噪音太大,很多时候会直接影响电台操作员的操作,甚至导致通联无法正常进行。解决的方法,一种是让发电机远离电台。但这会造成发电机输电线路过长电力输出损耗增大,需要依靠采用高压供电或者加大电源线截面积等方法来改善。另一种方法就是尽量选购噪声小的机型。购买发电机时最好让销售商当场试机,体会一下它的噪声对使用电台会有多大影响。通常的经验是,如果在发电机旁边,两个人面对面能正常交谈,则该机的噪声一般不会超过70dB,基本可以用于电台通信。实际经验,可以将发电机放在一个凹坑中或是用板材等障碍物适当围挡,让发电机噪声尽量反射向操作者相反的方向。见图3。

2.发电机输出功率。

小规模应急通信多为单电台工作,另外涉及到的设备会有天调、自动控制器、照明灯、电脑等用电设备,一般耗电功率仅几百瓦,选用1kw左右的发电机输出功率足够使用了。如果有多个电台要同时工作,则可以按:发电机额定输出功率=电台输出功率×3×3的公式大致进行估算。前一个“3”表示消耗功率按电台效率约为30%估算,即100W电台最大需消耗功率300W;后一个“3”表示发电机组发电转换效率为30%估算,即额定输出1200W功率发电机带负荷时有效可用功率为400W。估算结果应适当预留余量。另外要注意,发电机输出功率越大其体积、重量耗油量以及产生的噪音也将随之增加,除非有较大的负载否则没有必要配置功率过大的发电机。

3.燃油消耗量。

燃油发电机油料消耗量的表示与普通汽车不同,不采用百公里耗油量表示。一般按每小时消耗燃油的重量或体积进行标识,单位为g/小时、kg/小时、L/小时。耗油量与发电机功率、使用燃油的类型、辛烷值标号等有关。1kW以下功率,家用小型发电机耗油量标称值大多为300～450g/小时。如果选用低油耗型机型,其耗油量标称值最低可达120g/小时。在选购发电机时应注意:与汽车标注耗油量使用经验类似,发电机实际使用耗油量都会比产家标称值偏大。

4.价格。

发电机价格与其设计制造工艺、原材料部件、性能好坏直接相关。同时与使用寿命和可靠性、稳定性也有很大关系。因此单纯追求购买低价格的发电机并不是一个明智的选择,而应该是根据自己使用的频度、供电方法、应急通信的后勤保障能力、电台操作习惯等综合对比考虑购买价格适中、性价比最好的机型。适合电台使用的发电机中,配置了所谓“全数码控制”的功能,是发电机在机械装置稳定转速的前提下,叠加通过单片机对发电机转速、输出功率、输出电压值进行自动调节和设置,可以更精确的提供稳定的电源输出,并能最高效发挥发电机的效能。虽然增加了一些成本价格,但它的提高了输出电压的稳定度、减小了干扰波纹、方便了操作、节省油料消耗,而且有相对完善的监测电路控制发电机,避免工作异常突然输出高电压而损坏负载设备的情况。应急通信主要的对相对精密的电台设备供电,应多考虑些成本选购有数码控制功能的发电机为宜。

5.查看产品的证照是否齐全合法。

发电机的证明文件包括生产许可证、产品合格证、商标注册证(俗称“三证”)。其中产品合格证包括整个发电机组的合格证、内燃机合格证和发电机合格证。如果发电机上合格证与铭牌标识、编号等不符,就有可能是拼装机。“三证”齐全的产品是质量保证的前提。

国内家用小型发电机生产地,传统产品品牌大多来自重庆,如力帆、联龙、隆鑫、宗申、银钢、环松等,这些产品电压输出波形差对电台设备在短波工作时干扰较大,如要选购需实际测试可用性。超小型的混合油发电机,则大多来自浙江台州等地,质量相对较好,有电子控制的稳定系统,基本可以满足电台使用。效率较高、采用电子调速、数码变频控制电压的机型则以日本、德国等国外进口品牌为主,在电台的使用中干扰最小。

发电机的维护和使用安全

发电机这种机电设备有很多机械部件。哪怕长期不使用,为了防止机件锈蚀、润滑失效等也应定期进行保养维护。发电机的保养与家用汽车发动机保养有很多相似之处。例如润滑检查、机油和燃油的添加等,可以参照汽车维护方法进行。

小型燃油发电机与普通家用汽车使用相比具有更大的危险性。例如燃油的储藏保存添加以及混合油料的配兑都不是在专业场所由专业人员操作,一般情况下都是使用者自己完成。在使用发电机时,应高度重视安全问题。一是应使用安全可靠的容器储藏燃油,保存地点应远离火源和热源;二是使用容器在加油站加注燃油时,一定听从专业人员的安排,按安全流程进行操作。不要使用塑料容器盛放燃料;三是自己配兑混合油料以及往发电机加注燃料时遵照安全流程操作并远离火源;四是工作中的发电机应远离火源并有充足的新鲜空气,避免在封闭的空间内使用;五是定期检查发电机组储油箱、油管、润滑油油路、电火花灭弧装置、发电机输出绝缘等零部件的磨损或工作情况,及时发现并排除存在的安全隐患。

只要使用得当,发电机一定能够随时为电台提供充足不间断的电力电源供应,满足应急通信的需要。见图4。

应急通信发电机实例参考电子变频汽油发电机EU20i/1 0i

贴标某品牌汽油发电机EU20i。EU20i体积512mm×290mm×425mm (EU10i体积451 mm×242mm×379mm),排气量98.5cm3 (EU10i排气量为49.4 cm3)。内燃机型号GX100,强制风冷四冲程,手动启动,燃油油箱容积3.6L (EU10i油箱容积2.1L)。四分之负载耗油量约0.44L/hr(0.69 L/hr),7米处噪声(满负荷)52～59dB。发电机输出额定频率50Hz,交流电压230V,最大交流输出能力7A(EU10i为4A);直流输出电压12V,最大直流输出能力8A。整机重量21kg(EU10i为13kg)。

该机为国内生产出口贴牌产品。直流为发电机单独线圈绕组输出,主要供蓄电池充电使用。230V交流是发电机三相线圈绕组,发电机输出交流整流成直流后由变频器变换为交流输出。电子油门随动控制对负载变化适应性能很好,负载功率变化对输出能力影响很小。实际使用与交流市电供电差异不大,短波电台使用无干扰。采用直流变频技术不仅干扰小,而且与相同功率同类发电机相比噪音更小,燃油耗油量降低20%。

参考价:EU20i为81 00元;EU10i为6600元

开普数码变频发电机IG1000

国产开普IG1000发电机配用KG 144内燃机组,强制风冷4冲程,排气量53.5ml,燃油油箱容积2.7L。机组燃油消耗量420～550g/KW.h。外形尺寸460mm×248mm×395mm,重量14kg。输出能力交流230V,50Hz,3.9A;直流12V,8.3A。采用直流变频技术,将交流电力输出经整流后获得直流,由变频器变换获得最终输出。输出电压、频率均有变频电路自动控制,能够获得近似正旋波形较高的稳定性电压输出。

该机变频电路的结构和元件选配等因素,与EU20i/EU10i相比输出性能相对较差。在负载变化时,输出波形有轻微变化,由此带来高频干扰。使用该电源交流输出经直流稳压电源稳压输出13.8V直流为电台供电,电台在短波全段背景噪声都有增加,S表增加2～4格。在发电机输出端并联一只40W白炽灯后,干扰有所减轻。在发电机输出电缆上串接交流电源滤波器和磁环后,干扰进一步减轻。可以为短波电台在应急通信时供电使用。

参考价格:3000元。

原厂网站:www.kipor.com

小型风力发电机的三维建模 篇3

关键词：小型,风力发电,发电机

0 引言

随着化石能源的过渡消耗以及其对环境带来的严重影响, 风能凭借其清洁、可循环利用等诸多优点而越来越受到重视, 风电作为新能源, 因其自身的清洁环保性和可持续性而有着广阔的发展前景和提升空间。本文论述了风力发电的优势及风力发电产业在中国的发展及现状, 并结合风机叶片的结构和运行工况进行了以下方面的探讨及研究。

1 为什么要建立三维模型

叶片是整个风力发电装置中的关键部件之一, 它的几何形状直接影响着风力发电机的效率、可靠性、噪声的大小, 以及风力发电机的使用寿命。在风力发电机叶片的设计过程中, 为了满足各项气动性根据风力发电机叶片设计的经典理论设计叶片的外形, 利用三维建模软件建立叶片的三维实体模型。其中根据叶片翼型数据较多的设计特点, 在传统建模方法无法实现的情况下, 提出了导入数据文件的建模方法, 提高了模型的建立效率。

2 项目特色与创新点

因为常规矿物能源供应的不稳定性和有限性, 于是寻求清洁的可再生能源遂成为现代世界的一个重要课题。风能作为可再生的、无污染的自然能源又重新引起了人们重视。随着风电产业的高速发展, 风电设备供不应求。近年来, 新兴市场的风电发展迅速。在国家政策支持和能源供应紧张的背景下, 中国的风电特别是风电设备制造业也迅速崛起, 已经成为全球风电最为活跃的场所。风力发电机的构造复杂, 各部分功能都非常重要, 通过有序运行来完成。

2.1 合理设计方案

施工组织设计对施工全过程具有主导作用, 它通过对施工进行全面、严密的组织计划, 指导施工活动, 从而使工程施工又好又快发展, 最终实现基本建设投资效果的目的。

2.2 加强技术管理

在工程施工到投产的全过程都要重视施工技术管理。在整个过程中, 要按规定的施工操作流程来确保施工的质量。要求施工人员有一定的专业知识, 掌握熟练的工作技能, 并严格执行施工程序。工程技术资料是施工情况的真实反映, 是评定工程质量的主要依据, 因此我们也要加强工程技术资料的管理。

2.3 现场管理

要做好风能发电现场管理, 应将工程的主要部位、主要结构和隐蔽工程纳入重点管理内容。对其工程质量进行全面、全过程的检查。施工现场管理还应对技术措施、操作规程等方面进行全面检查;同时还须做到安全、文明、环保施工。风力发电机受到风力的作用, 风轮旋转。使得风的动能转变为风轮轴的机械能, 风轮轴带动发电机旋转发电。一般叶轮设计成翼形, 风轮从自然界获得的能量有限, 其功率损失部分可解释为留在尾流中的旋转动能。现代风轮设计一般采用新翼形设计, 除按照传统要求在尖部采用薄翼型以满足高升阻力、根部采用厚翼型满足机械强度外, 新翼形和传统的航空翼形有较大差别:一般在叶轮尖部采用较低的最大升力系数, 并减少尖部叶片弦长, 以控制转子尖部的负荷。

2.4 风力发电机三维建模与分析

由于风能是一种清洁无污染的可再生能源。所以在当今社会越来越受到关注。同时由于风能的开发和利用绿色环保, 众多国家和地区对风力发电的研究不断深入, 使其造福人民。从叶片周围绕流的物理模型抽象出相应的数学模型, 采用有限体积法对叶片的外部流场进行处理, 获得了叶片外流场的速度、压力分布, 扑捉到一些重要的流动现象。验证风力发电机在切入风速、额定风速和极限风速工况下的运行情况, 验证了叶片由于攻角过大时产生的失速现象等。利用Solid Works软件建立风力发电机的三维模型。重点对叶片进行受力模拟运算, 结合风机工作中的实际情况, 发现当前叶片设计中存在的不足之处, 为后续设计和优化奠定基础。在风力发电实际应用中起一定的指导作用。

2.5 风力发电机发展现状及研究进展

近年来, 风力发电不断获得发展, 200年以来, 全球每年风电装机容量增长速度为20%~30%。全球风能协会发布最新一期全球风电的增长数据显示, 2008年全球范围内新增风电装机容量2705万k W, 使得全球风电装机容量达到1.20亿k W, 较2007年增长28.8%。风力发电机是实现风能转换为电能的核心部件之一。当前已发明设计了不同类型的风力发电机结构及发电系统.并努力改进, 使其更好的造福于民。

2.6 风力发电机组叶片三维模型自动成型系统的开发与研究

叶片外形设计是提高风力发电机组最大利用风能的关键技术。本文针对小型风力机叶形设计方法及改善设计叶形气动特性等问题, 在叶片三维模型对整机载荷的影响等方面进行了一定的研究。研究工作具体内容及结论如下:

(1) 以400W水平轴小型风力发电机组叶片数据为模型, 首先根据整机设计风场等条件确定风轮基本参数;其次根据相关计算叶片展向不同半径下的弦长、扭角等参数计算公式;最后提出减少制造成本和获得最大风动力的修正叶片参数设计方案。

(2) 在确定叶片截面参数计算公式及现有扫描点云数据重构的三维叶片模型特点后, 根据Solid Works二次开发技术及数据库开发技术开发一套水平轴风力发电机组叶片设计系统。设计结果表明, 应用开发的软件可以快速、便捷的成型各种设计条件下的叶片三维模型, 并能通过修改数据文件, 进行较为个性化的叶片模型设计, 大大提高了设计速度和模型的正确性, 弥补了现有技术的缺点。

(3) 根据整机载荷计算原理, 将整机划分多个坐标系统, 分别对不同关键部位进行载荷计算, 并运用ABAQUS有限元分析软件进行多种叶形下的叶片载荷计算, 通过分析关键部位稳定载荷曲线、正常发电、正常停机等多个工况下载荷谱, 对设计软件设计的叶形进行综合性能评价。

3 总结

叶片外形设计是提高风力发电机组最大利用风能的关键技术。风能作为一种清洁无污染的可再生能源, 在当今社会越来越受到关注。同时由于风能的开发和利用绿色环保, 众多国家和地区对风力发电的研究不断深入, 使其造福人民.本文针对小型风力机叶形设计方法, 在叶片设计原理、修正方法、模型成型方法以及叶片三维模型对整机载荷的影响等方面进行了一定的研究。推广应用新兴的三维建模风力发电站代替传统的电力变电站, 分析了风力发电系统的动态性能及相关系统, 得出了小型风力发电机三维建模设计方案的可行性。

参考文献

[1]尹鹏, 王春秀.风力发电机组叶片精确建模方法研究[J].机械设计与制造, 2010 (05) .

小型太阳能光伏发电系统探究 篇4

太阳能光伏发电是利用电池组件将太阳能直接转变为电能的装置。太阳能电池组件是利用半导体材料的电子学特性实现P-V转换的固体装置, 国内主要研究生产适用于无电地区家庭照明用的小型太阳能发电系统。

在广大的无电力网地区, 该装置可以方便地实现为用户照明及生活供电, 一些发达国家还可与区域电网并网实现互补。

二、太阳能光伏发电系统

太阳能光伏发电的主要部件是太阳能电池组件, 太阳能光伏发电系统就是由电池组件将太阳能直接转变为电能并储存经变换后应用。太阳能发电系统由太阳能电池方阵, 蓄电池组, 充放电控制器, 逆变器, 交流配电柜、太阳能跟踪系统、太阳能组件除尘系统等设备组成。其中交流配电柜、太阳能跟踪系统、太阳能组件除尘系统等设备是太阳能发电系统的辅助设备, 在提高发电效率, 维护系统寿命方面起着关键作用。

2.1电池单元

由于技术和材料原因, 单一电池的发电量是十分有限的, 实用中的太阳能电池是单一电池经串、并联组成的电池系统, 称为电池组件 (阵列) 。

单一电池是一只硅晶体二极管, 根据半导体材料的电子学特性, 当太阳光照射到由P型和N型两种不同导电类型的同质半导体材料构成的P-N结上时, 在一定的条件下, 太阳能辐射被半导体材料吸收, 在导带和价带中产生非平衡载流子即电子和空穴。

同于P-N结势垒区存在着较强的内建静电场, 因而能在光照下形成电流密度J, 短路电流Isc, 开路电压Uoc。若在内建电场的两侧面引出电极并接上负载, 理论上讲由P-N结、连接电路和负载形成的回路, 于是就有“光生电流”流过, 太阳能电池组件就实现了对负载的功率P输出。

2.2电能储存单元

太阳能电池产生的直流电先进入蓄电池储存, 蓄电池的特性影响着系统的工作效率和特性。蓄电池技术是十分成熟的, 但其容量要受到末端需电量, 日照时间 (发电时间) 的影响。因此蓄电池瓦时容量和安时容量由预定的连续无日照时间决定。

2.3控制器

控制器的主要功能是使太阳能发电系统始终处于发电的最大功率点附近, 以获得最高效率。而充电控制通常采用脉冲宽度调制技术即PWM控制方式, 使整个系统始终运行于最大功率点Pm附近区域。放电控制主要是指当电池缺电、系统故障, 如电池开路或接反时切断开关。

目前日立公司研制出了既能跟踪调控点Pm, 又能跟踪太阳移动参数的“向日葵”式控制器, 将固定电池组件的效率提高了50%左右。

2.4逆变器

在很多场合, 都需要提供220VAC、110VAC的交流电源。由于太阳能的直接输出一般都是12VDC、24VDC、48VDC。为能向220VAC的电器提供电能, 需要将太阳能发电系统所发出的直流电能转换成交流电能, 因此需要使用DC-AC逆变器。

由于太阳能电池和蓄电池是直流电源, 而负载是交流负载时, 逆变器是必不可少的。

逆变器按运行方式, 可分为独立运行逆变器和并网逆变器。独立运行逆变器用于独立运行的太阳能电池发电系统, 为独立负载供电。并网逆变器用于并网运行的太阳能电池发电系统。逆变器按输出波型可分为方波逆变器和正弦波逆变器。

方波逆变器电路简单, 造价低, 但谐波分量大, 一般用于几百瓦以下和对谐波要求不高的系统。正弦波逆变器成本高, 但可以适用于各种负载。

三、太阳能发电系统的效率

在太阳能发电系统中, 系统的总效率ηese由电池组件的PV转换率、控制器效率、蓄电池效率、逆变器效率及负载的效率等组成。

但相对于太阳能电池技术来讲, 要比控制器、逆变器及照明负载等其它单元的技术及生产水平要成熟得多, 而且目前系统的转换率只有17%左右。

因此提高电池组件的转换率, 降低单位功率造价是太阳能发电产业化的重点和难点。太阳能电池问世以来, 晶体硅作为主角材料保持着统治地位。目前对硅电池转换率的研究, 主要围绕着加大吸能面, 如双面电池, 减小反射;运用吸杂技术减小半导体材料的复合;电池超薄型化;改进理论, 建立新模型;聚光电池等。

四、结束语

太阳能发电作为一种取之不尽, 用之不竭的清洁环保能源将得到前所未有的发展。随着太阳能产业化进程和技术开发的深化, 它的效率、性价比将得到提高, 它在各个领域都将得到广泛的应用。

摘要：太阳能光伏发电是利用电池组件将太阳能直接转变为电能的装置。本文主要介绍了太阳能光伏发电系统的组成与原理, 提出了提高太阳能光伏发电转化效率的思路。

小型汽油发电机建模方法研究 篇5

汽油发电机是直接对外部供电的设备, 国家标准规定供电设备输出的交流电压和频率必须稳定在一定范围, 否则可能会影响用电设备的使用效果, 甚至造成设备损坏[1]。因此, 利用电子调速器来调节汽油发电机组中汽油发动机的转速, 使其在发电机的各级负载下都能具有稳定的转速, 对提高发电机的供电品质, 保证发电机组运行的可靠性和安全性有着非常重要的作用, 而任何控制都要基于适当的模型, 因此, 对汽油发电机组合理建模对于汽油发电机组的调速控制至关重要。

2汽油发电机建模

在汽油发电机组中的汽油发动机, 工作特点是要求转速保持稳定。而汽油发动机转速的控制, 实质上是调速器根据汽油发动机的运行状况和外界负载变化情况, 调节化油器节气门开度来改变供油量, 使汽油机的转速保持在给定的转速范围内。当汽油发电机负载恒定而无其它因素扰动时, 汽油发动机工作于稳定工况。汽油发动机的稳定工况是由给定负荷下曲轴的恒定转速来表征的, 如果忽略机组的摩擦力矩Mr时, 只有当汽油发动机发出的输出力矩Md与转化至曲轴上的阻力矩Mf相等时, 即:

才能维持此稳定工况 (脚注0表示平衡状态) 。

根据达兰倍尔定理, 机组的运动方程可写成:

对于偏离平衡工况的微小波动, 按小偏差线性化方法有:

则式 (3) 可以写为:

汽油发动机输出力矩Md与单位时间内进入气缸的燃油混合气有关, 也可以看成是节气门开度角的函数。同时输出力矩还与汽油发动机转速有关。因此, 输出力矩Md是与的函数, 即:

将式 (5) 按泰勒级数展开:

为便于分析求解, 可按小偏差线性化原理, 忽略二次及高次项。这时公式 (6) 可写为:

将式 (8) 与式 (10) 代入式 (4) , 有:

或

如果节气门开度不变, 只考虑负载变化的作用, 则式 (15) 为

3模型验证

基于此模型利用自抗扰控制技术[2]对汽油发电机调速的稳定性进行了研究。图1是给系统加连续突变负载时汽油发电机工作情况。仿真结果表明在不同负载等级下系统静态转速波动率小于0.07%, 并且负载切换过程中转速的超调量小于0.14%, 过渡过程时间小于0.5s。

结束语

由仿真研究表明, 基于此模型的自抗扰控制器可以具有很好的自抗扰能力。

参考文献

[1]范晓东, 小型汽油发电机组[M].北京:科学出版社, 1989.

小型光伏并网发电系统设计与应用 篇6

1 系统总体方案

系统主要由室外光伏组件模块、并网逆变实验模块、组件防雷接线系统、环境监测系统、数据采集监控模块等组成[3]。本实验所使用的光伏阵列由数个模块串联构成,如图1所示。光伏阵列的最大输出功率为1k W,最大功率点工作电压约为49V。

2 系统硬件设计

2.1 光伏组件模块

光伏组件结构图如图2所示。室外安装单晶硅组件10块,每块峰值功率:100W;最大功率电压:18V;最佳功率电流:5.56A;开路电压:42.48V;短路电流:6.1A;安装尺寸:1060mm×805mm×35mm。

2.2 并网逆变实验模块

系统选用BSNG系列工频机逆变器实现控制[4],实验面板采用阳极氧化彩色铝板,并网发电彩色原理图,测试端子;数显交直流电压电流表,实时显示光伏发电的工作情况;光伏并网发电计量装置,显示并网输入的电量;含有多种通讯接口,上位机监控功能,实现远程实验数据采集和监视。该种逆变实验模块具备以下优点:

(1)主电路采用美国TI公司生产的DSP芯片、日本三菱IGBT模块、驱动保护为日本三菱机芯,并网输出部分采用隔离变压器,安全可靠[5];

(2)采用SPWM脉宽调制技术,纯净正弦波输出,自动与电网同步跟踪,功率因数接近1,电流谐波含量低,对公共电网无污染,无冲击;

(3)太阳电池组件最大功率跟踪技术(MPPT);

(4)逆变并网电流闭环控制,可控可调;

(5)输入直流电压范围宽,适应不同场合需求;

(6)频率扰动检出技术,实现反孤岛控制;

(7)具有全方位的电源保护方案和完善的自我检测和保护功能,在出现系统故障时将停止并网逆变。

并网逆变实验模块如图3所示。

2.3 环境检测系统

环境检测系统包含总辐射表、温度监控模块和防辐射罩,数据采集器可以用来测量光谱范围为0.3~3μm的太阳总辐射,也可用来测量入射到斜面上的太阳辐射,如感应面向下可测量反射辐射,如加遮光环可测量散射辐射。温度探头安装在防辐射罩内,这样可以防止太阳光照射到传感器上,以确保测量数据的准确性。数据采集器具有多个单端通道、脉冲通道、数字通道,可进行数据的远程传输。环境检测系统安装结构见图4。

3 系统工作流程

光伏发电系统工作流程如图5所示。

3.1 系统启动

DSP上电或复位后,控制系统首先对输入的按键进行自检,如果按键正常则应检查显示器件正常与否。如果键盘与显示器件均正常,开放与键盘、电路、全桥逆变器控制有关的中断。反之,通过显示器件发出报警信号。光伏器件在电路开始工作前处于开路状态,此时输出电压最高,但该电压不能满足后级逆变器对直流母线电压的要求,因此需要BOOST电路将其升至规定的直流母线电压。电路启动后,BOOST电路的占空比与逆变器的调制度不断增加,逆变器的输出电压幅值也不断增加。当逆变器的输出电压达到额定值后,电路的占空比停止调整,全桥逆变器的调制度维持在原来的状态。此时发出直流母线电压正常信号并等待工作人员输入运行模式。如无命令输入,系统自动并网运行。如果逆变器的输出电压始终达不到额定值,系统将停止工作。在此过程中,光伏并网发电系统空载运行系统无功率输出,故逆变器采用输出电压瞬时值控制方式。

3.2 并网过程

逆变器并网工作前需检测逆变器的输出电压与电网电压的相位、频率及幅值的误差是否在允许范围内,如果误差满足要求,控制器发出并网命令,逆变器与电网连接开始并网工作。如果误差较大,DSP将根据误差情况调整逆变器的工作,使逆变器的输出电压满足频率、相位及幅值与电网相同,即锁相。与本系统锁相工作相关的采样信号是通过模拟器件处理的,获得频率和相位信号后由调整逆变器的输出频率、相位及电压幅值使其与电网相同。

3.3 并网运行

并网过程完成后,随着控制电路的启动,光伏器件的输出功率从零逐步向最大功率点靠近,同时系统要保证直流母线电压仍在允许范围内。逆变器并网运行时采用电流控制的方法,该方法根据光伏器件的输出功率和电网电压的有效值计算出逆变器的电流参考信号,再根据电流参考信号与逆变器输出电流产生的误差对逆变器进行控制,使逆变器的输出功率跟随光伏器件输出功率变化而变化。

4 系统实验与结论

系统调试完成后进行了多种天气下的试验,以积累实验数据和并网运行经验。运行过程中每分钟记录一次相关数据及相应时间,最后将所记录数据进行描绘,记录数据包括光伏器件输出电压、输出电流及输出功率。经过1个月连续稳定运行,验证了并网发电系统的实用性。

摘要：阐述小型光伏并网发电系统的硬件设计,介绍了光伏组件模块、并网逆变实验模块、环境监测系统,描述系统工作流程,并网启动与并网过程,利用DSP、IGBT模块设计了1kW光伏发电并网实验系统,解决了小型并网发电实验的难题。

关键词：小型光伏发电,并网,逆变实验模块

参考文献

[1]杨欢军,姜清海,陈峰,等.基于阳光跟踪控制的光伏阵列设计及应用[J].机电工程技术,2010(4):41-43.

[2]S.H.Yoo,J.K.Lee.Efficiency characteristics building in-tegrated photo-voltaic as a shading device[J].Buildingand Environment,2002(37):615-628.

[3]黄汉云.太阳能光伏发电应用原理[M].北京:化学工业出版社,2009.

[4]袁晓,赵敏荣,胡希杰,等.太阳能光伏发电并网技术的应用[J].上海电力,2006(4):342-347.

波浪能发电装置发电机优化设计 篇7

上海海洋大学研制的“浪流一体化发电装置”同时可以捕获波浪和海流的向前的推力, 在接受到海洋能量之后产生惯性而发生连续转动;通过主轴带动发电机旋转而产生电能。为海洋观测、岛礁生活、海洋养殖、海水淡化等提供稳定的电能, 并用于解决边远海域的国防设施、部分电网未覆盖的有居民海岛、偏远无居民海岛生态建设中的供电需求。本文以此发电装置为研究对象, 对其水轮机匹配的发电机进行了优化设计, 克服了传统的海洋能需要经过三个部分转换的缺点, 没有齿轮箱, 减少了传动损耗, 采用发电机输出电压稳定控制器, 实现了浪轮机的输出转速稳定, 提高了发电效率, 降低了运行维护成本。尤其是在低转速环境下, 效果更加显著。

1 研究对象与方法

本项目设计的发电机是满足海洋能直驱发电形式的。然而, 齿轮箱的存在却成为制约海洋能发电机组发展的因素之一:机组运行过程中齿轮箱一直处于高速旋转, 增加了系统损耗, 降低了能量利用率;海洋能发电机组往往安装在海平面或海水之中, 经受严寒酷暑, 海水腐蚀、温度变化大, 环境条件恶劣, 导致升速齿轮箱的工况严峻, 维护保养工作量大;为了能适应恶劣的运行环境, 齿轮箱毕竟造价昂贵, 更由于海洋能能量多变, 往往会造成过载, 这样就更容易损坏齿轮箱, 使得系统运行成本增大。

因此, 本设计取掉了中间转换环节, 水轮机主轴右端通过联轴器和电机连接在一起, 直接带动电机发电, 中间不经过任何环节, 这就实现了绝对的直驱。本文研制海洋能直驱发电方式有以下几个方面优点:

(1) 提高了发电效率高。直驱式发电没有齿轮箱, 减少了传动损耗, 提高了发电效率, 尤其是在低转速环境下, 效果更加显著。

(2) 提高了可靠性。直驱技术省去了齿轮箱及其附件, 简化了传动结构, 提高了机组的可靠性。同时, 机组在低转速下运行, 旋转部件少, 可靠性更高。

(3) 运行及维护成本低。采用无齿轮直驱技术可减少发电机组装置零部件数量, 避免齿轮箱油的定期更换, 降低了运行维护成本。

然而, 这样的海洋能直驱发电方式就需要发电机具有低速运行的特性, 并且有较高的效率, 更者要求发电机要能在海水中运行。

2 直驱发电机设计

2.1 直驱发电机结构设计

如图1所示, 发电机采用盘式结构:波浪能单位体积所携带的能量有限, 要能高效的收集这些能源, 发电机则成为本装置中能源转换的关键设备之一。波浪能发电机, 最多每分钟几百转, 因此发电机的技术指标、经济性等决定本装置在市场中的竞争力。常用发电机分为盘式和圆柱式两种:圆柱式发电机的气隙磁场延轴向分布, 要想获得较高的发电效率, 圆柱式发电机必须运行在高速下, 而盘式发电机的定转子为平行结构, 克服了圆柱式发电机定子包容转子的结构缺点, 轴向尺寸小, 没有叠片和铆压工序, 工艺好, 因此盘式发电机可以运行在低速条件下。因此发电机选用盘式发电机结构, 能够在低转速下达到额定功率, 从而满足了波浪能发电系统对发电机的技术要求, 提高了效率。

1.导线;2.轴承;3.外壳;4.外转子;5.轴凸盘;6.主轴;7.连接件1;8.连接件2

2.2 发电机输出电压稳定控制器设计

发电机的三相输出接到风光互补控制器上, 通过控制器可以得到48V的稳定电压, 可将稳定的电能存储在蓄电池中。控制器的原理是将输入的交流电流通过三相桥式全控整流电路转化成直流电流, 直流电流通过升降压斩波电路将电压输出控制在48V。值得注意的是发电机转速达到54r/min控制器输出端才会有电流输出。控制器如图2所示, 经过控制器流出的电流为直流, 将控制器后面的电池组“+”“-”接到蓄电池的接口即可, 反面细节如图3所示。

2.3 直驱电机工作原理

2.3.1 三相桥式全控整流电路

在三相桥式全控整流电路中, 如图4所示, 晶闸管KP1和KP4接a相, 晶闸管KP3和KP6接b相, 晶管KP5和KP2接c相。晶闸管KP1、KP3、KP5组成共阴极组, 而晶闸管KP2、KP4、KP6组成共阳极组。

2.3.2 升降压斩波电路原理

如图5所示为升降压斩波电路原理, V通时, 电源E经V向L供电使其贮能, 此时电流为i1。同时, C维持输出电压恒定并向负载R供电。V断时, L的能量向负载释放, 电流为i2。负载电压极性为上负下正, 与电源电压极性相反, 该电路也称作反极性斩波电路。

3 实验分析

在实验室中模拟不同工况水流下轮机所具有的转数, 并以可控转数电动机带动发电机测试其发电性能。为此, 我们搭建了发电机测试平台。发电机测试平台如图7所示, 通过机架将发电机固定, 通过联轴器与传感器相连。在发电机测试平台中, 右边是直流电动机, 模拟水轮机的作用, 作为动力的出入。通过联轴器与电动机相连的是传感器, 这种传感器连接显示屏后可以看到瞬态的扭矩、转速、功率。其中功率可是为发电机的输入功率, 这样我们测出输出功率后可以得到发电机的效率。电阻箱、整流器与扭矩仪如图8所示, 扭矩仪上的3个显示屏即为扭矩、转速、功率。

发电机所发出的是三相交流电, 三相交流电输入电子测试平台, 通过电子测试平台, 可以得到三相交流电的瞬态电压、电流、功率、功率因数。流出整流器的电流经过整流变为直流电流, 流入功率计, 并将滑动变阻箱串联到整个电路中。

4 电机方案总结与展望

方案采用直驱式发电形式不仅增加了发电效率, 而且提高的发电装置的可靠性, 无障碍运行时间满足了要求。发电机采用盘式发电机结构, 其能够在低转速下达到额定功率, 从而满足了波浪能发电系统对发电机的技术要求, 提高了效率。装置发出的三相交流电通过控制器后, 经实际测量, 电压基本维持在48V左右, 且为直流电, 这将电能存储到蓄电池中提供了条件, 并最终达到了我们的要求。

但是发电机组安装在海平面或海水之中, 经受严寒酷暑, 海水腐蚀、温度变化大, 环境条件恶劣, 容易遭受海水腐蚀, 因此今后可以做的研究方向还有以下几个方面:

1) 发电机本身要具有良好的机械密封设计, 评估不同海水深度、压力下密封系统的可靠性。研究海水环流条件下, 涉海材料在淤泥、深海、浅海、浪花飞溅、海雾等不同区域环境下, 其腐蚀规律, 设计相应的耐腐蚀材料;

2) 发电机外部可增设防水箱, 使发电机与海水具有了隔离层, 不仅达到了防水的效果, 也使发电机无需浸泡在海水中。

参考文献

[1]游亚戈.我国海洋波浪能的发展进展[J].中国科技成果, 2006 (2) :17-19.

[2]李允武.海洋能源开发[M].海洋出版社, 2008.

[3]盛松伟, 游亚戈, 马玉久.一种波浪能实验装置水动力学分析与优化设计[J].海洋工程, 2006, 24 (3) :107-112.

[4]张峰, 游亚戈, 吴必军, 李甫杰.中国海洋能专利研究[J].可再生能源, 2007, 25 (2) :79-81.

[5]李晖, 何宏舟, 杨绍辉.波浪能发电工程的环境问题思考[J].海洋开发与管理, 2014 (6) :64-68.

[6]施伟勇, 王传崑, 沈家法.中国的海洋能资源及其开发前景展望[J].太阳能学报, 2011, 32 (6) :913-923.

[7]游亚戈, 李伟, 刘伟民, 李晓英, 吴峰.海洋能发电技术的发展现状与前景[J].电力系统自动化, 2010, 34 (14) :1-12.

[8]王忠, 王传.我国海洋能开发利用情况分析[J].海洋环境科学, 2006, 25 (4) :78-80.