基于風光能互補系統的新型節能汽車能源收集系統

陳浩　張帥宇　王雨（重慶交通大學，重慶 402247）

基于風光能互補系統的新型節能汽車能源收集系統

陳浩張帥宇王雨
（重慶交通大學，重慶 402247）

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，針對未來節能汽車的能源收集問題，優化設計一種能夠穩定輸出的風光磁互補系統，該互補系統在現在既有的風光互補系統中做了相關優化設計。通過模型的量化計算，證明了該設計輸出穩定，能夠有效降低環境污染，非常符合未來汽車供電系統的發展趨勢。

風光磁互補系統 太陽能發電 風力發電 磁能發電

1　引言

隨著人們生活水平的提高及科技技術與經濟工業的高速發展，汽車工業也隨之帶動起來，能源和環境是制約我國經濟，社會發展的主要障礙，可再生能源的綜合利用將起到越來越重要的作用，然而由經濟發展帶來的各類能源危機問題層出不窮，我們小組在現有的風光系統中優化設計出一款適應汽車節能的風光磁互補系統，該系統可智能化處理各輸入端不穩定的電流為穩恒電流再向蓄電池輸入，通水也可防止電池過充現象的發生，本文就節能汽車能源充分利用問題做出相關探究，圖1為構想的系統安裝的位置剖面圖，該新型汽車能源收集系統主要分四個方面探究：

（1）利用汽車前進的風阻力作為動力發電并儲存在蓄電池內。

（2）利用天然太陽能產生的能力作為動力發電并儲存在蓄電池內。

（3）利用車輪轉動切割磁感線產生電流發電并儲存在蓄電池內。

（4）設計一款能系統化處理風光磁三大能量的處理系統。

2　理論模型（實驗方法）

由圖2可看出，本系統巧妙的將風能，太陽能以及電磁能結合起來，下面我們就這三條發電線路以及最后的輸出電流做一些相關的探究：

2.1風力發電機發電支線：（置于車頭）

風力發電機是將風能轉化為電能的裝置，從能量裝換的角度來看，風力發電機由兩大部分組成：其一是風力機，它的功是能將風能轉化為機械能；其二是發電機，它的功能是將機械能轉化為電能，發電機理：汽車行駛過程中，產生的風的阻力通過車頭進入車身推動葉片轉動，葉片內部切割磁感線產生電流，由發電機輸出不穩定的輸出電壓，然后再通過二極管（防止電流倒流），穩壓器（將電壓調至蓄電池標準輸入電壓輸出）與控制電路（保護電路）等進入蓄電池內儲存起來，以達到回收能源的作用，而且在現在日益興起的電動汽車里面還可以作為二次動力電能使用。

2.2相發電機發電支線：（置于車輪）

發電原理：汽車在行駛的時候四輪是在快速轉動，如果我們將導線固定在四輪上，以車輪的轉動帶動導線的運動來切割磁感線那么回路就會有電量產生。當汽車自由滑動時車輪快速轉動的機械能轉化為電能，當汽車在下坡路行駛時勢能轉化為動能，動能再轉化為電能，那么在汽車原供電系統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電機內能轉化而提供的。當汽車出現蓄電池過充現象的時候，單片機通過啟動PWM卸荷方式將多余的能量在電阻中進行消耗，同時通過調整磁電中的線圈匝數以達到對能量進行削減的作用。

2.3太陽能發電支線：（置于車身）

將太陽能發電利用在汽車上，使用太陽能電池把光能轉化成電能，電能會在儲電池中存起備用，用來供應汽車各種電能需求，隨著全球經濟和科學技術的飛速發展，太陽能的利用已經不是一個神話。太陽能電池依據所用半導體材料不同，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，轉化率大概為18%。我們將車頂（S=2.5㎡）放置硅太陽能電池板，經過充電控制器、逆變器后進入蓄電池，用以供應汽車各種電能需求。

3　實驗系統及理論運算

3.1實驗系統設計

風光磁互補系統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，它負責整個系統的控制工作，是控制核心部分，其外圍電路包括電壓、電流采樣電路，功率管驅動電路，保護電路，通信電路，輔助電源電路等。風力發電機輸出的三相交流電接U、V、W，經三相補控整流器整流和電容穩壓后給蓄電池充電，風力發電機接卸荷電阻，當風速過高時，風力發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，磁力發電機接卸荷電阻和調整撥片器上，當蓄電池過充的時候，單片機輸出脈沖（PWM）來控制開通，通過減少磁場線圈匝數和消耗熱量來減少能量。

為此我們設計了一款風光磁互補系統：白天太陽光強，風一般小，晚上沒有陽光，風一般大，太陽能和風能，而且對于汽車只要在行駛車輪就必定會轉動，風光磁在時間上的互補性使風光磁互補系統在資源上具有最佳的匹配性，因此風光磁發電系統是資源條件最好的獨立電源系統。如圖3。

它可實現以下功能：（1）風力發電機，太陽能，磁力發電機總充電流小于額定電流時，風機，太陽能和電磁能的全部能量給蓄電池充電，當風機，太陽能和電磁能的全部能量小于限電流時，系統直接為蓄電池充電，當風機，太陽能和電磁能的全部能量大于限電流時，單片機感應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力發電機“剎車”，磁力發電機通過PWM方式啟動撥片，減小匝數以達到減小發電量的效果。（2）磁電限速保護：當蓄電池處于過充狀態時通過PWM卸荷給發電機一個反向磁阻力矩，大幅增加發電機所消耗的功率，使之大于風輪和電磁轉機的輸出功率，從而使風輪轉速降低，減小其吸收的能量，從而進一步減低風輪轉速，為此連鎖作用所產生的實際效果是減速而不是限速。

3.2理論運算：

風電轉換部分：風力發電主要分風力機和發電機兩部分組成，核心動力裝置就是風葉片部分，風力發電機葉片的工作效率可表示為：

其中P為葉片發電效率，v為額定風速，D為風輪直徑，Cp是功率系數（一般取0.35）。

磁電轉換部分：其電能來源分為兩部分：車輪切割磁感線（新添），原有發電機內能轉化。

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

原有的靠發電機內能轉化三相發電機功率：P2=1.732E0Icos Φ （3）

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

在標準環境下：太陽光照Ф=1000w/㎡；太陽能電池板25℃；

硅太陽能電池板轉化率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；設車頂面積S=2.5m^2

根據公式：P=Φλ1λ2λ3（5）

由W=P*T知；故一天的總發電量

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

表一:節能系統的產電量（tabel1:The amount of energy saving control system）

4　思考與討論

通過實驗結果的理論分析和計算（祥見表一），我們將現有的風光互補系統進行了合理化的改進，優化成適應于汽車節能的新型風光磁集能控制系統，我們可以看出一輛普通型的汽車在此系統下即可在一天時間內產生大約3.6度的電能，其帶來的環保效益不言而喻，對于這一節能系統的適用范圍，我們認為其在未來發展潛力巨大的房車領域可得到應用。

5　結論

市場上關于節能汽車的利用只是單方面的針對某一方面進行改進，本設計創新性地將幾大能量結合起來，設計出一款集節能，環保，高效于一體的新型風光磁系統，該系統在現有的風光互補系統中做了相關優化設計使其能更好地應用到汽車節能系統上，該設計在市場上還從未提及過，本設計實屬本小組原創作品，根據本文的探究，我們可以巧妙的將汽車運行過程中的風能，太陽能，機械能合理高效地利用儲存起來，這在現在日益發展的房車里更可作為電能來源使用，為未來汽車創新與設計提供一種新的思路和想法，由于該實驗輒需的相關工程量條件比較大，我們只做了該系統的理論分析和計算，故而無法提供相關的實驗數據，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。

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