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電子論文

基于小型雨水發電裝置的電能轉換電路設計

時間:2020年03月28日 所屬分類:電子論文 點擊次數:

摘要:基于充分利用清潔能源、保護環境的理念,設計了小型雨水發電裝置的電能轉換電路。通過對小型雨水發電裝置的輸出電壓值數據分析處理,為發電裝置設計電能轉換及收集電路。在搭建好的試驗裝置上,改變出水口與發電機扇葉的相對位置,測出不同因素不同水平

  摘要:基于充分利用清潔能源、保護環境的理念,設計了小型雨水發電裝置的電能轉換電路。通過對小型雨水發電裝置的輸出電壓值數據分析處理,為發電裝置設計電能轉換及收集電路。在搭建好的試驗裝置上,改變出水口與發電機扇葉的相對位置,測出不同因素不同水平(因素的不同狀態)下的電壓值作為試驗數據。采用方差分析和統計分析等方法進行數據處理分析,得到最佳的輸出電壓值,作為轉換電路的輸入電壓。設計轉換電路,對發電機輸出電壓進行升壓、逆變和濾波,以實現用電補給。在Matlab(Simulink)環境下搭建的轉換電路模型,模擬交流側的負載為感性條件下進行仿真。對所設計的電路模型進行兩個方向的觸發試驗,轉換電路輸出了較為理想的波形。該電路設計為雨水發電的研究提供了依據。

  關鍵詞:雨水發電裝置;數據處理;電路分析;轉換電路設計;仿真分析

發電裝置

  0引言

  雨水作為一種清潔無污染的能源,其下落時產生的動能未被有效利用。因此,可設計發電裝置,將雨水降落的動能轉化為電能,補給人們使用。但是,目前對于雨水的利用研究大都集中在水資源短缺地區的飲水問題和鄉村農田灌溉的方向上,而將雨水作為轉換能源的情形屈指可數。雨水發電和水力發電類似,都是將雨水作為能量來源[1],加以轉化利用。這種小型雨水發電裝置可以應用在居民小區、商業中心等樓房密集型的場所,為這些地方補充電能。雨水發電機有直流發電和交流發電兩種發電方式。直流發電機發出的直流電能,可以直接應用于多數電器產品[2];交流發電機發出的交流電能,需要達到電壓值220V、頻率50Hz等硬性要求,不能直接與用電器直接連接。

  因此,選用直流發電機作為電能產生設備。由于雨水發電量不連續,當某時間段產生過剩的電能時,就要將其儲存下來。儲存的方式有兩種:一種是用蓄電池儲存,但是存在環保問題;另一種是采用并網的方式,補給其他用電能區域。電能并網就需要對直流電進行升壓、濾波及逆變等操作。而這些轉換的核心就是逆變電路。逆變電路的作用是將直流電能轉換為交流電能,并供給交流用電設備[3]。通過搭建一個試驗裝置來進行試驗測量和數據處理,以獲取發電機輸出電壓值。分析研究選型逆變電路原理,并在Matlab(Simulink)環境下進行建模和仿真。在理論和仿真分析結果的基礎上[4],對逆變電路進行改進。本文將逆變技術應用到雨水發電機的儲電系統中,以利用雨水下落的動能產生電能,并供給人們使用。

  1試驗裝置和數據處理

  1.1試驗裝置

  試驗裝置由旋轉扇葉、直流發電機、導線、萬用表、鋼圈水管、開口水桶及扇葉位置調節裝置等組成。通過改變出水口到發電機扇葉的豎直距離、水平距離,用萬用表測得相應的輸出電壓值,再將安裝在發電機上的旋轉扇葉換成中型;同樣改變出水口到發電機扇葉的豎直距離、水平距離,以測得輸出電壓壓值。同理,采用大號的旋轉扇葉測得輸出電壓的數值,并記錄。

  1.2數據處理

  通過實地試驗,三種扇葉對于發電量的影響較小。為了簡化試驗數據的處理,選擇電壓輸出量較大的大扇葉作為發電機扇葉。通過上述試驗裝置,測得發電機扇葉旋轉軸與水管出水口的豎直距離、發電機扇葉旋轉軸與水管出水口的水平距離(即中心距),以及中心距不同取值情況下的發電機輸出電壓值。通過試驗操作記錄的試驗數據。電壓值隨著豎直高度的增加逐漸增大,但高度達到90cm之后開始出現一定幅度的波動。根據實地試驗得出,此波動是源于外界對于水流橫向的干擾。當中心距在5cm左右時,輸出電壓曲線值最高。為了證明取值電壓的穩定,進行方差分析,舍去了電壓值波動的曲線段。

  2電路分析

  為實現發電機輸出電壓值為220V的交流電,對雨水發電機的輸出電壓進行升壓和逆變。由數據分析得出,該雨水發電機的的輸出直流電壓值穩定在5V。電能轉換從直流發電機輸出5V,經導線到達基于XL6009的升壓模塊,DC5V升壓為DC12V;經導線DC12V電壓傳給逆變升壓模塊,DC12V升壓為AC220V[8]。雨水發電裝置的電能轉換電路核心部分為逆變電路,且并網電路大多采用電壓型逆變技術[10]。

  所以,該轉換電路設計選擇電壓型橋式逆變電路。該基本電路包括6個絕緣柵雙極晶體管(insulatedgatebipolartransistor,IGBT)、6個二極管、負載和電容。其中:6個IGBT為全控器件,只需要給每個IGBT施加不同時刻的觸發脈沖,就能控制其開通關斷。為防止晶閘管燒壞,為每個IGBT并聯了續流二極管:與直流側電源正極相連的命名為V1、V3、V5;與負極相連的命名為V2、V4、V6。

  3仿真測試

  根據電路原理,在Matlab中進行電壓型橋式逆變電路的建模和仿真。電路在正常工作時分為正向和反向兩個逆變過程,是兩個電壓型橋式逆變電路的有機結合。在Simulink環境下使用相關電子器件。

  4結論

  通過雨水發電試驗裝置測得輸出電壓值,對測量值進行數據分析處理。將該值作為電能轉換電路的最佳輸入值,通過設計基于橋式逆變電路的電能轉換電路,完成直流到交流的升壓逆變轉換。將電壓型橋式逆變技術應用到雨水發電中,較好地實現了電壓的輸出穩定、性能可靠、電能轉換高效等優點。該改造在進一步完善后,可以推廣至實際工程應用中。

  參考文獻:

  [1]羅洋,饒尚.高層公共建筑屋面雨水高效綜合利用系統[J].煤氣與熱力,2016,36(4):11 ̄16.

  [2]張倩涵.基于直流負載特性的開關磁阻風力發電機研究[D].石家莊:河北科技大學,2017.

  [3]廖敏樂.低諧波的三相低頻逆變電路特性分析與實驗研究[D].南寧:廣西大學,2013.

  [4]陳嵐峰,呂嫣,程立英,等.基于Matlab/Simulink的電力電子仿真實驗教學研究[J].沈陽師范大學學報(自然科學版),2017,35(3):364 ̄369.

  [5]尚淑麗.屋面雨水雨能聯合利用及電絮凝試驗研究[D].杭州:浙江大學,2015.

  [6]陳婧,蘇娟,杜松懷,等.懸臂梁壓電發電機輸出特性及其影響因素分析[J].電網與清潔能源,2014,30(10):77 ̄83.

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