挑战杯产品设计说明书

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——————多向储风聚能隧道照明系统一序言

自古人类对风的追求和研究，就从来没有停止过步伐。从古代用风车来研磨，到现在利用风能来发电，一步步的诠释着风的力量。而如今，随着绿色能源的倡导，全世界的焦点都在研究怎么开发出一种新的能源。而对风能的研究，更是首当其冲。但风能应用的领域还不是十分的广泛，不具有一定的普遍性。因此对风能的研究还具有很大的发展空间，鉴于这点，我们提出了多向储风聚能隧道照明系统。

二作品的创意

现今一般的风力发电，都设置在特定的场合，而且针对性单一，受到自然条件和设备的限制，更重要的是不能最大限度的利用风能。对于再次利用能源没有可行性的措施，针对以上的缺点，我们加以改进，设计了具有以下特点的风力发电装置。

任何机动装置在行进的过程中，都会产生一定的气流，而这些机动车辆必须消耗一定的能源。我们可以利用我们的风力发电装置可以再次收集，使之发挥到最大。我们可以安装在任何可能出现或有这种形式的气流的地方，我们要强调的是，也可以收集自然风。这样就可以机车提供相应的次贷服务，比如说火车进隧道的时候，我们就可以不用再特定的为其安装照明系统，可以利用列车本身前进产生的气流来发电，节约了能源。以此，可以利用在很多类似的场合。而且我们利用的是多方向，更大限度的利用了风能。

三作品概述

（一）作品设计、发明的目的：随着科技的发展，新能源的提出，人类正一步步的向低碳的生活靠近。在当前以石化能源为主体的能源结构中，煤炭占%，石油占%，天然气占2%，其余为水电等其它资源，利用风能相对极限。

总而言之，我们的设计的主要的目的是合理利用绿色能源，倡导低碳的生活。

（二）基本思路：利用任何不稳定的风场或气流来发电

（三）创新点：⑴利用任何不稳定的风场或气流来发电，也适用于自然风；⑵利用声控进行开关控制；⑶多变、瞬态、多方向利用风能。

（四）技术关键：⑴在紊乱多变的气流中，应用集中的收集系统发电。

⑵采用多方向控制，更大程度的提高了收集率。⑶安装在相对复杂恶劣的环

境中。

（五）主要技术指标：⑴叶片直径，760mm。⑵叶片数目，三片。⑶叶片材料，高强度低密度的复合材料。⑷叶片利用系数为1.⑸启动风速，3-5m/s。

⑹停机风速,15-35m/s。⑺输出功率，4-7W。⑻直流发电机。⑼塔架高度，可协调高度。

四技术关键的说明

（一）汽车外流场数值仿真的研究

1 基本方程和紊流模型

所需常数如下所列

该模型考虑了紊流切应力的输运，不但能够对来流进行准确的预测，还能在

各种压力梯度下精确的模拟分离现象，并且综合了k-ω模型在近壁模拟和k-ε模型在外部区域计算的各自优点。

2 计算域的网格生成

采用Delaunay 三角形方法在整个计算流域生成非结构化

空间网格，同时在汽车外表面及地面生成与来流方向垂直的

半结构化网格，用以提高附面层的计算精度。图1为汽车外流

场的空间网格图。

主控方程用有限体积法来离散，对流项采用基于Roe的FDS

上风差分方法，扩散项采用中心差分格式，非常数源项采用线性化处理。

3 计算实例及与试验结果

图2 汽车后窗部位截面速度矢量分部

图3 汽车尾部截面速度矢量分部

4 结论

(1)SST 紊流模型在汽车外流场的数值仿真中相对于其他紊流模型能进行更为准确的模拟，尤其是在气流分离方面，从而指导车身的气动造型设计。

(2)所使用的网格生成系统采用Delaunay方法生成，可以根据全局变量的变化梯度自适应地在计算域内生成网格，从而提高网格的经济性和实用性；并且能够在汽车附面层生成棱柱形网格，从而保持网格与来流的正交性，提高附面层的计算精度。

(3)计算结果中，汽车尾涡、流线的模拟结果与现实的物理现象及试验结果非常相近。

（二）声控开关设置

发电机经过电刷后电流波形已不再是理想的正弦波,但它仍然具有周期性,故需要进行滤波。滤波器是一种使用信号通过而同时抑制无用频率电信的电子装置，由于发电机输出的是脉动电流，在电子电路中，通常都需要电压稳定的直流电源供电利用二极管的单向导电性,将电压变成一个单方向的脉动电压,通过滤波电路,滤掉其中的脉动成分从而得到比较平稳的直流电压所以用大小两个电容进行滤波，大电容用来稳定输出，因为电容两端电压不能突变，因此可以使输出平滑。小电容是用来滤除高频干扰的，是使输出电压纯净，电容越小谐振频率越高，可滤除的干扰频率越高。

恒流源电路就是要能够提供一个稳定的电流以保证其它电路稳定工作的基础。即要求恒流源电路输出恒定电流，因此作为输出级的器件应该是具有饱和输出电流的伏安特性。

图4 1，恒流电路的设计

如图3所示，由稳压管VZ1、晶体管VT1、电阻R1、电容C2构成的晶

体管电流源提供恒定电流，取稳压管电压为 5 V，R1为30Ω，此时IC≈1OO mA，作为电路的充电电流。

图5 恒流源电路

2 声控电路

图6 声控电路图

压电陶瓷片B与晶体三极管VT1，电阻R1，和电阻R2等组成了声控脉冲触发电路，时基集成电路IC与电阻R3，电容器C等组成了典型单稳态延时电路，晶体三极管VT2，VT3和电阻R4，R5等组成了LED灯H的功率驱动放大电路。

由于晶体三极管VT1的偏流电阻R1取值较大，所以VT1趋于截止状态，其集电极输出电压高于1/3VDD=,与之相连的时基集成电路IC的低电位触发端2脚处于高电平，单稳态电路处于稳态。电容器Ｃ两端通过IC的7，1脚被IC内部导通的三极管短路，IC的3脚输出低电平，VT2，VT3均无偏流而截止，LED 灯H不发光。

当在有效距离范围内拍一下手掌时，突发的声波被压电陶瓷片B接收，并转换成微弱的电信号，该信号的正半周经VT1放大后，从其集电极输出负脉冲，时基集成电路IC的2脚获得瞬间低于1/3VDD= 的低电平触发信号,使IC组成的单稳态电路受触发进入暂稳态(即延时状态),IC的3脚输出高电平,VT2获得适合的偏流而导通,VT3进入完全饱和导通状态,LED灯发出亮光，随着IC的3脚变成高电平，IC内部导通的三极管截止，解除对电容器C的短路，电池GB通过电阻R3向电容器C开始充电，当C两端的充电电压（即IC的高电位触发端6脚电位）达到2/3VDD=3V时，单稳态电路翻转恢复稳态，IC内部三极管重新导通，C通过IC的7，1脚放电并被再次短路，IC的3脚重新输出低电平，导通到VT2，VT3失去偏流而截止，H断电自动熄灭。电路中，LED灯每次延时点亮的时间器C的时间：T=。按图选择R3和C的值，H延时点亮的时间约为 1min。

3 元器件选择

IC选用静态功耗很小NE555时基集成电路，VT1，VT2 均选用9014（集电极允许最大电流ICM=，集电极最大允许功耗PCM=310mW）或3DG8型硅NPN小功率三极管，要求VT1的电流放大系数β>200，VT2的电流放大系数β>100，VT3