基于風(fēng)光能互補系統(tǒng)的新型節(jié)能汽車能源收集系統(tǒng)

陳浩 張帥宇 王雨

【摘 要】本文圍繞汽車行駛過程中就資源的合理利用做了一些探討，針對未來節(jié)能汽車的能源收集問題，優(yōu)化設(shè)計一種能夠穩(wěn)定輸出的風(fēng)光磁互補系統(tǒng)，該互補系統(tǒng)在現(xiàn)在既有的風(fēng)光互補系統(tǒng)中做了相關(guān)優(yōu)化設(shè)計。通過模型的量化計算，證明了該設(shè)計輸出穩(wěn)定，能夠有效降低環(huán)境污染，非常符合未來汽車供電系統(tǒng)的發(fā)展趨勢。

【關(guān)鍵詞】風(fēng)光磁互補系統(tǒng) 太陽能發(fā)電 風(fēng)力發(fā)電 磁能發(fā)電

1 引言

隨著人們生活水平的提高及科技技術(shù)與經(jīng)濟(jì)工業(yè)的高速發(fā)展，汽車工業(yè)也隨之帶動起來，能源和環(huán)境是制約我國經(jīng)濟(jì)，社會發(fā)展的主要障礙，可再生能源的綜合利用將起到越來越重要的作用，然而由經(jīng)濟(jì)發(fā)展帶來的各類能源危機問題層出不窮，我們小組在現(xiàn)有的風(fēng)光系統(tǒng)中優(yōu)化設(shè)計出一款適應(yīng)汽車節(jié)能的風(fēng)光磁互補系統(tǒng)，該系統(tǒng)可智能化處理各輸入端不穩(wěn)定的電流為穩(wěn)恒電流再向蓄電池輸入，通水也可防止電池過充現(xiàn)象的發(fā)生，本文就節(jié)能汽車能源充分利用問題做出相關(guān)探究，圖1為構(gòu)想的系統(tǒng)安裝的位置剖面圖，該新型汽車能源收集系統(tǒng)主要分四個方面探究：

（1）利用汽車前進(jìn)的風(fēng)阻力作為動力發(fā)電并儲存在蓄電池內(nèi)。

（2）利用天然太陽能產(chǎn)生的能力作為動力發(fā)電并儲存在蓄電池內(nèi)。

（3）利用車輪轉(zhuǎn)動切割磁感線產(chǎn)生電流發(fā)電并儲存在蓄電池內(nèi)。

（4）設(shè)計一款能系統(tǒng)化處理風(fēng)光磁三大能量的處理系統(tǒng)。

圖1 系統(tǒng)安裝位置

Figure1：The location of the system installation

圖2 新型節(jié)能汽車能源收集系統(tǒng)

Figure2：the New energy-saving system of automobile

2 理論模型（實驗方法）

由圖可看出，本系統(tǒng)巧妙的將風(fēng)能，太陽能以及電磁能結(jié)合起來，下面我們就這三條發(fā)電線路以及最后的輸出電流做一些相關(guān)的探究：

2.1 風(fēng)力發(fā)電機發(fā)電支線：（置于車頭）

風(fēng)力發(fā)電機是將風(fēng)能轉(zhuǎn)化為電能的裝置，從能量裝換的角度來看，風(fēng)力發(fā)電機由兩大部分組成：其一是風(fēng)力機，它的功是能將風(fēng)能轉(zhuǎn)化為機械能；其二是發(fā)電機，它的功能是將機械能轉(zhuǎn)化為電能，發(fā)電機理：汽車行駛過程中，產(chǎn)生的風(fēng)的阻力通過車頭進(jìn)入車身推動葉片轉(zhuǎn)動，葉片內(nèi)部切割磁感線產(chǎn)生電流，由發(fā)電機輸出不穩(wěn)定的輸出電壓，然后再通過二極管（防止電流倒流），穩(wěn)壓器（將電壓調(diào)至蓄電池標(biāo)準(zhǔn)輸入電壓輸出）與控制電路（保護(hù)電路）等進(jìn)入蓄電池內(nèi)儲存起來，以達(dá)到回收能源的作用，而且在現(xiàn)在日益興起的電動汽車?yán)锩孢€可以作為二次動力電能使用。

2.2 相發(fā)電機發(fā)電支線：（置于車輪）

發(fā)電原理：汽車在行駛的時候四輪是在快速轉(zhuǎn)動，如果我們將導(dǎo)線固定在四輪上，以車輪的轉(zhuǎn)動帶動導(dǎo)線的運動來切割磁感線那么回路就會有電量產(chǎn)生。當(dāng)汽車自由滑動時車輪快速轉(zhuǎn)動的機械能轉(zhuǎn)化為電能，當(dāng)汽車在下坡路行駛時勢能轉(zhuǎn)化為動能，動能再轉(zhuǎn)化為電能，那么在汽車原供電系統(tǒng)中就有這部分額外的，綠色的電能來供汽車使用。其供電來源分為車輪切割磁感線和原油汽車發(fā)電機內(nèi)能轉(zhuǎn)化而提供的。當(dāng)汽車出現(xiàn)蓄電池過充現(xiàn)象的時候，單片機通過啟動PWM卸荷方式將多余的能量在電阻中進(jìn)行消耗，同時通過調(diào)整磁電中的線圈匝數(shù)以達(dá)到對能量進(jìn)行削減的作用。

2.3 太陽能發(fā)電支線：（置于車身）

將太陽能發(fā)電利用在汽車上，使用太陽能電池把光能轉(zhuǎn)化成電能，電能會在儲電池中存起備用，用來供應(yīng)汽車各種電能需求，隨著全球經(jīng)濟(jì)和科學(xué)技術(shù)的飛速發(fā)展，太陽能的利用已經(jīng)不是一個神話。太陽能電池依據(jù)所用半導(dǎo)體材料不同，通常分為硅電池、硫化鎘電池、砷化鎵電池等，其中最常用的是硅太陽能電池，轉(zhuǎn)化率大概為18%。我們將車頂（S=2.5㎡）放置硅太陽能電池板，經(jīng)過充電控制器、逆變器后進(jìn)入蓄電池，用以供應(yīng)汽車各種電能需求。

3 實驗系統(tǒng)及理論運算

3.1 實驗系統(tǒng)設(shè)計

風(fēng)光磁互補系統(tǒng)由主電路板主要包括整流器、DC/DC 變換器、防反控制電路板中的控制芯片為單片機，它負(fù)責(zé)整個系統(tǒng)的控制工作，是控制核心部分，其外圍電路包括電壓、電流采樣電路 ，功率管驅(qū)動電路，保護(hù)電路，通信電路，輔助電源電路等。風(fēng)力發(fā)電機輸出的三相交流電接 U、V、W，經(jīng)三相補控整流器整流和電容穩(wěn)壓后給蓄電池充電，風(fēng)力發(fā)電機接卸荷電阻，當(dāng)風(fēng)速過高時，風(fēng)力發(fā)電機輸出電壓大于蓄電池過充電壓，單片機輸出脈沖 （PWM） 來控制開通，使多余的能量被消耗在卸荷電阻上，磁力發(fā)電機接卸荷電阻和調(diào)整撥片器上，當(dāng)蓄電池過充的時候，單片機輸出脈沖（PWM）來控制開通，通過減少磁場線圈匝數(shù)和消耗熱量來減少能量。

為此我們設(shè)計了一款風(fēng)光磁互補系統(tǒng)：白天太陽光強，風(fēng)一般小，晚上沒有陽光，風(fēng)一般大，太陽能和風(fēng)能，而且對于汽車只要在行駛車輪就必定會轉(zhuǎn)動，風(fēng)光磁在時間上的互補性使風(fēng)光磁互補系統(tǒng)在資源上具有最佳的匹配性，因此風(fēng)光磁發(fā)電系統(tǒng)是資源條件最好的獨立電源系統(tǒng)。如圖3。

圖3 風(fēng)光磁互補系統(tǒng)原理圖

它可實現(xiàn)以下功能：（1）風(fēng)力發(fā)電機，太陽能，磁力發(fā)電機總充電流小于額定電流時，風(fēng)機，太陽能和電磁能的全部能量給蓄電池充電，當(dāng)風(fēng)機，太陽能和電磁能的全部能量小于限電流時，系統(tǒng)直接為蓄電池充電，當(dāng)風(fēng)機，太陽能和電磁能的全部能量大于限電流時，單片機感應(yīng)蓄電池電壓與總電壓作對比，以額定電流點的電流給蓄電池充電多余的能量啟動手動荷載或者通過PWM方式荷載，通過磁電減壓的方式給磁力和風(fēng)力發(fā)電機“剎車”，磁力發(fā)電機通過PWM方式啟動撥片，減小匝數(shù)以達(dá)到減小發(fā)電量的效果。（2）磁電限速保護(hù)：當(dāng)蓄電池處于過充狀態(tài)時通過PWM卸荷給發(fā)電機一個反向磁阻力矩，大幅增加發(fā)電機所消耗的功率，使之大于風(fēng)輪和電磁轉(zhuǎn)機的輸出功率，從而使風(fēng)輪轉(zhuǎn)速降低，減小其吸收的能量，從而進(jìn)一步減低風(fēng)輪轉(zhuǎn)速，為此連鎖作用所產(chǎn)生的實際效果是減速而不是限速。

3.2 理論運算：

風(fēng)電轉(zhuǎn)換部分：風(fēng)力發(fā)電主要分風(fēng)力機和發(fā)電機兩部分組成，核心動力裝置就是風(fēng)葉片部分，風(fēng)力發(fā)電機葉片的工作效率可表示為： （1）

其中P為葉片發(fā)電效率，v為額定風(fēng)速，D為風(fēng)輪直徑，Cp是功率系數(shù)（一般取0.35），

磁電轉(zhuǎn)換部分：其電能來源分為兩部分：車輪切割磁感線（新添），原有發(fā)電機內(nèi)能轉(zhuǎn)化。

車輪切割磁感線功率：P = （2）

（注：E=NBLV 在銣鐵硼永磁鐵中，B的大小在0.01-0.6左右，假設(shè)汽車以70Km/h行駛時計算而得。）

原有的靠發(fā)電機內(nèi)能轉(zhuǎn)化三相發(fā)電機功率：P =1.732E IcosΦ （3）

對上式三相永磁發(fā)電機的借鑒研究基礎(chǔ)上，我們大概的算出了汽車若一天行駛6小時，那么產(chǎn)生的電能為1500W.h，約為1.5度電。

磁電轉(zhuǎn)換的理論計算確定后，結(jié)合實驗的需要和目的，選用的實驗參數(shù)如下：對于一般的汽車，車輪半徑以0.35m來計算，且導(dǎo)線長度以0.25m為準(zhǔn)。在銣鐵硼永磁鐵中，B的大小在0.01-0.6左右。所以，當(dāng)汽車以70Km/h行駛5小時時，估算得W=. 。

3.2.3 光電轉(zhuǎn)換部分：

在標(biāo)準(zhǔn)環(huán)境下：太陽光照Ф=1000w/㎡；太陽能電池板25℃；

硅太陽能電池板轉(zhuǎn)化率λ1=18%；充電控制器效率λ2=95%；逆變器工作效率為λ3=90%；

平均每天有效光照T=5h；設(shè)車頂面積S=2.5m^2

根據(jù)公式： （5）

由W=P*T知；故一天的總發(fā)電量

D=S*P*T=S*Ф*λ1*λ2*λ3* T =2.5*154*5=1925Kw.h （6）

表一：節(jié)能系統(tǒng)的產(chǎn)電量

（tabel1：The amount of energy saving control system）

車輛平均風(fēng)速

（m/s） 風(fēng)電日均發(fā)電量（Kw.h） 光電日均發(fā)電量（Kw.h） 磁電日均發(fā)電量（Kw.h） 系統(tǒng)日均發(fā)電量（Kw.h）

18 0.2 1.9 1.5 3.6

4 思考與討論

通過實驗結(jié)果的理論分析和計算，我們將現(xiàn)有的風(fēng)光互補系統(tǒng)進(jìn)行了合理化的改進(jìn)，優(yōu)化成適應(yīng)于汽車節(jié)能的新型風(fēng)光磁集能控制系統(tǒng)，我們可以看出一輛普通型的汽車在此系統(tǒng)下即可在一天時間內(nèi)產(chǎn)生大約3.6度的電能，其帶來的環(huán)保效益不言而喻，對于這一節(jié)能系統(tǒng)的適用范圍，我們認(rèn)為其在未來發(fā)展?jié)摿薮蟮姆寇囶I(lǐng)域可得到應(yīng)用。

5 結(jié)論

市場上關(guān)于節(jié)能汽車的利用只是單方面的針對某一方面進(jìn)行改進(jìn)，本設(shè)計創(chuàng)新性地將幾大能量結(jié)合起來，設(shè)計出一款集節(jié)能，環(huán)保，高效于一體的新型風(fēng)光磁系統(tǒng)，該系統(tǒng)在現(xiàn)有的風(fēng)光互補系統(tǒng)中做了相關(guān)優(yōu)化設(shè)計使其能更好地應(yīng)用到汽車節(jié)能系統(tǒng)上，該設(shè)計在市場上還從未提及過，本設(shè)計實屬本小組原創(chuàng)作品，根據(jù)本文的探究，我們可以巧妙的將汽車運行過程中的風(fēng)能，太陽能，機械能合理高效地利用儲存起來，這在現(xiàn)在日益發(fā)展的房車?yán)锔勺鳛殡娔軄碓词褂?，為未來汽車?chuàng)新與設(shè)計提供一種新的思路和想法，由于該實驗輒需的相關(guān)工程量條件比較大，我們只做了該系統(tǒng)的理論分析和計算，故而無法提供相關(guān)的實驗數(shù)據(jù)，實際操作也可能還存在很多不足，也希望讀者能夠指出錯誤以加以改進(jìn)。

參考文獻(xiàn)：

[1] 張鵬飛，張子亮，張鵬，張宇，呂襲明，劉紀(jì)元，史慶潘.小型風(fēng)光互補發(fā)電演示裝置.物理實驗.2013，（32）：23-32.

[2] 王瑜，黎燦兵，蘇喆，曲芳，風(fēng)光聯(lián)合供能系統(tǒng).河南電力，2008，13（3）：13-16.

[3] 郭繼高.風(fēng)能發(fā)電小型風(fēng)能發(fā)電及其發(fā)電機，微特電機，1999，1（5）：39-42.

[4] 史立偉，張學(xué)義，汽車用42V永磁發(fā)電裝置參數(shù)計算與設(shè)計.微電機.2008.41（2）：19-21.

[5] 夏云.摩托車用三相永磁同步發(fā)電機的分析和設(shè)計.微電機，2001，34（2）：15-18.

[6] 張憲東，張金廣，劉彩鳳，孫利英.小型風(fēng)機轉(zhuǎn)速控制技術(shù)在風(fēng)光互補系統(tǒng)中的應(yīng)用，太陽能工程：63-68.