新型车载便携式风力发电移动电源的设计
李天然
(东北林业大学机电工程学院, 哈尔滨150040)
摘要: 以清洁能源的利用为设计出发点，针对自驾游途中可能发生的用电短缺现象，提出了一款便携式的风力发电移动电源设计方案。
本设计方案利用交通工具在行驶过程中产生的风能进行发电，将机械能转化为电能储存在蓄电池中，并可通过USB接口为随身携带的电子产品进行充电。
本设计方案集节能、经济、个性于一身，既方便人们生活，又低碳环保，是一款可行性及可普及性强的绿色产品，为绿色能源的具体应用提供了一定的参照，为新能源产品的设计研究提供了借鉴经验。
关键词: 绿色能源；风力发电；风能；环保
中图分类号: TK89 文献标识码: A
风能是一种清洁、廉价、储量极为丰富的可再生能源，利用风力发电是减少空气污染,缓解能源短缺的有效措施之一[1]。
风力发电的原理，是利用风力带动风车叶片旋转，再透过增速机将旋转的速度提升，促使发电机发电[2]。
目前，国内外的风力发电技术已基本成熟，风能市场迅速发展，商业化前景广阔。
在大型风力发电机组技术成熟的基础上，小型风力发电装备的设计开发也越来越受人们的重视[3]，在很多城市，风力发电路灯已经成为街路两边的风景。
同时，随着数字科技的普及，现代人对电子产品愈发依赖，电子产品的电源补充是很多企业和科研单位的产品研发方向。
本文正是基于这一发展趋势，利用风力发电技术，对便携式移动电源的设计进行了尝试。
1 设计思路
1.1 设计理念
现代人对手机、数码相机等电子设备愈发依赖，在旅游、户外运动中，经常会遇到电子设备供电不足的无奈状况，便携式充电器“移动电源”能够为这些电子设备提供应急充电[4]。
移动电源是一个集储电、升压、充电管理于一体的便携式设备。
在使用移动电源之前，要先为移动电源的储电单元完成充电，然后再通过电源转接头为各种电子设备供电。
目前市场上主流的移动电源有充电式移动电源和太阳能移动电源两种。
1.2设计定位与分析
近年来，人们对户外运动的热情与日俱增，尤其是驾驶自行车、摩托车这种灵活、个性的出行方式，因其自由化、可选择性和自主性强的特点而备受人们青睐[5]。
如电影《转山》中，选择这种旅行方式的人们往往会在野外露营，缺乏为电子设备充电的条件；在雨雪天气下，太阳能移动电源也会失去作用。
本文设计定位于此类人群，利用旅行中驾驶自行车、摩托车等交通工具行驶过程中与空气摩擦产生的风能来进行移动电源的设计。
因此，本文设计的产品是一款便携式的，在车辆行驶过程中由风能发电装置进行发电，并将电能储存在蓄电池中，再通过接口为手机、数码相机、摄像机、便携式DVD、PDA、MP3、MP4、GPS、保暖设备、医疗保健设备等充电的新型移动电源。
2 设计方案
2.1设计原理
图1 风力发电移动电源的设计原理
Fig. 1 Design principle of wind mobile power
本方案的设计原理如图1所示，具体工作步骤如下：
①将风能移动电源固定好后，随着车辆的行驶启动，风能开始带动风扇叶片旋转。
②加速齿轮组加速。
③发电机工作。
机头的转子是永磁体，定子绕组切割磁力线产生电能。
电磁感应现象是指闭合电路中的一部分导体与磁场发生相对运动，会产生电动势。
此电动势称为感应电动势或感生电动势，若将此导体闭合成一回路，则该电动势会驱使电子流动，形成感应电流。
此时，由于风力不稳定，便会产生13~25V的交流电[6]。
④由于风能发电机风量不稳定，故其输出的是13～25V的交流电，所以必须经充整流和滤波，才能对蓄电池充电。
通过整流电路、整流变压器和滤波器使不稳定的交流电变为稳定的直流电[7]。
⑤蓄电池进行电能的存储，电能转变为化学能。
⑥采用有保护电路的逆变器将蓄电池里的化学能转变为交流220V市电，以保证电源的正常使用。
⑦由于USB 2.0接口标准的供电规格为5V、0.5A，功率2.5W，所以必须由适配器将其转为直流5V电压才能保证正常的充电[8]。
本设计采用直流输出型内置适配器。
⑧本设计采用标准USB 2.0接口，供电规格为5V、0.5A，功率2.5W。
图2 基本结构展示
Fig.2 Fundamental structure
2.2设计方案展示
本文对风能移动电源的整体造型、工作原理以及功能结构进行了初步的设计。
设计方案如图3所示，其主要特点为便携式、紧凑型设计；可折叠型扇叶；夹持式固定。
（a）设计方案总览(b) 风扇叶片收回状态(c) 风扇叶片
(d) 固定连接处(e) 控制推钮和旋钮(f) USB接口
图3 设计方案总览
Fig.3 Design Overview
2.3使用步骤
使用本移动电源的步骤如图4所示。
将控制推钮推至机身前方，打开扇叶，准备工作；旋开机身中部旋钮，机身分为两部分；将机身夹持固定在车辆等装置上，再旋紧旋钮；行驶车辆产生的风能使扇叶转动，经过风能-电能的转换，达到工作效果。
图4 使用步骤
Fig.4 Use steps
3 结论
本文通过对风能发电技术和发展趋势的调研，提出了便携式风力发电移动电源的创新设计，并利用计算机实现虚拟模型仿真，展现其使用状态，使人们更好地理解便携式风力发电移动电源的设计要点：
①解决了风能利用的问题。
由于风速的不稳定性，其能量大小也会不稳定；并且风能利用受地理位置限制严重。
本文利用车辆行驶过程中与空气摩擦产生的风能，克服了风能利用受地理位置限制的弊端；同时，利用对电流的整流及滤波原理稳定风能发电产生的电压，从
而便于消费者的使用。
②解决了自驾途中用电短缺的问题。
采用将风能移动电源固定在行驶车辆上的方式进行工作，达到了随行随用、随行随充的目的。
只要车辆在行驶，就会有源源不断的电源可供使用。
③为绿色能源的具体应用提供了一定的参照。
风能利用前景广阔，本文从小型风力发电装备着手，为今后绿色能源的研究领域提供了借鉴经验。
参考文献:
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A Design of new vehicle portable wind mobile power
Yang Hongze, LiBo, Li Tianran
(College of Electromechanical Engineering Northeast Forestry University, Harbin 150040, China) Abstract: In order to realize the use of clean energy resources, this paper has designed a wind mobile power aimed at solving the problems, such as the possible power shortage during the self-driving tour. It transform mechanical energy into electrical energy and store in the storage batteries. So you can charge your electronic products you take along through the USB whenever it needs charging. It is an energy-saving, economic and personalized product. It is not only convenient to the people’s lives but it is also a feasible and universal green product.It provides reference for concrete application of green energy and it is helpful to the design of new energy products.
Key Word: green energy resource; wind power generation; wind power; environmental。