第９卷第４期 ２０１０年８月 江南大学学报（自然科学版） Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｊｉａｎｇｎａｎ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ（Ｎａｔｕｒａｌ Ｓｃｉｅｎｃｅ Ｅｄｉｔｉｏｎ） Ｖｏ１．９ Ｎｏ．４ Ａｕｇ． ２０１０ 一种新型风力发电机的设计 张端 ， 郭 慧贤 ， 章苗根 ， 何熊熊 ， 邹涛 （１．浙江工业大学信息学院， 浙江杭州３１００２３；２．浙江省机械设备成套局，浙江杭州３１０００６） 摘 要：为了解决无线传感器网络节点的供电瓶颈问题，提出了一种通过新型风力发电机将风能 转化为电能对无线传感器网络节点提供能源的方法。在该新型风力发电机中风扇作为发电机的一 部分，将风扇和发电机一体化，减小了整个发电装置的体积。同时设计了电源管理电路，将新型风 力发电机发出的交流电转换为直流电，对锂电池充电和通过电阻对锂电池的输出进行分压并提供 给无线传感器网络节点。最终的分析和计算结果显示新型风力发电机和电源管理电路能够实现对 无线传感器网络节点提供能源的目标。 关键词：风能；风力发电机；电源管理电路；无线传感器网络节点 中图分类号：ＴＭ ３１５ 文献标识码：Ａ 文章编号：１６７１—７１４７（２０１０）０４—０３７９—０６ Ｄｅｓｉｇｎ ｏｆ ａ Ｎｅｗ Ｗｉｎｄ Ｇｅｎｅｒａｔｏｒ ＺＨＡＮＧ Ｄｕａｎ ，ＧＵＯ Ｈｕｉ．ｘｉａｎ ，ＺＨＡＮＧ Ｍｉａｏ．ｇｅｎ。，ＨＥ Ｘｉｏｎｇ．ｘｉｏｎｇ ，ＺＯＵ Ｔａｏ （１．Ｃｏｌｌｅｇｅ ｏｆ Ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ，Ｚｈｅｊｉａｎｇ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ ｏｆ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｈａｎｇｚｈｏｕ ３１００２３，Ｃｈｉｎａ；２．Ｚｈｅｊｉａｎｇ Ｐｒｏｖｉｎｃｅ Ｍａｃｈｉｎｅｒｙ＆Ｅｑｕｉｐｍｅｎｔ Ｃｏｍｐｌｅｔｅ Ｂｕｒｅａｕ，Ｈａｎｇｚｈｏｕ ３１０００６，Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ａ ｎｅｗ ｗｉｎｄ ｇｅｎｅｒａｔｏｒ ｉｓ ｄｅｓｉｇｎｅｄ ｆｏｒ ｔｈｅ ｗｉｒｅｌｅｓｓ ｓｅｎｓｏｒ ｎｅｔｗｏｒｋ ｎｏｄｅ ｔｏ ｓｏ］ｖｅ ｔｈｅ ｅｎｅｒｇｙ ｂｏｔｔｌｅ－ｎｅｃｋ ｐｒｏｂｌｅｍ ｏｆ ｔｈｅ ｗｉｒｅｌｅｓｓ ｓｅｎｓｏｒ ｎｅｔｗｏｒｋ ｎｏｄｅ．Ｔｈｅ ｎｅｗ ｗｉｎｄ ｇｅｎｅｒａｔｏｒ ｃｈａｎｇｅｓ ｗｉｎｄ ｅｎｅｒｇｙ ｔｏ ｅｌｅｃｔｒｉｃ ｅｎｅｒｇｙ ｔｏ ａｆｆｏｒｄ ｔｈｅ ｗｉｒｅｌｅｓｓ ｓｅｎｓｏｒ ｎｅｔｗｏｒｋ ｎｏｄｅ．Ｉｎ ｔｈｅ ｎｅｗ ｗｉｎｄ ｇｅｎｅｒａｔｏｒ ｔｈｅ ｆａｎ ｗｏｒｋｓ ａｓ ａ ｐａｒｔ ｏｆ ｇｅｎｅｒａｔｏｒ．Ｉｔ ｉｎｔｅｇｒａｔｅｓ ｔｈｅ ｆａｎ ｗｉｔｈ ｔｈｅ ｇｅｎｅｒａｔｏｒ，ａｎｄ ａｓ ａ ｒｅｓｕｌｔ，ｔｈｅ ｓｉｚｅ ｏｆ ｔｈｅ ｅｎｔｉｒｅ ｇｅｎｅｒａｔｉｎｇ ｓｅｔ ｉｓ ｒｅｄｕｃｅｄ．Ｍｏｒｅｏｖｅｒ ａ ｐｏｗｅｒ ｍａｎａｇｅｍｅｎｔ ｃｉｒｃｕｉｔ ｉｓ ｄｅｓｉｇｎｅｄ ｆｏｒ ｃｏｎｖｅｒｔｉｎｇ ａｌｔｅｒｎａｔｉｎｇ ｃｕｒｒｅｎｔ ｆｒｏｍ ｔｈｅ ｗｉｎｄ ｇｅｎｅｒａｔｏｒ ｔｏ ｄｉｒｅｃｔ ｃｕｒｒｅｎｔ ｔｏ ｃｈａｒｇｅ ｕｐ ｔｈｅ ｂａｔｔｅｒｙ ａｎｄ ｕｓｉｎｇ ｒｅｓｉｓｔｏｒｓ ｔｏ ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｅ ｔｈｅ ｖｏｌｔａｇｅ ｆｒｏｍ ｔｈｅ ｂａｔｔｅｒｙ．Ｔｈｅｒｅｆｏｒｅ，ｉｔ ｃａｎ ｓａｔｉｓｆｙ ｔｈｅ ｎｅｅｄ ｏｆ ｔｈｅ ｗｉｒｅｌｅｓｓ ｓｅｎｓｏｒ ｎｅｔｗｏｒｋ ｎｏｄｅ．Ｔｈｅ ａｎａｌｙｓｉｓｅｄ ａｎｄ ｃｏｍｐｕｔｅｄ ｒｅｓｕｌｔｓ ｓｈｏｗ ｔｈａｔ ｔｈｅ ｎｅｗ ｗｉｎｄ ｇｅｎｅｒａｔｏｒ ａｎｄ ｔｈｅ ｐｏｗｅｒ ｍａｎａｇｅｍｅｎｔ ｃｉｒｃｕｉｔ ｉｓ ｕｓｅｆｕｌ ｔｏ ｇｉｖｅ ｅｌｅｃｔｒｉｃｉｔｙ ｆｏｒ ｓｕｐｐｌｙｉｎｇ ｔｈｅ ｗｉｒｅｌｅｓｓ ｓｅｎｓｏｒ ｎｅｔｗｏｒｋ ｎｏｄｅ ｗｉｔｈ ｅｎｏｕｇｈ ｅｎｅｒｇｙ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ｗｉｎｄ ｅｎｅｒｇｙ，ｗｉｎｄ ｇｅｎｅｒａｔｏｒ，ｐｏｗｅｒ ｍａｎａｇｅｍｅｎｔ ｃｉｒｃｕｉｔ，ｗｉｒｅｌｅｓｓ ｓｅｎｓｏｒ ｎｅｔｗｏｒｋ ｎｏｄｅ 随着无线传感器网络的广泛应用，无线传感器 网络中传感器节点的能源问题日益突出。目前传感 器节点的能源主要由其自身携带的能量有限的电 布环境复杂，使人们无法对其电池进行更换。一旦 电池能量耗尽，该节点就很难再次被使用，易造成 节点故障，影响整个网络拓扑结构的变化。所以要 池提供。由于传感器节点使用的区域广，个数多，分 收稿日期：２０１０—０５—０６； 修订日期：２０１０—０６—１６。 有效地延长环境监测中无线传感器网络的使用寿 基金项目：国家高科技计划项目（２００９ＡＡ０４ｚ１３８）；国家自然科学基金项目（６０６０４０１５，６０７７４０２１）。 作者简介：张端（１９７２一），男，浙江杭州人，副教授，工学博士。主要从事机电系统和非线性控制研究。 Ｅｍａｉｌ：ｄｚｈａｎｇ＠ｚｊｕｔ．ｅｄｕ．ｃｎ ３８０ 江南大学学报（自然科学版） 第９卷 命，除了从优化网络结构¨ 上以减少能耗之外，还 可以从能源提供和补充的角度对传感器节点提供 能源。比如可以将环境 中的磁能 ４。、太阳能 ］ 转化为电能，并采用相应的电源管理电路 器网络节点提供能源。 在充分考虑了无线传感器网络要求节点体积 较小的基础上，提出了一种利用新型风力发电机将 微处理器和射频模块３部分组成。其中温度、湿度传 感器采用的是ＳＨＴ １５，其所测得的数据经过微处理 器Ａｔｍｅｇａ ４８ Ｖ转换处理后，通过低功耗收发通信 芯片ＣＣ ２４２０发射出去。 无线传感器网络节点中的微处理器Ａｔｍｅｇａ 对产 生的电能进行管理和转化，就可以实现对无线传感 ４８ Ｖ的工作电压为１．８～５．５ Ｖ，本研究取其工作 电压为３ Ｖ。无线传感器网络节点采集处理检测信 号时工作电流为６ ｍＡ，耗时６１５ ｍｓ；发射数据时工 风能转化为电能对无线传感器网络节点电池充电 的方法，从而延长节点的有效寿命。新型风力发电 机采用了将风扇与发电装置一体化的设计，使风扇 本身成为发电装置的一部分，从而较大幅度地减小 整个发电装置的体积；采用垂直轴风扇，可以利用 各个方向的风能 。新型风力发电机又利用了永磁 发电机原理 ，在垂直轴风扇中合理放置了永磁体 和线圈，使得垂直轴风扇的扇叶转动时引起了分布 在垂直轴风扇盖和扇座上的各个线圈内部的磁通 量发生变化，从而产生交流电动势，并最终为网络 节点供电。 文中还介绍了新型风力发电机的设计和对锂 电池进行充电和放电的电源管理电路；并通过白云 鄂博矿区地面１ ｍ处的风能资源分析、发电机永磁 体的设计以及发电机启动风速的分析对其可行性 进行了验证。 １ 新型风力发电机及其自供电系统 为了解决无线传感器网络节点的能源供应问 题，必须在发电机与网络节点问加入电源管理电 路，实现对锂离子电池进行充电和放电，为网络节 点供电的目的。新型风力发电机在无线传感器网络 节点上的自供电系统如图１所示。 新 电 整流滤波电路 无 温度、湿度 线 传感器 型 风 源 传 感 力 管 锂电池充电 器 微处理器 发 理 集成电路 网 电 机 路 锂电池分压 电 络 节 射频模块 限流电路 点 图ｌ 新型风力发电机用在无线传感器网络节点上的自 供电系统 Ｆｉｇ．１ Ｓｅｌｆ－ｐｏｗｅｒｅｄ ｓｙｓｔｅｍ ｏｆ ｔｈｅ ｎｅｗ ｗｉｎｄ ｇｅｎｅｒａｔｏｒ ｏｎ ｗｉｒｅｌｅｓｓ ｓｅｎｓｏｒ ｎｅｔｗｏｒｋ ｎｏｄｅ 图１中电源管理电路由整流滤波电路、锂电池 充电集成电路ＣＮ ３０６８和锂电池分压限流电路３部 分组成。无线传感器网络节点由温度、湿度传感器、 作电流为２５ ｍＡ，耗时５ ｍｓ。 １．１ 新型风力发电机的设计 新型风力发电机是一种适用于无线传感器网 络的风力发电机。它将风扇和发电机一体化，减小 了整个发电装置的体积。同时根据电机原理和相关 发电机的设计 ”Ｊ，尺寸较大的电机有利于获得较 高电动势。一般的风力发电机，风扇尺寸大发电机尺 寸较小，不利于提高发电电动势；而新型风力发电机 中发电机尺寸与风扇尺寸基本相同，具有一定优势。 图２为新型风力发电机的结构图。其中，图 ２（ａ）为装置的主视图；（ｂ）为俯视图；（Ｃ）为扇叶的 横切面图。 Ｂ （ａ）主视图 Ａ （ｂ）俯视图 （ｃ）扇叶的横切面 图２ 新型风力发电机结构 Ｆｉｇ．２ Ｓｔｒｕｃｔｕｒａｌ ｄｒａｗｉｎｇ ｏｆ ｔｈｅ ｎｅｗ ｗｉｎｄ ｇｅｎｅｒａｔｏｒ 第４期 张端等：一种新型风力发电机的设计 ３８１ 参照图２，新型风力发电机包括一个垂直轴风 扇７。扇盖１和扇座２的内侧面分别设有永磁体３和 永磁体４。永磁体３内侧面极性为Ｎ极，永磁体４内 侧面极性为Ｓ极。永磁体３和永磁体４的外侧面之间 连接有导磁的软磁体８；永磁体３和永磁体４的内侧 面均设有凹槽５，凹槽５内部设有线圈６，凹槽内部 的线圈之间互相串接。垂直轴风扇７的扇叶１１为软 磁体，扇叶上缘９和扇叶下缘１０的面积和形状与凹 槽５的面积和形状相同。永磁体３和永磁体４各自内 侧面的凹槽数目与扇叶数目相同。新型风力发电机 中的永磁体３、软磁体８、永磁体４和软磁体风扇１１ 形成了带有两个小气隙的闭合磁路。 当垂直轴风扇７转动时，垂直轴风扇７的各个 扇叶１１的扇叶上缘９和扇叶下缘１Ｏ依次扫过扇盖 １和扇座２上的线圈６。以扇叶下缘１０来讲。当某片 扇叶下缘１Ｏ在转动过程中扫进扇座２内侧面的一 个线圈６时，引起线圈６中的磁通量增大；当扇叶１１ 继续转动到扇叶下缘１０的面积和线圈６的面积重 合时，线圈６中的磁通量达到最大；扇叶１１继续转 动时线圈６中的磁通量逐渐变小；当扇叶下缘１０和 线圈６的面积无重合时线圈中的磁通量最小。根据 楞次定律，在该线圈６磁通量变大的过程中，其产生 逆时针交流电；在该线圈６磁通量变小的过程中，产 生顺时针交流电。假设垂直轴风扇７有８片扇叶１１， 每个永磁体上有８个线圈６，当垂直轴风扇７转动 时，８片扇叶周而复始地扫过每个永磁体上的８个线 圈，引起各个线圈６中的磁通量变大或变小，从而产 生交流电。 １．２ 电源管理电路 图３为由新型风力发电机到无线传感器网络节 点之间所需要的电源管理电路。电源管理电路由整 流滤波电路、锂电池充电集成电路ＣＮ ３０６８和锂电 池分压限流电路组成。这３部分分别为图３中用虚 线隔开的第１，２，３各部分。 忙ｊ 隧＾ ３Ｏ ｖｏ４１ｃ Ｔ。ＥＭｐ Ｓ１＿ＡＴ． ＧＮＤ ＩＲ 图３ 电源管理电路 Ｆｉｇ．３ Ｐｏｗｅｒ ｍａｎａｇｅｍｅｎｔ ｃｉｒｃｕｉｔ 图３第１部分为整流滤波电路。它由全桥整流 器Ｄ。、单向导通二极管Ｄ 、滤波电容Ｃ。和稳压管 Ｄ （ＩＮ ４７３３）组成，实现了将新型风力发电机产生 的交流电变成直流电并滤除杂波的功能，并将输出 电压稳定在５．１ Ｖ。 图３第２部分为锂电池充电集成电路ＣＮ ３０６８。 因为锂离子电池具有质量轻、容量大、能量密度大、 几乎没有记忆效应和不含有毒物质等优点，文中采 用一款容量为１ ３００ ｍＡ、电压为３．７ Ｖ的锂电池，其 提供的电压为３．７～４．２ Ｖ。如韵电子生产的 ＣＮ ３０６８是可以对单节可充电锂电池进行恒流或恒 压充电的充电器电路。ＣＮ ３０６８内部包括功率晶体 管，不需要外部的电流检测电阻和阻流二极管。 ＣＮ ３０６８只需要极少的外围元器件，非常适合于便 携式应用的领域。其输人电压范围为：４．３５～６ Ｖ， 内部固定的恒压充电电压为４．２ Ｖ。当输人电压掉 电时，ＣＮ ３０６８自动进人低功耗的睡眠模式，此时电 池的电流消耗小于３ ＩｘＡ。其他功能包括输入电压过 低锁存、自动再充电、电池温度监控以及充电状态、 充电结束状态指示功能。图３中 为绿灯， ：为红 灯。充电时ＣＮ ３０６８的ＳＴＡＴ 管脚被拉低，红灯亮； 充电结束时ＣＮ ３０６８的ＳＴＡＴ 管脚被拉低，绿灯亮。 图３第３部分为锂电池分压限流电路。根据本 实验室无线传感器网络节点所用电压和电流范围， 可以计算并设计分压电阻的阻值，实现对３ Ｖ的无 线传感器网络节点模块提供能源。 该电源管理电路简单实用，需要元器件少，体 积小，输出的电压稳定。 ２ 分析及计算结果 对白云鄂博矿区１ ｍ高度处风能资源进行了分 析，并确定风力发电机环形永磁体尺寸，分析计算 了新型风力发电机的启动风速，最后通过计算得出 风力发电机产生的电压能为无线传感器节点提供 能源。 ２．１ 白云鄂博矿区１ ｉｎ高度处风能资源分析 由于风速具有不稳定性和间歇性，导致风力发 电具有波动性和间歇性，所以风速预测是风力发电 预测的前提。进行风速预测的方法有多种，文中采 用的是双参数威布尔模型分析法 。利用平均风速 和最大风速估计法对两个参数进行估算，并利用威 布尔双参数曲线拟合实际风速分布的概率模型，最 终得到风电场的风能评估结果。 双参数威布尔风速分布概率密度函数为 ，（ ）＝ Ｉ－ｉ：Ｉ ｖ）ｅｘＰ卜（ ／３）］ （１） ３８２ 江南大学学报（自然科学版） 第９卷 式中ｋ为形状参数，描述风速测量值的分散性，它的 改变对分布曲线有很大的影响；４为尺度参数 （ｍ／ｓ），和风速测量平均值有关，当Ａ＝１时，为标准 威布尔分布； 为来流风速（ｍ／ｓ）。 由图４可以看出，随着高度的降低，曲线向左移 动。风速分布概率密度函数 ）的最大值变化较 小，但在风速概率最大处由在１０ ｍ高度处的风速 ５．５ ｍ／ｓ左右减小到１ ｍ高度处的风速为４ ｍ／ｓ。这 估计威布尔分布参数的方法有多种，常用最小 二乘法估计威布尔分布参数；用平均风速和标准差 估计威布尔分布参数，用平均风速和最大风速估计 威布尔分布参数。其中用平均风速和标准差估计法 说明靠近地面风速降低。由１０ ｍ处的年平均风速可 估计在离地面１ ｍ处的年平均风速为３．６ ｍ／ｓ，文中 将白云鄂博矿区离地１ ｍ高度处的风速近似为地面 风速。 误差最小【１ ，用平均风速和最大风速估计法计算量 最小，文中采用后者。 采用白云鄂博矿区１０ ｍ高度处在测风年（２００５ 年６月到２００６年５月）的风速数据Ｌｊ ，其中最大风 速值为Ｖｍ ＝１６．７ ｍ／ｓ，年平均风速Ｖ＝６．１ ｍ／ｓ， 观测时间Ｔ＝８ ７６０ ｈ，利用平均风速和最大风速估 计法可求得参数ｋ和Ａ： ｋ ｌｎ（ ｌｎＴ ）＝２・４４ （２） 儿 — 南１，（＋ ÷） －６．８５ （３） 其中式（３）中的Ｇａｍｍａ函数厂（０）采用经验公式 （４）求得： 厂（１＋÷）：（，ｌ ＝０．５６８＋０．４ ３４／．￣ （４） 将式（２）～（４）得到的数据带入到式（１），即可得 到离地１０ ｍ处的年风速分布方程。并利用威布尔参 数可以拟合不同高度层风速大小的特点Ｌｌ ，即在式 （１）中速度 前面乘上一个风速比例系数ｂ，则离地 １ ｍ，５ ｍ处的风速比例系数值分别为ｂ ＝ （１０／１） ，ｂ ＝（１０／５） 。其中 为风速切边指数，且 取ａ＝０．１４３。 由Ｍａｔｌａｂ拟合１ ｍ，５ ｍ，１０ ｍ处的曲线见图４。 图４ 白云鄂博矿区离地不同高度处的风速威布尔分布 函数曲线 Ｆｉｇ．４ Ｗｅｉｂｕｌｌ ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎ ｆｕｎｃｔｉｏｎ ｃｕｒｖｅ ｏｆ ｔｈｅ ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ－ｈｅｉｇｈｔ ｗｉｎｄ ｉｎ Ｂａｉｙｕｎ ｅｂｏ ｍｉｎｅ 采用文献［１６］中对白云鄂博矿区离地１０ ｍ处 采集到的风速数据、威布尔分布中利用平均风速和 最大风速估计法和拟合不同高度处的威布尔分布 函数，不同的是没有采用文献［１６］中数学模型的建 立和仿真来求参数，而是采用了Ｇａｍｍａ函数经验公 式（４）直接计算求得两参数，且求得的参数值和文 献［１６］中的参数值不同，这可能是由于所采用的计 算方法和近似取舍方法不同造成的。 为了证明文中设计的新型风力发电机的可启 动性，拟合了白云鄂博矿区离地１ ｍ处风速曲线图， 在这里将离地１ ｍ处风速分布情况近似为地面风速 分布情况，也与文献［１６］中拟合的曲线图和要得出 的结论不同。 ２．２ 新型风力发电机环形永磁体的设计 新型风力发电机的永磁体采用环形永久磁铁， 其两极分布在环形永久磁铁的上下两面，材料选择 价格低廉的铁氧体永磁材料Ｙ ３５。结合铁氧体永磁 材料Ｙ ３５的退磁曲线来选择材料的工作点。如图５ 所示，由Ｂ ：０．３１ Ｔ作平行于日轴的水平线交永磁 材料Ｙ ３５退磁曲线与Ｄ点，由Ｄ点作垂直于日轴的 垂线交 轴与 点，且 ：８１．８４ ｋＡ／ｍ，则Ｄ点 就是所求的工作点。其中 为Ｄ点的磁场强度， 为Ｄ点的磁感应强度。 Ｈ／（ｋＡ／ｍ） 图５ 永磁材料Ｙ ３５退磁曲线示意 Ｆｉｇ．５ Ｄｅｍａｇｎｅｔｉｚａｔｉｏｎ ｃｕｒｖｅ ｓｃｈｅｍａｔｉｃ ｏｆ ｔｈｅ ｐｅｒｍａｎｅｎｔ ｍａｇｎｅｔｉｃ ｍａｔｅｒｉａｌｓ Ｙ ３５ 画图求得Ｄ点后，由 ＝８１．８４ ｋＡ／ｍ和Ｂｄ＝ ０．３１ Ｔ，介质的绝对磁导率 ＝４１Ｔ×１０～Ｈ／ｍ，设 第４期 张端等：一种新型风力发电机的设计 ３８３ 环形永久磁铁的气隙 ＝２．０×１０～ｍ，为扇叶上缘 与第一永磁体之间的气隙和扇叶下缘与第二永磁 体之问的气隙之和。为简明起见，假设磁路气隙较 小，漏磁可以忽略不记。由于 Ｚ日 ＋ＯＤｄ—一：０ （５） ｏ 故两块永磁体的总厚度 Ｄ ｆ： ～／ ｏ ：０．００６ ０３ ｍ 一・ … （６）、， ／ｄ可取每一块环形永久磁铁厚度为ｌ／２＝０．００３ ｍ＝ ３ ｍｍ。 ２．３ 新型风力发电机启动风速分析 新型风力发电机启动时将受到永磁体３，４对扇 叶的吸引力。这里吸引力 Ｆ＝ｋ８２￣ｓ （７） 其中ｋ为比例系数，吸引力Ｆ取决于永磁体和扇叶 之间形成的磁路间隙的磁通密度 和吸力面截面 积ｓ，Ｂ 主要取决于永磁体本身的剩磁和磁路设计。 新型风力发电机转动起来就要克服这个吸引力。 又因为风扇扇叶被风吹动时产生的净推力 为扇叶上的升力 减去扇叶上的阻力 ，即 １ ． Ｆ ＝ 一 ＝ （Ｃｚ—Ｃｄ）Ｓｖ （８） 其中：Ｐ为空气密度； 为空气相对速度；Ｓ为扇叶有 效的截面面积；Ｃ 和Ｃ 分别为升力系数和阻力 系数。 式（７）中ｋ和式（８）中ｃ ，Ｃ 在实际计算中相 当复杂，一般都是由实验数据所得，在此只根据已 有的永磁材料和扇叶的升阻力系数进行简化计算。 取ｋ＝２．２８，Ｃｆ＝０．０３１ ６８，Ｃｄ＝０．００４ ０８。Ｂ 由文 中２．２求得，且Ｂ ＝０．３１ Ｔ。空气密度为 １．２９ ｋｇ／ｍ 。将这些数据带入式（７）和式（８）可求 得新型风力发电机启动风速 ＝３．５０５ ｍ／ｓ。结合文 中２．１中的白云鄂博矿区离地１ ｍ处的风能资源分 析数据可得新型风力发电机在该地区可正常发电。 ２．４ 新型风力发电机生成电压计算分析 新型风力发电机每个线圈的闭合导线漆包圆 铜线的直径取０．０４０ ｍｍ，取永磁体上线圈的凹槽部 分宽度和深度分别为０．６ ｍｍ，故可设一个凹槽中分 布的匝数为Ｎ＝２００。 为了简化计算量，假设风扇匀速转动。设转速 ＝２￣ｒａｄ／ｓ，即每秒转一圈。风扇每转一圈，所有 线圈的面积变化为整个永磁体截面积，设环形永久 磁铁截面圆环的外半径ｒ ＝０．０５ ｍ，内半径ｒ ＝ ０．０１ ｍ，磁感应强度为Ｂ，＝０．３１ Ｔ，这时每个线圈 产生的感应电动势为 ＝ＮＢ，（订ｒ 一叮Ｔｒ ）＝０．４６７ Ｖ （９） 因为每块永磁体上的线圈数和扇叶数目相同， 且数量均为８。所以最终从风扇中产生的感应电动 势为 ＝１６ ＝７．４８ Ｖ。整流电路的输出电压Ｕ＝ ０．９ｅ＝６．７３ Ｖ，经过单向导通二极管并加上电容Ｃ 对输出电压进行滤波，并采用稳压管ＩＮ ４７３３将输 出电压稳定在５．１ Ｖ。由于整流滤波电路的输出电 压为５．１ Ｖ，满足ＣＮ ３０６８的输入电压要求，即可通 过锂电池充电集成电路ＣＮ ３０６８对４．２ Ｖ的锂电池 进行充电。 在锂电池输出时，通过电阻 ， 来分压限流 为无线传感器网络节点提供合适的电源。设通过 ， 的电流为，。由于无线传感器网络节点模块采 用３ Ｖ电压，采集处理信号时需要电流６ ｍＡ，发射 数据时需要电流２５ ｍＡ，可得 ４．２ ５ １ｌ１ｒｎ ，Ｄ一Ｊ 一。 ２ ．５一Ｒｄ＋Ｒ 一 ’ Ａ，＇ ６≤ 赢≤２５ （ ） 通过上述计算，可得电阻 ÷Ｒ４＝Ｒ５，４８≤Ｒ４≤２００ （１１） 取Ｒ ＝１００ ｎ，Ｒ ＝２５０ Ｑ，即满足无线传感器网 络中的用电需要。本例中的电阻值只要取区间中的 阻值都可以实现输出电压电流的要求。 新型风力发电机可以放置在风能资源丰富的 地方使用，也可以安装在运动的物体上使用，比如 汽车等运动物体，其运动所产生的风能可被利用。 通过无线传感器网络，可实现对该汽车的追踪，汽 车也可以利用无线传感器网络实现ＧＰＳ导航等功 能。由于可再生能源存在随机性和间歇性等特点， 可以将新型风力发电机和太阳能电池一起使用，这 时环境监测无线传感器网络节点的使用寿命将不 再取决于自身携带的一次性电源，而取决于能源提 供模块充电电池的充电寿命 。 ３ 结语 依据电机原理提出一种新型风力发电机，其特 点是将风扇与发电机结合为一体，减小了发电装置 的体积，并设计了通过新型风力发电机为无线传感 器节点提供能源的电源管理电路。经分析计算，该 装置在一般风速下生成的电压达到了为无线传感 器网络节点提供能源的要求。 ３８４ 江南大学学报（自然科学版） 第９卷 参考文献（Ｒｅｆｅｒｅｎｃｅｓ）： ［１］Ｍｉｋｋｏ Ｋｏｈｖａｋｋａ，Ｊｕｋｋａ Ｓｕｈｏｎｅｎ，Ｍａｕｒｉ Ｋｕｏｒｉｌｅｈｔｏ，ｅｔ ａ１．Ｅｎｅｒｇｙ－ｅｆｉｃｉｅｎｔ ｎｅｉｇｈｂｏｒ ｄｉｓｃｏｖｅｒｙ ｐｒｏｔｏｃｏｌ ｆｏｒ ｍｏｂｉｌｅ ｗｉｒｅｌｅｓｓ ｓｅｎｓｏｒ ｎｅｔｗｏｒｋｓ ｉｎ Ａｄ［Ｊ］．Ｈｏｃ Ｎｅｔｗｏｒｋｓ，２００９，７（１）：２４４１． ［２］苏波，李艳秋，于红云，等．从环境中获取能量的无线传感器节点［Ｊ］．传感器技术学报，２００８，２１（９）：１５８６・１５８９． Ｓｕ Ｂｏ，ＬＩ Ｙａｎ—ｑｉｕ，ＹＵ Ｈｏｎｇ－ｙｕｎ，ｅｔ ａ１．Ｔｈｅ ｗｉｒｅｌｅｓｓ ｓｅｎｓｏｒ ｎｏｄｅ ｈａｒｖｅｓｔｉｎｇ ｅｎｅｒｇｙ ｆｒｏｍ ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔ［Ｊ］．Ｃｈｉｎｅｓｅ Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｓｅｎｓｏｒ ａｎｄ Ａｃｔｕａｔｏｒｓ，２００８，２１（９）：１５８６．１５８９．（ｉｎ Ｃｈｉｎｅｓｅ） ［３］李兴圣，李平，文玉梅，等．一种磁电换能器及其能量管理电路研究［Ｊ］．传感器技术学报，２００９，２２（７）：９５５０６０． ＬＩ Ｘｉｎｇ—ｓｈｅｎｇ，ＬＩ Ｐｉｎｇ，ＷＥＮ Ｙｕ—ｍｅｉ，ｅｔ ａ１．Ｓｔｕｄｙ ｏｎ ａ ｂｒｏａｄ ｂａｎｄｗｉｄｔｈ ｍａｇｎｅｔｏｅｌｅｃｔｉｃ ｔｒａｎｓｄｕｃｅｒ ｒａｎｄ ｉｔｓ ｐｏｗｅｒ ｍａｎａｇｅｍｅｎｔ ｃｉｒｃｕｉｔ［Ｊ］．Ｃｈｉｎｅｓｅ Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｓｅｎｓｏｒ ａｎｄ Ａｃｔｕａｔｏｒｓ，２００９，２２（７）：９５５－９６０．（ｉｎ Ｃｈｉｎｅｓｅ） ［４］刘盼刚，文玉梅，李平，等．一种磁电自供电无线传感器电源管理电路的研究［Ｊ］．传感器技术学报，２００８，２１（８）： １４２７—１４３１． ＬＩＵ Ｐａｎ—ｇａｎｇ，ＷＥＮ Ｙｕ－ｍｅｉ，ＬＩ Ｐｉｎｇ，ｅｔ ａ１．Ｓｔｕｄｙ ｏｆｔ＿ｔｈｅ ｐｏｗｅｒ ｍａｎａｇｅｍｅｎｔ ｃｉｒｃｕｉｔ ｏｆ ａ ｍａｇｎｅｔｏｅｌｅｃｔｒｉｃ ｓｅｌｆ－ｐｏｗｅｒｅｄ ｗｉｒｅｌｅｓｓ ｓｅｎｓｏｒ［Ｊ］．Ｃｈｉｎｅｓｅ Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｓｅｎｓｏｒ ａｎｄ Ａｃｔｕａｔｏｒｓ，２００８，２１（８）：１４２７—１４３１．（ｉｎ Ｃｈｉｎｅｓｅ） ［５］Ａｂｈｉｍａｎ Ｈａｎｄｅ，Ｔｏｄｄ Ｐｏｌｋ，Ｗｉｌｌｉａｍ Ｗａｌｋｅｒ，ｅｔ ａ１．Ｉｎｄｏｏｒ ｓｏｌａｒ ｅｎｅｒｙ ｈａｒｇｖｅｓｔｉｎｇ ｆｏｒ ｓｅｎｓｏｒ ｎｅｔｗｏｒｋ ｒｏｕｔｅｒ ｎｏｄｅｓ［Ｊ］． Ｍｉｃｒｏｐｒｏｃｅｓｓｏｒｓ ａｎｄ Ｍｉｃｒｏｓｙｓｔｅｍｓ，２００７，３ １（６）：４２０４３２． ［６］ＳＵＮ Ｙ，ＬＩ Ｌ，Ｓｃｈｕｌｚｅ Ｌａｍｍｅｒｓ Ｐ，ｅｔ ａ１．Ａ ｓｏｌａｒ—ｐｏｗｅｒｅｄ ｗｉｒｅｌｅｓｓ ｃｅｌｌ ｆｏｒ ｄｙｎａｍｉｃａｌｌｙ ｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇ ｓｏｉｌ ｗａｔｅｒ ｃｏｎｔｅｎｔ［Ｊ］． Ｃｏｍｐｕｔｅｒｓ ａｎｄ Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ ｉｎ Ａｇｒｉｃｕｌｔｕｒｅ，２００９，６９（１）：１９—２３． ［７］Ｏｎａｒ ０ Ｃ，Ｕｚｕｎｏ￣ｕ Ｍ，Ａｌａｍ Ｍ Ｓ．Ｄｙｎａｍｉｃ ｍｏｄｅｌｉｎｇ，ｄｅｓｉｇｎ ａｎｄ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ｏｆ ａ ｗｉｎｄ／ｆｕｅｌ ｃｅｌｌ／ｕｌｔｒａ—ｃａｐａｃｉｔｏｒ－ｂａｓｅｄ ｈｙｂｒｉｄ ｐｏｗｅｒ ｇｅｎｅｒａｔｉｏｎ ｓｙｓｔｅｍ［Ｊ］．Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｐｏｗｅｒ Ｓｏｕｒｃｅｓ，２００６，１６１（１）：７０７－７２２． ［８］杨志勇，王卫星．无线传感器网络节点电源系统设计［Ｊ］．通信电源技术，２００８，２５（６）：６３—６４． ＹＡＮＧ Ｚｈｉ—ｙｏｎｇ，ＷＡＮＧ Ｗｅｉ—ｘｉｎｇ．Ｄｅｓｉｇｎ ｏｆ ｎｏｄｅ ｐｏｗｅｒ ｓｙｓｔｅｍ ｆｏｒ ｗｉｒｅｌｅｓｓ ｓｅｎｓｏｒ ｎｅｔｗｏｒｋ［Ｊ］．Ｔｅｌｅｃｏｍ Ｐｏｗｅｒ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ， ２００８，２５（６）：６３－６４．（ｉｎ Ｃｈｉｎｅｓｅ） ［９］Ｇｅｒａｌｄ Ｍｔｉｌｌｅｒ，Ｍａｒｋ Ｆ Ｊｅｎｔｓｃｈ，Ｅｕａｎ Ｓｔｏｄｄａｒｔ．Ｖｅｒｔｉｃａｌ ａｘｉｓ ｒｅｓｉｓｔａｎｃｅ ｔｙｐｅ ｉｎｄｗ ｔｕｒｂｉｎｅｓ ｏｆｒ ｕｓｅ ｉｎ ｂｕｉｌｄｉｎｇｓ［Ｊ］．Ｒｅｎｅｗａｂｌｅ Ｅｎｅｒｙ，２００９，３４（５）：１４０７—１ｇ４１２． ［１Ｏ］魏静微．小功率永磁电机原理一设计与应用［Ｍ］．北京：机械工业出版社，２００９：１－２１０． ［１ １］ｕ Ｈ，ＣＨＥＮ Ｚ．Ｄｅｓｉｎ ｏｇｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎ ａｎｄ ｓｉｔｅ ｍａｔｃｈｉｎｇ ｏｆ ｄｉｒｅｃｔ—ｄｒｉｖｅ ｐｅｒｍａｎｅｎｔ ｍａｎｅｇｔ ｗｉｎｄ ｐｏｗｅｒ ｇｅｎｅｒａｔｏｒ ｓｙｓｔｅｍｓ［Ｊ］． Ｒｅｎｅｗａｂｌｅ Ｅｎｅｒｙ，２００９，３４（４）：１１７５—ｇ１１８４． ［１２］Ｂｏｏｋｅｒ Ｊ Ｄ，Ｍｅｌｌｏｒ Ｐ Ｈ，Ｗｒｏｂｅｌ Ｒ，ｅｔ １．Ａ ａｃｏｍｐａｃｔ，ｈｉｇｈ ｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙ ｃｏｎｔｒａ—ｒｏｔａｔｉｎｇ ｇｅｎｅｒａｔｏｒ ｓｕｉｔｂｌａｅ ｏｆｒ ｗｉｎｄ ｔｕｒｂｉｎｅｓ ｉｎ ｔｈｅ ｕｒｂａｎ ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔ［Ｊ］．Ｒｅｎｅｗａｂｌｅ Ｅｎｅｒｙ，２０１０，３５（９）：２０２７－ｇ２０３３． ［１３］Ｓａｎｄｒａ Ｅｒｉｋｓｓｏｎ，Ａｎｄｒｅａｓ Ｓｏｌｕｍ，Ｍａｔｓ Ｌｅｉｊｏｎ，ｅｔ １．Ｓｉａｍｕｌａｔｉｏｎｓ ａｎｄ ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔｓ ｏｎ ａ １２ ｋＷ ｄｉｒｅｃｔ ｄｒｉｖｅｎ ＰＭ ｓｙｎｃｈｒｏｎｏｕｓ ｇｅｎｅｒａｔｏｒ ｏｆｒ ｗｉｎｄ ｐｏｗｅｒ［Ｊ］．Ｒｅｎｅｗａｂｌｅ Ｅｎｅｒｇｙ，２００８，３３（４）：６７４－６８１． ［１４］祝贺，徐建源．风电场ＧＭ．ＷＥＩＢＵＬＬ风速分布组合模型出力预测［Ｊ］．华东电力，２００８，３６（１１）：１４４—１４６． ＺＨＵ Ｈｅ，ＸＵ Ｊｉａｎ—ｙｕａｎ．Ｗｉｎｄ ｆａｍ ｒｏｕｔｐｕｔ ｆｏｒｅｃａｓｔ ｂａｓｅｄ ｏｎ ｃｏｍｂｉｎｅｄ ＧＭ－ＷＥＬＢＵＬＬ ｗｉｎｄ ｓｐｅｅｄ ｄｉｓｔｉｒｂｕｔｉｏｎ ｍｏｄｅｌｓ［Ｊ］．Ｅａｓｔ Ｃｈｉｎａ Ｅｌｅｃｔｉｒｃ Ｐｏｗｅｒ，２００８，３６（１ １）：１４４—１４６．（ｉｎ Ｃｈｉｎｅｓｅ） ［１５］赵鲁，刘建国，桂爱刚．都昌老爷庙风电场风能资源研究［Ｊ］．江西能源，２００７（３）：２４－２７． ＺＨＡＯ Ｌｕ，ＬＩＵ Ｊｉａｎ－ｇｕｏ，ＧＵＩ Ａｉ－ｇａｎｇ．Ｒｅｓｅａｒｃｈ ｏｆ ｗｉｎｄ ｅｎｅｒｙ ｇｒｅｓｏｕｒｃｅ ｉｎ Ｄｕｃｈａｎｇ Ｌａｏｙｅｍｉａｏ ｗｉｎｄ ｆａｒｍ［Ｊ］．Ｔｈｅ Ｒｅｓｏｕｒｃｅ ｏｆ Ｊｉａｎｇｘｉ，２００７（３）：２４－２７．（ｉｎ Ｃｈｉｎｅｓｅ） ［１６］包小庆，刘志强，吴永忠．双参数威布尔分布函数的确定及曲线拟合［Ｊ］．能源与环境，２００７（４）：８ ． ＢＡＯ Ｘｉａｏ—ｑｉｎｇ，ＬＩＵ Ｚｈｉ—ｑｉａｎｇ，ＷＵ Ｙｏｎｇ・ｚｈｏｎｇ．Ｔｈｅ ｔｗｏ—ｐａｒａｍｅｔｅｒ ｗｅｉｂｕｕ ｄｉｓｔｉｒｂｕｔｉｏｎ ｆｕｎｃｔｉｏｎ ａｎｄ ｉｔｓ ＣＵｌ￣ｅ ｆｉｔｔｉｎｇ［Ｊ］． Ｅｎｅｒｙ ａｎｄ ｇＥｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔ，２００７（４）：８＿９．（ｉｎ Ｃｈｉｎｅｓｅ） ［１７］管晟，解勤卫，张杰．环境监测无线传感器网络节点能源技术［Ｊ］．传感器与仪器仪表，２００７，２３（１１）：１０８—１１０． ＧＵＡＮ Ｓｈｅｎｇ，ＸＩＥ Ｑｉｎ．ｗｅｉ，ＺＨＡＮＧ Ｊｉｅ．Ｔｈｅ ｒｅｓｅａｒｃｈ ｏｎ ｐｏｗｅｒ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ｏｆ ｗｉｒｅｌｅｓｓ ｓｅｎｓｏｒ ｎｅｔｗｏｒｋｓ ｎｏｄｅｓ ｆｏｒ ｅｎｖｉｏｒｎｍｅｎｔ ｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇ［Ｊ］．Ｓｅｎｓｏｒｓ ａｎｄ Ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔａｔｉｏｎ，２００７，２３（１１）：１０８・１１０．（ｉｎ Ｃｈｉｎｅｓｅ） （责任编辑：杨勇）
