CN201593482U - 家旅两用垂直轴微型风力发电装置 - Google Patents

Abstract

一种家旅两用垂直轴微型风力发电装置，包括有电能变换控制器以及至少一个垂直轴微型风力发电单元，垂直轴微型风力发电单元包括微型发电机、垂直杆和叶片架，微型发电机设置于垂直杆上部，微型发电机的电机轴与叶片架的架轴枢接，或者通过传动机构与叶片架的架轴枢接，叶片架设置有叶片，叶片与叶片架的横架连接，叶片为半橄榄球形叶片，半橄榄球形叶片的尾锥部开设有导流孔。采用半橄榄球形叶片，具有启动性能好的特点；同时在半橄榄球形叶片的尾锥部开设导流孔能够引导风的流向，避免了紊流干扰，使得垂直轴微型风力发电单元能够稳定运转，提高了微型发电机的效率；并且结构简单、制造成本低，便于家庭使用和旅行携带使用。

Description

家旅两用垂直轴微型风力发电装置

技术领域

本实用新型涉及一种风力发电装置，特别是涉及一种家旅两用垂直轴微型风力发电装置。

背景技术

近些年来，新能源发电备受关注，在风能、太阳能等新型、可再生能源中，风力发电的增长速度迅猛。

风力发电是由风能转化为机械能，再由机械能转化为电能的过程。这个转化过程具体为：风吹动风力发电装置的叶片旋转，由于该叶片旋转的转速较低，所以对于大型风力发电机组通常采用变速齿轮箱增速，通过高速转轴与发电机转子的连接，带动发电机发电，再将发电机的输出端与电气、控制设备等联接后，最后与电网或者负载端联接，以给负载供电；对于小型风力发电机，通常采用直驱方式，所以，小型风力发电机组采用低速发电机发电。

现有技术中，马路路灯设置有小风车，通过小风车的旋转，将风能转换为电能，从而使马路路灯发亮。这种像小风车的发电装置为水平轴风力发电装置，目前，虽然这种水平轴风力发电的应用比较多，但是水平轴风力发电只能利用一个方向的风，而且发电装置要架得比较高、维修比较麻烦、同时转动所产生的噪音也很大；而垂直轴风力发电则不需要对风，可以利用多个方向的风，还具有转速低、噪音小、风能利用率高等优点。但是，近年来市场上运用的垂直轴风力发电装置都是比较大型的，不便于人们日常生活的携带使用。

因此，亟需提供一种启动性能好、运转稳定、发电效率高，且结构简单、制造成本低，便于家庭使用和旅行携带使用的家旅两用垂直轴微型风力发电装置。

实用新型内容

本实用新型的目的在于避免现有技术中的不足之处而提供一种启动性能好、运转稳定、发电效率高，且结构简单、制造成本低，便于家庭使用和旅行携带使用的家旅两用垂直轴微型风力发电装置。

本实用新型的目的通过以下技术措施实现：

提供一种家旅两用垂直轴微型风力发电装置，包括有电能变换控制器、以及至少一个垂直轴微型风力发电单元，其中，

所述垂直轴微型风力发电单元包括有微型发电机、垂直杆和叶片架，所述微型发电机设置于所述垂直杆上部，所述微型发电机的电机轴与所述叶片架的架轴枢接，或者通过传动机构与所述叶片架的架轴枢接，

所述叶片架设置有叶片，所述叶片与所述叶片架的横架连接，

所述叶片为半橄榄球形叶片，所述半橄榄球形叶片的尾锥部开设有导流孔。

优选的，上述叶片架设置有三个或者三个以上的叶片，所述叶片对应与均匀分布设置的叶片架的横架连接。

以上的，上述微型发电机为永磁同步直流微型发电机。

以上的，上述电能变换控制器包括设置有DC-DC稳压器、能量管理控制装置、显示装置和蓄电池，

在供电工况，所述DC-DC稳压器输出电信号至所述能量管理控制装置，所述能量管理控制装置输出经处理的电信号至负载，并输至所述显示装置显示，或者

所述蓄电池输出电信号至所述能量管理控制装置，所述能量管理控制装置输出控制电信号至负载，并输至所述显示装置显示，

在蓄电工况，所述DC-DC稳压器输出电信号至所述能量管理控制装置，所述能量管理控制装置输出经处理的电信号至所述蓄电池储能。

以上的，

上述电能变换控制器的控制电路包括设置有DC-DC稳压电路、能量管理控制电路、显示电路、蓄电池充电电路以及负载输出电路，所述DC-DC稳压电路输入端与所述微型发电机电源输出端联接，所述DC-DC稳压电路输出端与所述能量管理控制电路的第一输入端联接，所述能量管理控制电路的第一输出端与所述蓄电池充电电路输入端联接，所述蓄电池充电电路输出端与所述能量管理控制电路的第二输入端联接，所述能量管理控制电路的第二输出端与所述显示电路输入端联接，所述能量管理控制电路的第三输出端与所述负载输出电路输入端联接，

所述DC-DC稳压电路设置有电感L、开关SW、二极管D和电容C，所述DC-DC稳压电路一输入极与所述电感L的一极联接，所述电感L的另一极分别与所述二极管D的阳极和所述开关SW的一极联接，所述二极管D的阴极分别与所述电容C的一极和所述DC-DC稳压电路的一输出极联接，所述开关SW的另一极和所述电容C的另一极与所述DC-DC稳压电路的另一输入极和所述DC-DC稳压电路的另一输出极联接，

上述开关SW的控制芯片的型号可以为UC3843，

所述能量管理控制电路依次联接设置有检测电路、采样电路、计算电路、判断电路、控制电路。

上述检测电路的输入端与所述DC-DC稳压电路输出端联接，所述检测电路的输出端与所述采样电路的输入端联接，所述采样电路的输出端与所述计算电路的输入端联接，所述计算电路的输出端与所述判断电路的输入端联接，所述判断电路的输出端与所述控制电路的输入端联接，所述控制电路的输出端与所述负载输出电路输入端联接。

上述蓄电池充电电路可以为MAX713开关模式充电电路。

以上的，上述垂直杆设置有固定装置。

进一步的，上述固定装置为固定架，所述固定架开设有与所述垂直杆相配合的孔座，所述垂直杆通过所述孔座与所述固定架可插拔式连接。这种可插拔式的连接方式，可以方便地将垂直轴微型风力发电单元即插即拔，使得人们可以人为地控制垂直轴微型风力发电单元的方位和数量，使得多个垂直轴微型风力发电单元联合发电，最大限度地收集低速风进行发电，以便于满足不同的供电需求。

更进一步的，上述固定架为可折叠的固定架。不仅节省了占用体积，而且还方便携带。

进一步的，上述固定装置为固定座，所述垂直杆与所述固定座固定连接。

进一步的，上述固定装置为三角架，所述垂直杆与所述三脚架螺纹连接。

本实用新型与现有技术相比，由于采用了半橄榄球形叶片，使得垂直轴微型风力发电单元在微风下启动时不会发生晃动，具有启动性能好的特点；同时在半橄榄球形叶片的尾锥部开设有导流孔，该导流孔具有导流的效果，能够引导风的流向，从而避免了因风向、风速变化或者叶片旋转扰动引起的紊流干扰，使垂直轴微型风力发电单元能够稳定运转，提高了微型发电机的效率；且结构简单、制造成本低，便于家庭使用和旅行携带使用。

附图说明

利用附图对本实用新型作进一步说明，但附图中的实施例不构成对本实用新型的任何限制。

图1为本实用新型的家旅两用垂直轴微型风力发电装置的结构示意图；

图2为本实用新型的家旅两用垂直轴微型风力发电装置的叶片的剖面结构示意图；

图3为本实用新型的家旅两用垂直轴微型风力发电装置的电能变换控制器的示意图；

图4为本实用新型的家旅两用垂直轴微型风力发电装置的电能变换控制器的控制电路的示意图；

图5为本实用新型的家旅两用垂直轴微型风力发电装置的电能变换控制器的控制电路中的DC-DC稳压电路的电路结构示意图。

图1、图2、图3、图4和图5中包括：

1——叶片架、11——半橄榄球形叶片、111——导流孔、2——微型发电机、3——垂直杆、4——固定座、

21——DC-DC稳压器、22——能量管理控制装置、23——显示装置、24——负载、25——蓄电池、

31——DC-DC稳压电路、32——能量管理控制电路、33——显示电路、34——负载输出电路、35——蓄电池充电电路。

具体实施方式

结合以下实施例对本实用新型作进一步描述。

本实用新型的家旅两用垂直轴微型风力发电装置的具体实施方式如图1和图2所示，包括有电能变换控制器、以及至少一个垂直轴微型风力发电单元，其中，垂直轴微型风力发电单元包括有微型发电机2、垂直杆3和叶片架1，所述微型发电机2设置于所述垂直杆3上部，微型发电机2的电机轴与所述叶片架1的架轴枢接，或者通过传动机构与所述叶片架1的架轴枢接，叶片架1设置有叶片，叶片11与叶片架1的横架连接，叶片为半橄榄球形叶片11，所述半橄榄球形叶片11的尾锥部开设有导流孔111。

半橄榄球形叶片11的气动特性较好，有利于垂直轴微型风力发电单元在微风下启动，启动时不会发生晃动，具有启动性能好的特点；对于单个半橄榄球形叶片11而言，正面来风进入半橄榄球形叶片11的内部时，气流在半橄榄球形叶片11尾锥部中心冲击容易引起紊流。所以，在半橄榄球形叶片11的尾椎端开设导流孔111，该导流孔111具有导流的效果，能够引导风的流向，从而避免了因风向、风速变化或者叶片11旋转扰动引起的紊流干扰，使垂直轴微型风力发电单元能够稳定运转，同时也提高了发电机的效率。

该导流孔111可以在半橄榄球形叶片11的尾锥部的中心开设一个小孔，还可以在半橄榄球形叶片11的尾锥部的中心周围处开设一圈三个或者三个以上均匀分布的小孔。

具体的，上述叶片架1设置有三个或者三个以上的叶片，叶片对应与均匀分布设置的叶片架1的横架连接。三叶片式的结构更适合于该家旅两用垂直轴微型风力发电装置的应用。

以上的，上述微型发电机2为永磁同步直流微型发电机。微型发电机2采用微型永磁同步直流发电机，无需整流环节，使得微型发电机2的结构紧凑、运行效率高，且维护成本低。同时为了便于日常生活的使用需求，进一步选用低风速、启动力矩小的微型发电机2，从而达到低启动风速的效果。可以具体选用额定转速为3000rpm，带齿前端额定转速为200rpm，空载额定电压为9V，带载最大功率输出为3.5W，带载电压输出最高为8V的微型发电机2，该微型发电机2既符合发电装置的功率输出的要求，同时也符合DC-DC稳压器21的输入电压的要求。

以上的，如图3所示，上述电能变换控制器包括设置有DC-DC稳压器21、能量管理控制装置22、显示装置23、蓄电池25，在供电工况，DC-DC稳压器21输出电信号至能量管理控制装置22，能量管理控制装置22输出经处理的电信号至负载24，并输至显示装置23显示；或者蓄电池25输出电信号至所述能量管理控制装置22，能量管理控制装置22控制电信号输至负载24，并输至显示装置23显示，在蓄电工况，DC-DC稳压器21输出电信号至能量管理控制装置22，能量管理控制装置22输出经处理的电信号至蓄电池25储能。

与现有技术中的普通风力发电机相比，该电能变换控制器能够将风能在各个环节中更充分的加以利用。其中，为了使垂直轴微型风力发电单元的输出功率更充分地被利用，DC-DC稳压器21采用BOOST电路，可以提升输出电压。蓄电池25采用单体为1.2V/1500mAh或者1.2V/1800mAh的镍氢电池，5节串联联接。能量管理控制装置22在运行过程中，始终判断蓄电池25的电压、微型发电机2输出的电压，以及负载24所需的电压作为能量管理控制装置22中的控制电路工作方式切换的依据。

在每个垂直轴风力发电单元的微型发电机2的输出端都设置DC-DC稳压器21，这种设计使得各个垂直轴风力发电单元的微型发电机2之间具有电气隔离特性，从而使每个垂直轴风力发电单元都能够即插即拔地接入整个电能变换控制器中，并能够针对不同的负载24单独使用，使得多个垂直轴风力发电单元的组合变得十分方便及灵活。

进一步的，如图4所示，上述电能变换控制器的控制电路包括设置有DC-DC稳压电路31、能量管理控制电路32、显示电路33、蓄电池充电电路34以及负载输出电路35，DC-DC稳压电路31输入端与微型发电机2电源输出端联接，DC-DC稳压电路31输出端与所述能量管理控制电路32的第一输入端联接，能量管理控制电路32的第一输出端与蓄电池充电电路34输入端联接，蓄电池充电电路34输出端与能量管理控制电路32的第二输入端联接，能量管理控制电路32的第二输出端与显示电路33输入端联接，能量管理控制电路32的第三输出端与负载输出电路35输入端联接。

如图4和图5所示，DC-DC稳压电路31设置有电感L、开关SW、二极管D和电容C，DC-DC稳压电路31一输入极与电感L的一极联接，电感L的另一极分别与二极管D的阳极和开关SW的一极联接，二极管D的阴极分别与电容C的一极和DC-DC稳压电路31的一输出极联接，开关SW的另一极和电容C的另一极与DC-DC稳压电路31的另一输入极和DC-DC稳压电路31的另一输出极联接。

上述开关SW由控制芯片控制其开合断，具体采用的控制芯片的型号为UC3843。

上述能量管理控制电路32依次联接设置有检测电路、采样电路、计算电路、判断电路、控制电路。

上述检测电路的输入端与DC-DC稳压电路31的输出端联接，检测电路的输出端与采样电路的输入端联接，采样电路的输出端与计算电路的输入端联接，计算电路的输出端与判断电路的输入端联接，判断电路的输出端与控制电路的输入端联接，控制电路的输出端与负载输出电路35的输入端联接。

该能量管理控制电路32使用单片机进行检测、采样、计算、判断工作模式后，通过控制电路控制该电能变换控制器中的开关器件调整开关状态，构成特定的供电回路，保证系统能够对应各种环境、负载条件下的电能需求。

上述能量管理控制电路32所选用的单片机为AVR单片机，是ATMEL公司研制开发的一种新型单片机。

在单个垂直轴风力发电单元进行电气隔离的基础上，基于数学建模的方法，建立微型风力发电系统的能量管理方案：

以v代表风速，P代表负载所需功率，则能量管理的优化函数是：

J_max＝0.55v³+0.45P²

基于能量管理优化函数，系统的运行逻辑不断判断蓄电池25的电压、微型发电机2发出的电量、负载24所需的电量，据此切换电能变换控制器的工作方式，从而完成各个垂直轴风力发电单元与负载24的协调控制。电能变换控制器的主要工作方式如下：

工况一、风速较低，风力发电机不能发电，且蓄电池端电压较低，则系统关机；

工况二、风速较低，风力发电机不能发电，但蓄电池端电压正常，则蓄电池放电，向负载供电；

工况三、风速较高，风力发电机可以发电，但是负载需要的能量大于风力发电机发出的能量，且蓄电池端电压正常，则蓄电池与风力发电机同时向负载供电；

工况四、风速较高，风力发电机可以发电，但是负载需要的能量大于风力发电机发出的能量，蓄电池端电压较低，切断部分负载；

工况五、风速较高，风力发电机可以发电，且风力发电机发出的电能足够负载使用且有多，蓄电池端电压较低，则风力发电机向负载供电，同时向蓄电池充电；

工况六、风速较高，风力发电机可以发电，且风力发电机发出的电能足够负载使用且有多，蓄电池端电压较高，则风力发电机向负载供电，多余电能通过卸荷电阻消耗；

工况七、风速太高，风力发电机转速过高，蓄电池端电压较低，则控制风力机刹车，系统关机；

工况八、风速太高，风力发电机转速过高，蓄电池端电压过高，则控制风力机刹车，由蓄电池向负载供电。

上述蓄电池充电电路35为MAX713开关模式充电电路。蓄电池充电电路35采用镍氢电池充电芯片MAX713搭建，直流母线电压与电池组端电压一致，不设置放电电路。具体的MAX713开关模式充电电路及其工作原理为普遍应用的现有技术。

显示装置23采用型号为12864液晶屏幕，带中文字库，可显示字符、数字及汉字。采用动态轮换显示的方式，分别显示某个垂直轴风力发电单元以及系统整体发电水平值。设置电压、电流、功率的输出显示。采用型号为12864的液晶屏幕作显示可以满足本系统的要求，并且性价比较高。

如图1所示，上述垂直杆3设置有固定装置。以便于该垂直轴微型风力发电单元的固定定位。

进一步的，上述固定装置为固定架，固定架开设有与垂直杆3相配合的孔座，垂直杆3通过孔座与固定架可插拔式连接。固定架与孔座之间设置有隔离电路，因此这种可插拔式的连接方式，可以方便地将垂直轴微型风力发电单元即插即拔，使得人们可以人为地控制垂直轴微型风力发电单元的方位和数量，使得多个垂直轴微型风力发电单元联合发电，最大限度地收集低速风进行发电，以便于满足不同的供电需求。

该固定架可以进一步设计为盆景景观的形状，不仅可以作为固定垂直轴微型风力发电单元的固定架，还可以放置于家中的阳台上具有美观装饰的效果。

更进一步的，上述固定架为可折叠的固定架。在固定架的各个转角处均设置有关节，可以使得本固定架随意折叠，不仅节省了占用体积，而且还方便携带。

同时为了使整个垂直轴微型风力发电装置携带方便，也可以在垂直轴微型风力发电单元的垂直杆3、叶片架1和叶片的转角处设置关节，便于旅行时方便拆装叠加，从而使得该装置的实用性较强，有利于该装置的使用及市场的推广。

进一步的，上述固定装置为固定座4，垂直杆3与固定座4固定连接。该固定座4为圆形固定底座或者三角形固定底座或者矩形固定底座或者其他形状的固定底座，在上述固定底座的中部开设有卡口或者槽口或者螺纹孔，使得垂直杆3与上述卡口或者槽口或者螺纹孔固定连接。除此之外，该固定座4与垂直杆3也可以一体成型。

该固定座4还可以为吸盘或者固定夹头等固定座。固定座4可以设置于垂直杆3的底部或者垂直杆3的侧部的位置。

进一步的，上述固定装置为三角架，垂直杆3与三脚架螺纹连接。三角架的支撑台的中部设置有螺丝头，在垂直杆3的底部设置有与螺丝头相配合的内凹的螺纹孔，垂直杆3与三脚架固定时，通过垂直杆3底部的内凹螺纹孔与三脚架支撑台的螺丝头的螺纹连接，使其固定。还可以是在垂直杆3的底端中部设置有固定的螺丝头，三角架的支撑台设置有与螺丝头相配合的内凹的螺纹孔，垂直杆3与三脚架固定时，通过垂直杆3底端的螺丝头与三脚架的支撑台设置的内凹螺纹孔螺纹连接，使其固定。

该家旅两用垂直轴微型风力发电装置的加工材料可以选用树脂材料，采用该树脂材料具有以下优点：易加工成型；固化后的树脂材料具有优良的力学性能，适用于本装置在户外长期使用；固化后的树脂材料是一种优良的绝缘材料，适合本装置控制系统中的电气部分和机械部分的绝缘隔离要求；固化后的树脂材料具有优良的耐碱性、耐酸性和耐溶剂性、耐霉菌，适用本装置在户外长期使用。

最后应当说明的是，以上实施例仅用以说明本实用新型的技术方案，而非对本实用新型保护范围的限制，尽管参照较佳实施例对本实用新型作了详细地说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本实用新型的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本实用新型技术方案的实质和范围。

Claims (10)

1.一种家旅两用垂直轴微型风力发电装置，包括有电能变换控制器、以及至少一个垂直轴微型风力发电单元，其特征在于：

所述垂直轴微型风力发电单元包括有微型发电机、垂直杆和叶片架，所述微型发电机设置于所述垂直杆上部，所述微型发电机的电机轴与所述叶片架的架轴枢接，或者通过传动机构与所述叶片架的架轴枢接，

所述叶片架设置有叶片，所述叶片与所述叶片架的横架连接，

所述叶片为半橄榄球形叶片，所述半橄榄球形叶片的尾锥部开设有导流孔。

2.根据权利要求1所述的家旅两用垂直轴微型风力发电装置，其特征在于：所述叶片架设置有三个或者三个以上的叶片，所述叶片对应与均匀分布设置的叶片架的横架连接。

3.根据权利要求1或2所述的家旅两用垂直轴微型风力发电装置，其特征在于：所述微型发电机为永磁同步直流微型发电机。

4.根据权利要求1或2所述的家旅两用垂直轴微型风力发电装置，其特征在于：所述电能变换控制器包括设置有DC-DC稳压器、能量管理控制装置、显示装置和蓄电池，

在供电工况，所述DC-DC稳压器输出电信号至所述能量管理控制装置，所述能量管理控制装置输出经处理的电信号至负载，并输至所述显示装置显示，或者

所述蓄电池输出电信号至所述能量管理控制装置，所述能量管理控制装置输出控制电信号至负载，并输至所述显示装置显示，

在蓄电工况，所述DC-DC稳压器输出电信号至所述能量管理控制装置，所述能量管理控制装置输出经处理的电信号至所述蓄电池储能。

5.根据权利要求1或2所述的家旅两用垂直轴微型风力发电装置，其特征在于：

所述电能变换控制器的控制电路包括设置有DC-DC稳压电路、能量管理控制电路、显示电路、蓄电池充电电路以及负载输出电路，所述DC-DC稳压电路输入端与所述微型发电机电源输出端联接，所述DC-DC稳压电路输出端与所述能量管理控制电路的第一输入端联接，所述能量管理控制电路的第一输出端与所述蓄电池充电电路输入端联接，所述蓄电池充电电路输出端与所述能量管理控制电路的第二输入端联接，所述能量管理控制电路的第二输出端与所述显示电路输入端联接，所述能量管理控制电路的第三输出端与所述负载输出电路输入端联接，

所述DC-DC稳压电路设置有电感L、开关SW、二极管D和电容C，所述DC-DC稳压电路一输入极与所述电感L的一极联接，所述电感L的另一极分别与所述二极管D的阳极和所述开关SW的一极联接，所述二极管D的阴极分别与所述电容C的一极和所述DC-DC稳压电路的一输出极联接，所述开关SW的另一极和所述电容C的另一极与所述DC-DC稳压电路的另一输入极和所述DC-DC稳压电路的另一输出极联接，

所述能量管理控制电路依次联接设置有检测电路、采样电路、计算电路、判断电路、控制电路。

6.根据权利要求1或2所述的家旅两用垂直轴微型风力发电装置，其特征在于：所述垂直杆设置有固定装置。

7.根据权利要求6所述的家旅两用垂直轴微型风力发电装置，其特征在于：所述固定装置为固定架，所述固定架开设有与所述垂直杆相配合的孔座，所述垂直杆通过所述孔座与所述固定架可插拔式连接。

8.根据权利要求7所述的家旅两用垂直轴微型风力发电装置，其特征在于：所述固定架为可折叠的固定架。

9.根据权利要求6所述的家旅两用垂直轴微型风力发电装置，其特征在于：所述固定装置为固定座，所述垂直杆与所述固定座固定连接。

10.根据权利要求6所述的家旅两用垂直轴微型风力发电装置，其特征在于：所述固定装置为三角架，所述垂直杆与所述三脚架螺纹连接。

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