新型加熱及制冷除霧霾智能頭盔

陳瑜　曾贏　羅志鵬

摘 要：本項目為新型加熱及制冷除霧霾摩托車頭盔系統(tǒng)，此系統(tǒng)利用摩托車尾氣余熱發(fā)電，還有通過切割磁感線供能，環(huán)保節(jié)能。創(chuàng)新性將摩托車迎面吹過的風(fēng)，經(jīng)過過濾，加熱或者制冷處理，輸送至頭盔，為頭盔提供舒適的溫度。并且通過手機app提前設(shè)定溫度，智能維持頭盔內(nèi)部溫度及風(fēng)量大小，保障駕駛安全。

關(guān)鍵詞：除霧霾；余熱發(fā)電；發(fā)電機；節(jié)能減排；自動化控制

中圖分類號：TM61 文獻標(biāo)志碼：A 文章編號：2095-2945（2017）36-0009-02

1 研制背景及意義

眾所周知，節(jié)約資源和保護環(huán)境是我國的基本國策，我國能源消費總量極其龐大，節(jié)能減排形勢極其嚴峻。特別是車輛的能源利用率相當(dāng)?shù)牡?，燃油燃燒的能量大約50%通過熱量散失，其中大部分又通過高溫的尾氣排出，不僅污染環(huán)境而且提高周圍溫度。對于摩托車駕駛?cè)藛T來講，夏季炎熱，騎行中極易中暑。冬季騎行更是一種煎熬。

2 設(shè)計方案

2.1 半導(dǎo)體溫差發(fā)電系統(tǒng)

該系統(tǒng)是利用摩托車排氣筒高溫與環(huán)境空氣的低溫將熱能轉(zhuǎn)換為電能的發(fā)電裝置。由于它的特性，它不需要產(chǎn)生化學(xué)反應(yīng)并且機械裝置固定，使用壽命長，無任何噪音，體積重量小，磨損小。所以對本裝置很實用。

我們采用的半導(dǎo)體溫差發(fā)電片的尺寸是45mm×45mm×5mm，共有126對PN結(jié)，具有耐高溫特性，靠近排氣筒的熱端穩(wěn)定工作溫度可以達200℃以上，理論能夠承受的最高溫度為370℃。

2.1.1 設(shè)計STM串并矩陣與穩(wěn)壓充電電路實現(xiàn)給蓄電池充電

溫差發(fā)電裝置產(chǎn)生的是直流電，由于產(chǎn)生的電是不穩(wěn)定的直流電，只有讓負載的阻抗與電源等效內(nèi)阻匹配，才能讓電源的輸出功率達到最大值。因此為了提高STM的效率，外接負載也要與STM組成的矩陣的等效內(nèi)阻達到匹配。我們設(shè)計了12V/7A的蓄電池充電STM串并矩陣和與穩(wěn)壓電路和二階段恒流限壓式充電來保護電路。

2.1.2 溫差發(fā)電模塊串并矩陣

根據(jù)實際數(shù)據(jù)，測量得到穩(wěn)壓電路與充電電路給蓄電池充電時其等效輸入內(nèi)阻為5～12？贅。單個STM的等效內(nèi)阻約為6～8？贅，所以最后采用了三組并聯(lián)的半導(dǎo)體溫差發(fā)電矩陣。最后給蓄電池充電的功率基本上與STM矩陣匹配了，約為4W。

2.1.3 安裝方法

我們將20塊左右溫差發(fā)電片用導(dǎo)熱硅膠粘貼在尾氣排氣筒上，增加對尾氣溫度的利用率。將冷熱裝置系統(tǒng)安裝在摩托車前端的車翼骨架上，裝置把處理過的空氣通過軟管送至頭盔。

2.2 切割磁感線發(fā)電系統(tǒng)

本文采用了一種切割磁感線的摩托車發(fā)電設(shè)備，主要是將一圈強磁鐵固定在車輪輻條上，在摩托車行駛中通過磁鐵切割磁感線產(chǎn)生電流，對蓄電池源源不斷充電。該裝置是一種無摩擦發(fā)電方式，不會磨損輪胎，幾乎不產(chǎn)生阻力，給我們的裝置提供輔助電力。

2.2.1 發(fā)電效率分析

磁感應(yīng)強度B=E/LV，其中為感應(yīng)電動勢，可用萬用表測出；L為切割磁感線的線圈長度，可以通過測量線圈的電阻R和截面積S，由公式L=RS/ρ計算得出；V為線圈切割磁感線的速度，給定不同的速度V，測出不同直徑線圈下產(chǎn)生的感應(yīng)電動勢E，可得出不同直徑線圈下產(chǎn)生的磁感應(yīng)強度。通過比較不同直徑線圈下產(chǎn)生的電壓、電流和功率，選擇最合適的線圈直徑。由于感應(yīng)電動勢E與磁感應(yīng)強度B、線圈長度L、切割速度V成正比，所以可以根據(jù)騎車人的情況，調(diào)整相應(yīng)的參數(shù)，從而提高發(fā)電效率。

2.2.2 沖放電裝置

（1）整流模塊

由于線圈切割磁感應(yīng)線速度的大小和方向是隨時間周期性變化的，因此電流也隨時間作周期性變化，所以需要使用整流橋把交流電轉(zhuǎn)換為直流電，把安裝的3線圈分別連接在3個整流橋上，然后把整流橋輸出的直流電串聯(lián)起來進入穩(wěn)壓模塊。

（2）穩(wěn)壓模塊

由于摩托車的速度是不勻速的，所以通過整流橋后的電壓不穩(wěn)定，不能直接供蓄電池使用，需要通過穩(wěn)壓模塊后才能給蓄電池充電，進而供用電器使用。穩(wěn)壓模塊是非隔離降壓恒流、恒壓模塊，其中輸入電壓為6-36V，輸出電壓為連續(xù)可調(diào)（4-26V），轉(zhuǎn)換效率為82%。

（3）實驗結(jié)果分析

在相同速度下，利用萬用表測試不同直徑線圈通過整流、穩(wěn)壓后的電壓、電流和功率的值，經(jīng)過對比選擇更加合適的線圈。由于實驗設(shè)備原因，系統(tǒng)以30km/h的騎行速度進行了實驗驗證。由于實際生活中摩托車騎行速度更快，所以電壓、功率更高。

2.2.3 穩(wěn)壓電路

無論是由溫差發(fā)電裝置還是切割磁感線裝置進行發(fā)電，得到的電壓都是不穩(wěn)定的，所以必須通過一組穩(wěn)壓裝置將斷續(xù)的直流電源轉(zhuǎn)化為可以給制冷加熱裝置持續(xù)保障的電源。由于每塊溫差發(fā)電片的效率比較低，可在串聯(lián)所有電源后的線路中接入三相穩(wěn)壓電路或者穩(wěn)壓芯片LM2577215，這樣既能保護電路又可以為系統(tǒng)提供一個安全的電源。完成最終額定輸出12V/3A。

2.2.4 蓄電池充電保護電路

對于該系統(tǒng)來說，必須考慮的就是對摩托車原有蓄電池的保護，由于蓄電池工作原理很大程度上的限制了其使用壽命。蓄電池的充放電的方式就是其中影響因素之一，充放電的不穩(wěn)定嚴重的破壞其內(nèi)部的化學(xué)反應(yīng)，不充分的化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生有害物質(zhì)，致使蓄電池效率低下。為了解決這一問題，我們只需從充電的角度去衡量就可以。首先充電前必須安裝穩(wěn)壓裝置，我們采用二階段恒流限壓式給蓄電池充電，可以保持對蓄電池工作的合理性。其次就是盡量保持恒壓、恒流的狀態(tài)。

2.3 過濾空氣，制冷與加熱備裝置

本裝置的最終電力來自摩托車上面的蓄電池，本設(shè)備安裝在摩托車上，摩托車高速行駛時吹過的風(fēng)吹入裝置前的風(fēng)扇，將風(fēng)高速的導(dǎo)入過濾裝置，利用電除塵活性炭等一系列裝置，將霧霾空氣中大量塵埃過濾干凈，然后導(dǎo)入半導(dǎo)體制冷器或者加熱器。最后傳入頭盔，本裝置體積較小不會影響摩托車的結(jié)構(gòu)。并且可以調(diào)節(jié)溫度，過濾空氣，制冷與加熱設(shè)備與頭盔連接的輕型管道：由于管道較長在騎行過程中會搖擺不定造成車手駕駛困難。本管道上面會有固定裝備將管道固定在車手衣服上提高安全系數(shù)。

2.4 頭盔結(jié)構(gòu)

車手安全的最后保障，本頭盔采用較為封閉的頭盔，避免外部霧霾空氣流入，并且保持頭盔內(nèi)部溫度，由于是處理好的風(fēng)通過管道輸送至頭盔，所以不會產(chǎn)生較大安全問題。輸送管道與頭盔為可拆卸式，提供設(shè)備的靈活性。為避免風(fēng)直接吹上車手的頭部，造成車手過冷或過熱的不適。在頭盔外殼與內(nèi)部內(nèi)層之間安裝重量較低且無異味的管道，里面通入處理好的空氣。管道開出幾個小孔吹出風(fēng)為整個頭盔加熱或降溫。并且為了避免頭盔內(nèi)外溫差造成擋風(fēng)玻璃形成露珠影響視線，將風(fēng)一部分持續(xù)吹向玻璃使露珠形成不了。最后管道的末端開在車手嘴鼻附近，提供清新的空氣最后與車手呼出廢氣排出頭盔外部。

3 創(chuàng)新點及展望

我們利用摩托車尾氣大量的熱量節(jié)能環(huán)保，通過切割磁感線方式產(chǎn)生的電能也能為設(shè)備持續(xù)提供能量，加入除霧霾裝置更是有利于摩托車車手的健康。

能源問題已經(jīng)是全世界關(guān)注的一個焦點問題，而本系統(tǒng)的設(shè)計正是迎合了節(jié)能的需求，并且對環(huán)境無害。該作品現(xiàn)可用于摩托車，具有良好的節(jié)能效果。經(jīng)過進一步的開發(fā)及改造，可以將此作品應(yīng)用到大量摩托車中。

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