電動(dòng)汽車風(fēng)能利用裝置及其特性的研究

張 麗，楊 瑞，寧 鵬

(東北林業(yè)大學(xué)交通學(xué)院，哈爾濱150040)

隨著能源危機(jī)和環(huán)境惡化問題的日益加劇，我國大力倡導(dǎo)新能源汽車的開發(fā)，電動(dòng)汽車的發(fā)展也因此備受關(guān)注［1］。目前，市場上最常見的電動(dòng)車?yán)锍淘?20～160 km之間，續(xù)航里程短是電動(dòng)汽車的一大瓶頸，改善這一問題至關(guān)重要。

風(fēng)能利用裝置將風(fēng)力發(fā)電技術(shù)引用到汽車上提高續(xù)駛里程，相對(duì)于通過提高電池能量密度，合理的外觀設(shè)計(jì)、制動(dòng)能量回收等方法更有效，有利于可持續(xù)發(fā)展［2］。汽車在行駛過程中會(huì)受到風(fēng)阻，車速越大風(fēng)阻越大，將風(fēng)的阻力利用起來產(chǎn)生電能，驅(qū)動(dòng)風(fēng)力發(fā)電機(jī)，當(dāng)電動(dòng)汽車需要充電時(shí)就可以及時(shí)給蓄電池充電。風(fēng)機(jī)結(jié)構(gòu)及其布置形式對(duì)風(fēng)能的利用率、行駛中的能量損耗和外形美觀影響重大，要求合理的設(shè)計(jì)。同時(shí)，應(yīng)對(duì)裝置能量轉(zhuǎn)化時(shí)的工作特性及整個(gè)系統(tǒng)的穩(wěn)定性進(jìn)行研究，最終實(shí)現(xiàn)風(fēng)能的轉(zhuǎn)換利用。

1 裝置的主要結(jié)構(gòu)和工作原理

本裝置不同于一些車載式風(fēng)能利用裝置，它主要用于電動(dòng)汽車上，體積小、結(jié)構(gòu)簡單、并且不增加車輛的迎風(fēng)面積，因此對(duì)各組成部分的性能要求也較高［3-4］。發(fā)電機(jī)可以選用永磁式交流發(fā)電機(jī)，它具有體積小、效率高、低速發(fā)電性能好、穩(wěn)壓精度高等特點(diǎn)，有利于提高風(fēng)能的利用率。

1.1 風(fēng)力發(fā)電機(jī)的總體結(jié)構(gòu)

風(fēng)能的轉(zhuǎn)換成電能是通過風(fēng)力發(fā)電機(jī)實(shí)現(xiàn)的，風(fēng)力發(fā)電機(jī)由葉片、前罩、永磁式發(fā)電機(jī)和安裝軸等組成，它的整體結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。

圖1 風(fēng)力發(fā)電機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Schematic structure of wind generator

行駛過程中的風(fēng)阻主要取決于風(fēng)阻系數(shù)，由空氣動(dòng)力學(xué)可知如果物體外結(jié)構(gòu)增大，會(huì)使得迎風(fēng)面積增加，風(fēng)阻系數(shù)增大，從而導(dǎo)致風(fēng)阻劇增［5］。為了減小風(fēng)阻損耗，可以考慮將裝置安置在車身內(nèi)部，與車身成為一個(gè)整體，當(dāng)然，這樣的話裝置的體積就受到一定的限制。因此，裝置功能的實(shí)現(xiàn)，關(guān)鍵在于風(fēng)力發(fā)電機(jī)葉片的設(shè)計(jì)。

1.2 風(fēng)輪的葉片設(shè)計(jì)

風(fēng)力發(fā)電機(jī)有水平軸式的和垂直軸式的，考慮到風(fēng)力主要來自與前方，并且車輛起步能迅速達(dá)到較高車速，采用水平軸式的風(fēng)力發(fā)電機(jī)更好。對(duì)于水平軸式的葉輪設(shè)計(jì)，普遍采用動(dòng)量-葉素理論，即可以根據(jù)Glauert和Wilson法來設(shè)計(jì)出適合本裝置的葉片［6］。計(jì)算葉片直徑的公式為［7］:

式中:D為葉片直徑m;P為風(fēng)力發(fā)電機(jī)的功率w;ρ為空氣密度，kg/m3;V為風(fēng)速m/s;Cp為風(fēng)能利用系數(shù);η為總的傳遞效率;η1為傳動(dòng)鏈的效率;η2為發(fā)電機(jī)的效率。

中國百瓦級(jí)的風(fēng)力發(fā)電機(jī)的風(fēng)能利用系數(shù)為0.2～0.3，在設(shè)計(jì)時(shí)風(fēng)能利用系數(shù)可取0.29。常溫下空氣密度為1.21～1.25 kg/m3，總的傳動(dòng)效率在初設(shè)計(jì)時(shí)一般選在0.81左右。當(dāng)發(fā)電機(jī)的功率取300w，V取20 m/s，ρ取1.25，η取0.75時(shí)，由上述計(jì)算公式得出葉片直徑［6-7］:

改變風(fēng)力發(fā)電機(jī)的功率，按同樣的方式進(jìn)行計(jì)算，并進(jìn)行對(duì)比，選出適合的本裝置的直徑。分別取P為100、200、400、500W，計(jì)算結(jié)果見表1。

表1 風(fēng)輪葉片計(jì)算直徑Tab.1 The calculated diameter of the turbine blade

電動(dòng)汽車的散熱器寬度為70～80 mm，高度為40～60 mm，根據(jù)不同的車型，參考散熱器的尺寸，通過表1選出適合的葉片尺寸。

1.3 工作原理

整置主要由小型風(fēng)力發(fā)電機(jī)、整流器及控制系統(tǒng)組成，安裝在汽車內(nèi)，利用可再生資源風(fēng)能產(chǎn)生電能，用于供電。

根據(jù)能量守恒定律，車輛啟動(dòng)后，與風(fēng)產(chǎn)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)，當(dāng)風(fēng)速達(dá)到風(fēng)機(jī)的啟動(dòng)速度一般為1～3 m/s(車速達(dá)到4～10 km/h)時(shí)就可以驅(qū)動(dòng)葉輪旋轉(zhuǎn)，葉輪將捕獲的風(fēng)能轉(zhuǎn)變成機(jī)械能，然后通過齒輪箱傳遞給發(fā)電機(jī)，最終產(chǎn)生電能［8］。通常，車輛是以一定車速行駛，如60、80、100 km/h等車速，但由于路況的變化需要隨時(shí)改變檔位、天氣影響、啟動(dòng)時(shí)加速、制動(dòng)時(shí)減速等多方面的影響，會(huì)導(dǎo)致產(chǎn)生的電流大小會(huì)隨之波動(dòng)，這時(shí)裝置中的整流器就發(fā)揮了巨大的作用。當(dāng)風(fēng)力發(fā)電機(jī)工作時(shí)，會(huì)輸出電流，當(dāng)控制系統(tǒng)接收到電流和充電信號(hào)后就會(huì)發(fā)出整流信號(hào)，此時(shí)常開開關(guān)閉合，整流器工作，并輸出穩(wěn)定的電流為蓄電設(shè)備和用電設(shè)備供電。整個(gè)系統(tǒng)的工作示意圖如圖2所示。

圖2 裝置工作原理示意圖Fig.2 The working principle diagram of the device

2 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

2.1 實(shí)驗(yàn)方案

圖3為整個(gè)實(shí)驗(yàn)所用到的裝置，將型號(hào)為M-300，輸出電壓為12V，直徑為0.82 m的6葉片風(fēng)力發(fā)電機(jī)如圖3(a)所示，固定在設(shè)計(jì)的三角支架上，然后置于皮卡車圖3(b)的車廂內(nèi)，在實(shí)驗(yàn)林場上對(duì)裝置進(jìn)行功率特性實(shí)驗(yàn)。整個(gè)過程需用萬用電表測量不同工況下的電流電壓，記錄好相應(yīng)的數(shù)據(jù)，再應(yīng)用公式P=IU計(jì)算得出相對(duì)應(yīng)的功率。該型號(hào)的風(fēng)力發(fā)電機(jī)的啟動(dòng)風(fēng)速為1 m/s，車輛啟動(dòng)后，慢慢加速到一定的速度，待車速穩(wěn)定，記錄好初始數(shù)據(jù)，然后，汽車逐漸加速，直到車速達(dá)到100 km/h，獲得最后一組數(shù)據(jù)，實(shí)驗(yàn)結(jié)束。將得到的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理分析，最終繪制出速度與輸出功率和電流的關(guān)系圖，分析驗(yàn)證風(fēng)能利用的可行性。車速每提升10 km/h就記錄一次萬用表的示數(shù)，圖3(c)是應(yīng)用Catpart軟件設(shè)計(jì)的支撐架的結(jié)構(gòu)圖，用于將裝置固定在車廂內(nèi)。實(shí)驗(yàn)時(shí)，應(yīng)盡量選擇無風(fēng)的天氣，減小側(cè)面的風(fēng)對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的影響。

圖3 實(shí)驗(yàn)裝置圖Fig.3 The experimental device

2.2 數(shù)據(jù)處理與分析

多次進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，然后取相應(yīng)的平均值，獲得數(shù)據(jù)，整理后再將統(tǒng)計(jì)的數(shù)據(jù)(見表2)應(yīng)用Matlab軟件繪制出風(fēng)力發(fā)電機(jī)的輸出特性的關(guān)系曲線圖P-V和I-V，如圖4所示［5］。隨著車速的不斷提高，風(fēng)力發(fā)電機(jī)輸出的電流不斷增大［9］，輸出功率也隨之增大。對(duì)于電動(dòng)車，一度電可均衡放電100 km左右。

蓄電池充入的電量Q的計(jì)算公式為:

式中:I為充電電流A;U為充電電壓V;t為充電的時(shí)間h。

根據(jù)《中華人民共和國道路交通實(shí)行條例》安全速為30 km/h，那么，通過上述電量計(jì)算公式，可知使用本裝置在城市道路上行駛每小時(shí)可節(jié)約電0.04～0.08度，公路限速為40 km/h，可節(jié)約電0.08～0.09度/h;在同方向只有一條機(jī)動(dòng)車的城市道路和公路上行駛1 h，可分別節(jié)約電0.8～0.15度和0.15～0.27度;在高速公路上行駛每小時(shí)可以節(jié)約電0.28度左右;由此可見，該裝置能夠改善汽車使用的經(jīng)濟(jì)性，實(shí)現(xiàn)節(jié)能環(huán)保。在不同車速下，風(fēng)力發(fā)電機(jī)的輸出電流和功率變化可見表2和如圖4所示。

表2 數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)Tab.2 Statistical data

電動(dòng)汽車的用電設(shè)備如空調(diào)暖機(jī)、LED尾燈、LED前照燈等，都是通過蓄電池獲得電能，維持正常工作的。一般LED燈工作電流為0.015A，電壓3V，將1 000 Ω的滑動(dòng)變阻器和1個(gè)LED燈與風(fēng)力發(fā)電機(jī)串聯(lián)。將電阻調(diào)為600 Ω，在不同風(fēng)速下觀察燈的亮度變化以及測出通過LED燈的電流和電壓(見表3和如圖5所示)。

圖4 風(fēng)力發(fā)電機(jī)的輸出特性圖Fig.4 The output characteristics diagram of wind turbines

表3 數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)Tab.3 Statistical data

圖5 負(fù)載LED燈的電流電壓變化曲線Fig.5 The current and voltage variation curve of the LED

3 討論與總結(jié)

通過利用風(fēng)力發(fā)電機(jī)固定在車上進(jìn)行風(fēng)能轉(zhuǎn)化，進(jìn)行多次實(shí)驗(yàn)，測取多組數(shù)據(jù)，再將數(shù)據(jù)進(jìn)行處理分析，可知裝置輸出的為恒壓約12 V，風(fēng)力發(fā)電機(jī)的輸出功率與汽車行駛的車速呈正相關(guān)，并且滿足對(duì)于12 V的電瓶，最大電流為30 A，最大功率為360 W的基本要求，可以實(shí)現(xiàn)裝置為汽車蓄電池充電的功能，也能實(shí)現(xiàn)直接用于負(fù)載供電，驗(yàn)證了裝置風(fēng)能轉(zhuǎn)化的可行性。由風(fēng)速與汽車行駛中的車速是相對(duì)的，由于車輛行駛大部分受到的是正面迎風(fēng)，風(fēng)速基本上等于車速［11］，根據(jù)能量守恒定律，風(fēng)能部分轉(zhuǎn)化成電能，風(fēng)能越大，越多的動(dòng)能可以轉(zhuǎn)化成電能，風(fēng)力發(fā)電機(jī)發(fā)電機(jī)的輸出功率也就越大［6］。

能源危機(jī)潛在的威脅著人類的生存，隨著人們生后水平的提高，汽車的使用會(huì)越來越普遍，必然會(huì)導(dǎo)致能源的大量消耗，不利于人類社會(huì)的可持續(xù)發(fā)展，因此推廣新能源汽車是今后汽車行業(yè)發(fā)展的一大趨勢(shì)。通過合理的設(shè)計(jì)風(fēng)力發(fā)電機(jī)的結(jié)構(gòu)以及安裝位置，將風(fēng)能發(fā)電機(jī)技術(shù)應(yīng)用到汽車上是可以實(shí)現(xiàn)的，尤其是對(duì)于電動(dòng)汽車，能很好地改善續(xù)駛里程短的不足，更重要的是如果得到廣泛應(yīng)用，可以很好的緩解能源危機(jī)［1］。當(dāng)然，對(duì)于裝置的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和導(dǎo)流抑阻等發(fā)面，仍須進(jìn)行更加深入的研究，通過仿真設(shè)計(jì)出適合汽車使用的風(fēng)力發(fā)電機(jī)和內(nèi)部增設(shè)導(dǎo)流裝置減小行駛中的風(fēng)阻。同時(shí)，還應(yīng)考慮輸出脈沖穩(wěn)定的控制，保證裝置充電的使用壽命。

［1］李軍軍，吳政球，譚勛瓊，等.風(fēng)力發(fā)電及其技術(shù)發(fā)展綜述［J］.電力建設(shè)，2011，32(8):64-72.

［2］范元熹.國內(nèi)外的風(fēng)能開發(fā)利用［J］.能源工程，1993(2):13-15.

［3］劉恵敏，吳永中，劉 偉.風(fēng)力提水與風(fēng)力發(fā)電提水技術(shù)［J］.可再生能源，2005(3):59-61.

［4］翟宇毅，陸文浩，李 宇.車載型風(fēng)力發(fā)電機(jī)能源補(bǔ)充裝置［J］.機(jī)械設(shè)計(jì)與制造，2012(10):204-206.

［5］陳 虎，孟克其勞，馬建光.基于MATLAB的風(fēng)力發(fā)電機(jī)組建模和仿真研究［J］.節(jié)能技術(shù)，2012，30(1):24-28.

［6］李 偉.風(fēng)力機(jī)葉片設(shè)計(jì)及氣動(dòng)特性分析［D］.呼和浩特:內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)，2010.

［7］黃 華.風(fēng)力機(jī)風(fēng)輪葉片設(shè)計(jì)計(jì)算方法研究［D］.成都:西華大學(xué)，2008.

［8］徐寶清，田 德，李全虎，等.用Gauss-Laguerre積分算法確定風(fēng)速數(shù)學(xué)期望［J］.內(nèi)蒙古大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版)，2008，39(3):377-341.

［9］徐寶清，田 德，韓巧麗，等.風(fēng)力發(fā)電機(jī)組輸出功率特性的數(shù)值模擬［J］.農(nóng)業(yè)工程技術(shù)(新能源產(chǎn)業(yè))，2008(3):30-33.

［10］吳雙群，趙丹平.風(fēng)力機(jī)空氣動(dòng)力學(xué)［M］.北京:北京大學(xué)出版社，2011.

［11］馬東輝，吳 煜，王猛猛.電機(jī)在新能源汽車上的應(yīng)用［J］.林業(yè)機(jī)械與木工設(shè)備，2013(6):13-17.

［12］宋百玲，周學(xué)升.基于制動(dòng)意圖模糊識(shí)別的電動(dòng)汽車再生制動(dòng)研究［J］.森林工程，2014，30(6):71-74.