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    电子论文

    基于小型雨水发电装置的电能转换电路设计

    时间:2020年03月28日 所属分类:电子论文 点击次数:

    摘要:基于充分利用清洁能源、保护环境的理念,设计了小型雨水发电装置的电能转换电路。通过对小型雨水发电装置的输出电压值数据分析处理,为发电装置设计电能转换及收集电路。在搭建好的试验装置上,改变出水口与发电机扇叶的相对位置,测出不同因素不同水平

      摘要:基于充分利用清洁能源、保护环境的理念,设计了小型雨水发电装置的电能转换电路。通过对小型雨水发电装置的输出电压值数据分析处理,为发电装置设计电能转换及收集电路。在搭建好的试验装置上,改变出水口与发电机扇叶的相对位置,测出不同因素不同水平(因素的不同状态)下的电压值作为试验数据。采用方差分析和统计分析等方法进行数据处理分析,得到最佳的输出电压值,作为转换电路的输入电压。设计转换电路,对发电机输出电压进行升压、逆变和滤波,以实现用电补给。在Matlab(Simulink)环境下搭建的转换电路模型,模拟交流侧的负载为感性条件下进行仿真。对所设计的电路模型进行两个方向的触发试验,转换电路输出了较为理想的波形。该电路设计为雨水发电的研究提供了依据。

      关键词:雨水发电装置;数据处理;电路分析;转换电路设计;仿真分析

    发电装置

      0引言

      雨水作为一种清洁无污染的能源,其下落时产生的动能未被有效利用。因此,可设计发电装置,将雨水降落的动能转化为电能,补给人们使用。但是,目前对于雨水的利用研究大都集中在水资源短缺地区的饮水问题和乡村农田灌溉的方向上,而将雨水作为转换能源的情形屈指可数。雨水发电和水力发电类似,都是将雨水作为能量来源[1],加以转化利用。这种小型雨水发电装置可以应用在居民小区、商业中心等楼房密集型的场所,为这些地方补充电能。雨水发电机有直流发电和交流发电两种发电方式。直流发电机发出的直流电能,可以直接应用于多数电器产品[2];交流发电机发出的交流电能,需要达到电压值220V、频率50Hz等硬性要求,不能直接与用电器直接连接。

      因此,选用直流发电机作为电能产生设备。由于雨水发电量不连续,当某时间段产生过剩的电能时,就要将其储存下来。储存的方式有两种:一种是用蓄电池储存,但是存在环保问题;另一种是采用并网的方式,补给其他用电能区域。电能并网就需要对直流电进行升压、滤波及逆变等操作。而这些转换的核心就是逆变电路。逆变电路的作用是将直流电能转换为交流电能,并供给交流用电设备[3]。通过搭建一个试验装置来进行试验测量和数据处理,以获取发电机输出电压值。分析研究选型逆变电路原理,并在Matlab(Simulink)环境下进行建模和仿真。在理论和仿真分析结果的基础上[4],对逆变电路进行改进。本文将逆变技术应用到雨水发电机的储电系统中,以利用雨水下落的动能产生电能,并供给人们使用。

      1试验装置和数据处理

      1.1试验装置

      试验装置由旋转扇叶、直流发电机、导线、万用表、钢圈水管、开口水桶及扇叶位置调节装置等组成。通过改变出水口到发电机扇叶的竖直距离、水平距离,用万用表测得相应的输出电压值,再将安装在发电机上的旋转扇叶换成中型;同样改变出水口到发电机扇叶的竖直距离、水平距离,以测得输出电压压值。同理,采用大号的旋转扇叶测得输出电压的数值,并记录。

      1.2数据处理

      通过实地试验,三种扇叶对于发电量的影响较小。为了简化试验数据的处理,选择电压输出量较大的大扇叶作为发电机扇叶。通过上述试验装置,测得发电机扇叶旋转轴与水管出水口的竖直距离、发电机扇叶旋转轴与水管出水口的水平距离(即中心距),以及中心距不同取值情况下的发电机输出电压值。通过试验操作记录的试验数据。电压值随着竖直高度的增加逐渐增大,但高度达到90cm之后开始出现一定幅度的波动。根据实地试验得出,此波动是源于外界对于水流横向的干扰。当中心距在5cm左右时,输出电压曲线值最高。为了证明取值电压的稳定,进行方差分析,舍去了电压值波动的曲线段。

      2电路分析

      为实现发电机输出电压值为220V的交流电,对雨水发电机的输出电压进行升压和逆变。由数据分析得出,该雨水发电机的的输出直流电压值稳定在5V。电能转换从直流发电机输出5V,经导线到达基于XL6009的升压模块,DC5V升压为DC12V;经导线DC12V电压传给逆变升压模块,DC12V升压为AC220V[8]。雨水发电装置的电能转换电路核心部分为逆变电路,且并网电路大多采用电压型逆变技术[10]。

      所以,该转换电路设计选择电压型桥式逆变电路。该基本电路包括6个绝缘栅双极晶体管(insulatedgatebipolartransistor,IGBT)、6个二极管、负载和电容。其中:6个IGBT为全控器件,只需要给每个IGBT施加不同时刻的触发脉冲,就能控制其开通关断。为防止晶闸管烧坏,为每个IGBT并联了续流二极管:与直流侧电源正极相连的命名为V1、V3、V5;与负极相连的命名为V2、V4、V6。

      3仿真测试

      根据电路原理,在Matlab中进行电压型桥式逆变电路的建模和仿真。电路在正常工作时分为正向和反向两个逆变过程,是两个电压型桥式逆变电路的有机结合。在Simulink环境下使用相关电子器件。

      4结论

      通过雨水发电试验装置测得输出电压值,对测量值进行数据分析处理。将该值作为电能转换电路的最佳输入值,通过设计基于桥式逆变电路的电能转换电路,完成直流到交流的升压逆变转换。将电压型桥式逆变技术应用到雨水发电中,较好地实现了电压的输出稳定、性能可靠、电能转换高效等优点。该改造在进一步完善后,可以推广至实际工程应用中。

      参考文献:

      [1]罗洋,饶尚.高层公共建筑屋面雨水高效综合利用系统[J].煤气与热力,2016,36(4):11 ̄16.

      [2]张倩涵.基于直流负载特性的开关磁阻风力发电机研究[D].石家庄:河北科技大学,2017.

      [3]廖敏乐.低谐波的三相低频逆变电路特性分析与实验研究[D].南宁:广西大学,2013.

      [4]陈岚峰,吕嫣,程立英,等.基于Matlab/Simulink的电力电子仿真实验教学研究[J].沈阳师范大学学报(自然科学版),2017,35(3):364 ̄369.

      [5]尚淑丽.屋面雨水雨能联合利用及电絮凝试验研究[D].杭州:浙江大学,2015.

      [6]陈婧,苏娟,杜松怀,等.悬臂梁压电发电机输出特性及其影响因素分析[J].电网与清洁能源,2014,30(10):77 ̄83.

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