張志慧

摘要：針對戶外旅游，野外活動等特定群體充用電不便，本文提供一種綠色環(huán)保的解決方案。便攜式水風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)將低流速水能，風(fēng)能，充分發(fā)揮太陽能和風(fēng)能的互補(bǔ)性，太科學(xué)合理的整合保證整個電路的可靠性與安全性，優(yōu)化設(shè)計模塊，整體尺寸規(guī)劃，便于攜帶，降低成本，提高效率，滿足戶外用電需求，為解決戶外充電難的問題提供一種新的思路。

關(guān)鍵詞：多動力源發(fā)電系統(tǒng) 綠色發(fā)電機(jī) 便攜式

1 功能及組成介紹

該發(fā)電機(jī)主要采用水力和風(fēng)能帶動渦輪旋轉(zhuǎn)發(fā)電，還可利用太陽能和人力進(jìn)行發(fā)電，通過整流器得到我們需要的電能，可用來照明、給數(shù)碼產(chǎn)品充電等，尤其是在流水的小溪、河流、山地，只要有流動的水源就能發(fā)電并存儲，適合經(jīng)常旅游的人們或野外生存愛好者使用。

整體由柔性太陽能電池板（光電系統(tǒng)）、渦輪發(fā)電機(jī)（水力發(fā)電系統(tǒng)、風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)、手搖發(fā)電系統(tǒng)）、冗余電源、整流系統(tǒng)等組件構(gòu)成。其中產(chǎn)品在整流器和冗余電源部分加裝有顯示屏與智能燈，顯示屏可以實時顯示電流大小，還可以顯示天氣、氣壓、溫度等，智能燈部分可以在晚上用來為露營提供照明，并且還能設(shè)置不同頻率的閃光以及SOS求救信號，方便戶外使用，擁有IP68的防水等級。

該應(yīng)急發(fā)電裝置的總體方案如圖2.1所示，包括渦輪發(fā)電機(jī)系統(tǒng)、光電系統(tǒng)、整流系統(tǒng)（升壓電路、降壓穩(wěn)壓電路、充電控制電路）、鋰電池組和逆變器等部分。直流發(fā)電機(jī)輸出的電壓不穩(wěn)定，不能直接給負(fù)載使用，配置升壓電路和降壓穩(wěn)壓電路，可以向負(fù)載輸電。當(dāng)發(fā)電功率大于負(fù)載功率時，還可對鋰電池組充電。當(dāng)發(fā)電功率不足時，鋰電池組和手搖直流發(fā)電機(jī)共同向負(fù)載供電。充電控制電路負(fù)責(zé)鋰電池組的充電管理。逆變器的功能是將鋰電池組的直流電壓逆變?yōu)榻涣麟妷海m配其它類型小功率電子設(shè)備。

2外觀設(shè)計

采用滾筒式設(shè)計，各部件采用了收縮式、折疊式設(shè)計，利用滾筒式葉片啟動速度低的特點(diǎn)，在充分利用水能時，也能更好地利用風(fēng)能，適應(yīng)戶外旅游時風(fēng)速低流速緩的情況，并采用滾筒式設(shè)計使作品結(jié)構(gòu)緊湊，減少產(chǎn)品重量，減輕攜帶負(fù)擔(dān)。解決了人們在出外時用電難的問題，將節(jié)能環(huán)保帶到了戶外旅游中。ABS塑料和聚碳酸酯的外殼可以有效防止太陽能紫外線照射破壞;最外邊保護(hù)圈的設(shè)計，使得在山區(qū)溪流也可以放心將產(chǎn)品扔入水中，不用擔(dān)心摔壞等問題;亮黃色的顏色設(shè)計，使得我們可以清楚看到水中的發(fā)電機(jī)的運(yùn)行情況，產(chǎn)品外觀在有利于我們戶外使用的同時，盡可能符合大眾審美，美觀又不失性能。

3各系統(tǒng)設(shè)計

3.1 發(fā)電系統(tǒng)部分

由發(fā)電機(jī)系統(tǒng)和光電系統(tǒng)兩部分組合而成的，其中的光電系統(tǒng)利用柔性太陽能電池板將太陽能轉(zhuǎn)換成電能，發(fā)電機(jī)系統(tǒng)將風(fēng)能、水能、機(jī)械能轉(zhuǎn)換成電能，通過控制器對冗余電源充電，并通過逆變器對負(fù)載供電。現(xiàn)在市場上常見的太陽能發(fā)電裝量充電不穩(wěn)定（如夜間、陰雨天氣，充電效率很低），供電可靠性不高;而我們團(tuán)隊的風(fēng)水光人互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)：充電穩(wěn)定，供電可靠性高，受環(huán)境因素和人為因素影響小，盡可能不間斷的進(jìn)行發(fā)電。

3.2 柔性太陽能電池板部分

光伏發(fā)電系統(tǒng)主要由太陽電池陣列、冗余電源、光伏充放電控制器、逆變器和用戶負(fù)載等部分組成。本產(chǎn)品研發(fā)的光伏發(fā)電裝置將光伏陣列與冗余電源直接連接，同時加入最大功率跟蹤環(huán)節(jié)，既可以跟蹤光伏障列的最大輸出功率，又可以輸出穩(wěn)定的電壓對冗余電源充電，兼顧光伏發(fā)電系統(tǒng)的動態(tài)性能和穩(wěn)態(tài)性能。

3.3 整流器部分

整流器部分含有穩(wěn)壓電路、升壓電路、降壓電路和充電電路，均采用模塊化設(shè)計，降低產(chǎn)品重量，增強(qiáng)發(fā)電機(jī)的可靠性。穩(wěn)壓電路選用核心芯片為LM2596，升壓電路，選用XL6009 DC-DC升壓模塊配以少量的電子元件實現(xiàn)，降壓電路選用XL4001固定頻率脈寬調(diào)制（降壓型）DC/DC轉(zhuǎn)換器，充電電路選用CN3068芯片對單串鋰電池進(jìn)行恒流/恒壓充電的充電電路[[]]。

4可行性分析

（1）發(fā)電機(jī)的渦輪發(fā)電機(jī)采用永磁式發(fā)電機(jī)。整機(jī)結(jié)構(gòu)簡單，內(nèi)部設(shè)計排列緊湊，體積、重量大為減少，可靠性大大提高。采用開關(guān)式整流穩(wěn)壓方式，穩(wěn)壓精度高、充電效果好，延長蓄電池的使用壽命。

（2）柔性太陽能電池板光伏發(fā)電系統(tǒng)與冗余電源直接連接，加入最大功率跟蹤環(huán)節(jié)，既可跟蹤光伏障列最大輸出功率，又可輸出穩(wěn)定電壓對冗余電源充電，兼顧光伏發(fā)電系統(tǒng)的動態(tài)性能和穩(wěn)態(tài)性能，還能有效抑制非線性負(fù)載和死區(qū)效應(yīng)帶來的干擾。

5總結(jié)

以戶外活動為突破口，創(chuàng)新性的采用水力、風(fēng)能、光伏、機(jī)械能等多能源混合發(fā)電，盡最大可能利用自然資源，為戶外活動提供電能并存儲，具有目前市場上任何一款發(fā)電機(jī)所不具備的優(yōu)勢，占用空間小，便于攜帶，使用方法簡單，能廉價地滿足電子設(shè)備用電及電池充電的需求，方便快捷地為各類電子設(shè)備提供電源。在目前市場上屬于領(lǐng)先水平，并且利用綠色能源也屬于未來人類的發(fā)展方向，因此該便攜式發(fā)電機(jī)在承擔(dān)著保護(hù)環(huán)境的社會責(zé)任的同時，還有著廣袤的發(fā)展前景和可觀的經(jīng)濟(jì)效益。

山東農(nóng)業(yè)大學(xué) ?山東 ?泰安 ?271018