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，此系統利用摩托車尾氣余熱發電，還有通過切割磁感線供能，環保節能。創新性將摩托車迎面吹過的風，經過過濾，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提前設定溫度，智能維持頭盔內部溫度及風量大小，保障駕駛安全。

關鍵詞：除霧霾；余熱發電；發電機；節能減排；自動化控制

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

1 研制背景及意義

眾所周知，節約資源和保護環境是我國的基本國策，我國能源消費總量極其龐大，節能減排形勢極其嚴峻。特別是車輛的能源利用率相當的低，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，不僅污染環境而且提高周圍溫度。對于摩托車駕駛人員來講，夏季炎熱，騎行中極易中暑。冬季騎行更是一種煎熬。

2 設計方案

2.1 半導體溫差發電系統

該系統是利用摩托車排氣筒高溫與環境空氣的低溫將熱能轉換為電能的發電裝置。由于它的特性，它不需要產生化學反應并且機械裝置固定，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。

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

2.1.1 設計STM串并矩陣與穩壓充電電路實現給蓄電池充電

溫差發電裝置產生的是直流電，由于產生的電是不穩定的直流電，只有讓負載的阻抗與電源等效內阻匹配，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阻達到匹配。我們設計了12V/7A的蓄電池充電STM串并矩陣和與穩壓電路和二階段恒流限壓式充電來保護電路。

2.1.2 溫差發電模塊串并矩陣

根據實際數據，測量得到穩壓電路與充電電路給蓄電池充電時其等效輸入內阻為5～12？贅。單個STM的等效內阻約為6～8？贅，所以最后采用了三組并聯的半導體溫差發電矩陣。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塊左右溫差發電片用導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 切割磁感線發電系統

本文采用了一種切割磁感線的摩托車發電設備，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生電流，對蓄電池源源不斷充電。該裝置是一種無摩擦發電方式，不會磨損輪胎，幾乎不產生阻力，給我們的裝置提供輔助電力。

2.2.1 發電效率分析

磁感應強度B=E/LV，其中為感應電動勢，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生的感應電動勢E，可得出不同直徑線圈下產生的磁感應強度。通過比較不同直徑線圈下產生的電壓、電流和功率，選擇最合適的線圈直徑。由于感應電動勢E與磁感應強度B、線圈長度L、切割速度V成正比，所以可以根據騎車人的情況，調整相應的參數，從而提高發電效率。

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起來進入穩壓模塊。

（2）穩壓模塊

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定，不能直接供蓄電池使用，需要通過穩壓模塊后才能給蓄電池充電，進而供用電器使用。穩壓模塊是非隔離降壓恒流、恒壓模塊，其中輸入電壓為6-36V，輸出電壓為連續可調（4-26V），轉換效率為82%。

（3）實驗結果分析

在相同速度下，利用萬用表測試不同直徑線圈通過整流、穩壓后的電壓、電流和功率的值，經過對比選擇更加合適的線圈。由于實驗設備原因，系統以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 穩壓電路

無論是由溫差發電裝置還是切割磁感線裝置進行發電，得到的電壓都是不穩定的，所以必須通過一組穩壓裝置將斷續的直流電源轉化為可以給制冷加熱裝置持續保障的電源。由于每塊溫差發電片的效率比較低，可在串聯所有電源后的線路中接入三相穩壓電路或者穩壓芯片LM2577215，這樣既能保護電路又可以為系統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，充放電的不穩定嚴重的破壞其內部的化學反應，不充分的化學反應產生有害物質，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。

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，本設備安裝在摩托車上，摩托車高速行駛時吹過的風吹入裝置前的風扇，將風高速的導入過濾裝置，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，然后導入半導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構。并且可以調節溫度，過濾空氣，制冷與加熱設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。

2.4 頭盔結構

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，并且保持頭盔內部溫度，由于是處理好的風通過管道輸送至頭盔，所以不會產生較大安全問題。輸送管道與頭盔為可拆卸式，提供設備的靈活性。為避免風直接吹上車手的頭部，造成車手過冷或過熱的不適。在頭盔外殼與內部內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為整個頭盔加熱或降溫。并且為了避免頭盔內外溫差造成擋風玻璃形成露珠影響視線，將風一部分持續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 創新點及展望

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

能源問題已經是全世界關注的一個焦點問題，而本系統的設計正是迎合了節能的需求，并且對環境無害。該作品現可用于摩托車，具有良好的節能效果。經過進一步的開發及改造，可以將此作品應用到大量摩托車中。

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