電動汽車風能利用裝置及其特性的研究

張 麗，楊 瑞，寧 鵬

(東北林業大學交通學院，哈爾濱150040)

隨著能源危機和環境惡化問題的日益加劇，我國大力倡導新能源汽車的開發，電動汽車的發展也因此備受關注［1］。目前，市場上最常見的電動車里程在120～160 km之間，續航里程短是電動汽車的一大瓶頸，改善這一問題至關重要。

風能利用裝置將風力發電技術引用到汽車上提高續駛里程，相對于通過提高電池能量密度，合理的外觀設計、制動能量回收等方法更有效，有利于可持續發展［2］。汽車在行駛過程中會受到風阻，車速越大風阻越大，將風的阻力利用起來產生電能，驅動風力發電機，當電動汽車需要充電時就可以及時給蓄電池充電。風機結構及其布置形式對風能的利用率、行駛中的能量損耗和外形美觀影響重大，要求合理的設計。同時，應對裝置能量轉化時的工作特性及整個系統的穩定性進行研究，最終實現風能的轉換利用。

1 裝置的主要結構和工作原理

本裝置不同于一些車載式風能利用裝置，它主要用于電動汽車上，體積小、結構簡單、并且不增加車輛的迎風面積，因此對各組成部分的性能要求也較高［3-4］。發電機可以選用永磁式交流發電機，它具有體積小、效率高、低速發電性能好、穩壓精度高等特點，有利于提高風能的利用率。

1.1 風力發電機的總體結構

風能的轉換成電能是通過風力發電機實現的，風力發電機由葉片、前罩、永磁式發電機和安裝軸等組成，它的整體結構示意圖如圖1所示。

圖1 風力發電機結構示意圖Fig.1 Schematic structure of wind generator

行駛過程中的風阻主要取決于風阻系數，由空氣動力學可知如果物體外結構增大，會使得迎風面積增加，風阻系數增大，從而導致風阻劇增［5］。為了減小風阻損耗，可以考慮將裝置安置在車身內部，與車身成為一個整體，當然，這樣的話裝置的體積就受到一定的限制。因此，裝置功能的實現，關鍵在于風力發電機葉片的設計。

1.2 風輪的葉片設計

風力發電機有水平軸式的和垂直軸式的，考慮到風力主要來自與前方，并且車輛起步能迅速達到較高車速，采用水平軸式的風力發電機更好。對于水平軸式的葉輪設計，普遍采用動量-葉素理論，即可以根據Glauert和Wilson法來設計出適合本裝置的葉片［6］。計算葉片直徑的公式為［7］:

式中:D為葉片直徑m;P為風力發電機的功率w;ρ為空氣密度，kg/m3;V為風速m/s;Cp為風能利用系數;η為總的傳遞效率;η1為傳動鏈的效率;η2為發電機的效率。

中國百瓦級的風力發電機的風能利用系數為0.2～0.3，在設計時風能利用系數可取0.29。常溫下空氣密度為1.21～1.25 kg/m3，總的傳動效率在初設計時一般選在0.81左右。當發電機的功率取300w，V取20 m/s，ρ取1.25，η取0.75時，由上述計算公式得出葉片直徑［6-7］:

改變風力發電機的功率，按同樣的方式進行計算，并進行對比，選出適合的本裝置的直徑。分別取P為100、200、400、500W，計算結果見表1。

表1 風輪葉片計算直徑Tab.1 The calculated diameter of the turbine blade

電動汽車的散熱器寬度為70～80 mm，高度為40～60 mm，根據不同的車型，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

整置主要由小型風力發電機、整流器及控制系統組成，安裝在汽車內，利用可再生資源風能產生電能，用于供電。

根據能量守恒定律，車輛啟動后，與風產生相對運動，當風速達到風機的啟動速度一般為1～3 m/s(車速達到4～10 km/h)時就可以驅動葉輪旋轉，葉輪將捕獲的風能轉變成機械能，然后通過齒輪箱傳遞給發電機，最終產生電能［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改變檔位、天氣影響、啟動時加速、制動時減速等多方面的影響，會導致產生的電流大小會隨之波動，這時裝置中的整流器就發揮了巨大的作用。當風力發電機工作時，會輸出電流，當控制系統接收到電流和充電信號后就會發出整流信號，此時常開開關閉合，整流器工作，并輸出穩定的電流為蓄電設備和用電設備供電。整個系統的工作示意圖如圖2所示。

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

2 實驗設計

2.1 實驗方案

圖3為整個實驗所用到的裝置，將型號為M-300，輸出電壓為12V，直徑為0.82 m的6葉片風力發電機如圖3(a)所示，固定在設計的三角支架上，然后置于皮卡車圖3(b)的車廂內，在實驗林場上對裝置進行功率特性實驗。整個過程需用萬用電表測量不同工況下的電流電壓，記錄好相應的數據，再應用公式P=IU計算得出相對應的功率。該型號的風力發電機的啟動風速為1 m/s，車輛啟動后，慢慢加速到一定的速度，待車速穩定，記錄好初始數據，然后，汽車逐漸加速，直到車速達到100 km/h，獲得最后一組數據，實驗結束。將得到的實驗數據進行處理分析，最終繪制出速度與輸出功率和電流的關系圖，分析驗證風能利用的可行性。車速每提升10 km/h就記錄一次萬用表的示數，圖3(c)是應用Catpart軟件設計的支撐架的結構圖，用于將裝置固定在車廂內。實驗時，應盡量選擇無風的天氣，減小側面的風對實驗數據的影響。

圖3 實驗裝置圖Fig.3 The experimental device

2.2 數據處理與分析

多次進行實驗，然后取相應的平均值，獲得數據，整理后再將統計的數據(見表2)應用Matlab軟件繪制出風力發電機的輸出特性的關系曲線圖P-V和I-V，如圖4所示［5］。隨著車速的不斷提高，風力發電機輸出的電流不斷增大［9］，輸出功率也隨之增大。對于電動車，一度電可均衡放電100 km左右。

蓄電池充入的電量Q的計算公式為:

式中:I為充電電流A;U為充電電壓V;t為充電的時間h。

根據《中華人民共和國道路交通實行條例》安全速為30 km/h，那么，通過上述電量計算公式，可知使用本裝置在城市道路上行駛每小時可節約電0.04～0.08度，公路限速為40 km/h，可節約電0.08～0.09度/h;在同方向只有一條機動車的城市道路和公路上行駛1 h，可分別節約電0.8～0.15度和0.15～0.27度;在高速公路上行駛每小時可以節約電0.28度左右;由此可見，該裝置能夠改善汽車使用的經濟性，實現節能環保。在不同車速下，風力發電機的輸出電流和功率變化可見表2和如圖4所示。

表2 數據統計Tab.2 Statistical data

電動汽車的用電設備如空調暖機、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的滑動變阻器和1個LED燈與風力發電機串聯。將電阻調為600 Ω，在不同風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 風力發電機的輸出特性圖Fig.4 The output characteristics diagram of wind turbines

表3 數據統計Tab.3 Statistical data

圖5 負載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

通過利用風力發電機固定在車上進行風能轉化，進行多次實驗，測取多組數據，再將數據進行處理分析，可知裝置輸出的為恒壓約12 V，風力發電機的輸出功率與汽車行駛的車速呈正相關，并且滿足對于12 V的電瓶，最大電流為30 A，最大功率為360 W的基本要求，可以實現裝置為汽車蓄電池充電的功能，也能實現直接用于負載供電，驗證了裝置風能轉化的可行性。由風速與汽車行駛中的車速是相對的，由于車輛行駛大部分受到的是正面迎風，風速基本上等于車速［11］，根據能量守恒定律，風能部分轉化成電能，風能越大，越多的動能可以轉化成電能，風力發電機發電機的輸出功率也就越大［6］。

能源危機潛在的威脅著人類的生存，隨著人們生后水平的提高，汽車的使用會越來越普遍，必然會導致能源的大量消耗，不利于人類社會的可持續發展，因此推廣新能源汽車是今后汽車行業發展的一大趨勢。通過合理的設計風力發電機的結構以及安裝位置，將風能發電機技術應用到汽車上是可以實現的，尤其是對于電動汽車，能很好地改善續駛里程短的不足，更重要的是如果得到廣泛應用，可以很好的緩解能源危機［1］。當然，對于裝置的內部結構和導流抑阻等發面，仍須進行更加深入的研究，通過仿真設計出適合汽車使用的風力發電機和內部增設導流裝置減小行駛中的風阻。同時，還應考慮輸出脈沖穩定的控制，保證裝置充電的使用壽命。

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