風電混合動力微型車設(shè)計

邊國俐 徐亞龍 羅子卓

摘 要：電動車由于電池技術(shù)的制約下，續(xù)航里程還無法達到理想水平。本論文旨在設(shè)計一款風電混合動力微型車，以達到降低行駛耗能，充分利用發(fā)電能源來提高電動車的續(xù)航里程。根據(jù)國內(nèi)外文獻和實際測量研究分析，本文從風能發(fā)電機結(jié)構(gòu)、風能回收率與車速關(guān)系以及制作簡單的汽車模型，從而實現(xiàn)風電混合動力微型車的設(shè)計。

關(guān)鍵詞：風力發(fā)電機；葉扇；保護系統(tǒng)

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2018.16.052

1 發(fā)電機葉扇設(shè)計

作用在葉素上的力可按入流速度的方向分為兩個力，F(xiàn)d與入流方向平行，F(xiàn)i與入流速度垂直Ci（α）為升力系數(shù)、Cd（α）為阻力系數(shù)，所以與入流方向垂直的力Fi為升力，與入流方向平行的力Fd為阻力，由公式得：

貝茲理論是風力發(fā)電中關(guān)于風能利用效率的一條基本的理論，它由德國物理學家Albert Betz于1919年提出，用于計算在理想情況下，風能的最大利用率，在計算時，將風力發(fā)電機簡化的看成一個單元管。

由兩式綜合可得風能的最大利用率在理想狀態(tài)下為0.593，但是在實際情況下由于存在各種因素，風能利用率往往不能達到最大利用率，但經(jīng)過國內(nèi)外研究文獻，可得知實際風能利用率在0.3-0.6之間，在設(shè)計模型車葉片面積時暫時使用計算的最大利用率，根據(jù)模型車實際數(shù)據(jù)反饋再做修改。

在得出公式后風速的測試，根據(jù)我國氣候環(huán)境的特點，測試時一律選擇在無風的環(huán)境下測試，同時為了計算方便，測試路段全都選用為直線，將風速儀安裝在車頂上直接測量風速，由于路面凹凸程度不同所以，讓車子在路面比較平穩(wěn)、不同的直線路面多次測量取平均值來作為最終結(jié)果，測試結(jié)果如下：

在無風的情況下風速跟車速的比值大概在0.5左右，隨著車速增加比值也增加，當車速達到40km/h時風速與車速比值達到一個閾值，大概在0.54左右，所以實際風速計算時可按車速的0.54倍來計算。

總結(jié)：綜合上述的公式計算和實際風速測量，可以計算理論上扇葉的面積角度和在不同風速下輸出的功率，還有扇葉轉(zhuǎn)動可以產(chǎn)生的扭矩，為齒輪箱齒輪設(shè)計提供條件。

2 小型發(fā)電機結(jié)構(gòu)設(shè)計

風力發(fā)電機的結(jié)構(gòu)多種多樣，但總結(jié)歸納起來大體分為兩種：①水平軸風力發(fā)電機；②垂直軸風力發(fā)電機。

垂直軸風力發(fā)電機的風輪旋轉(zhuǎn)方向與風向垂直，扇葉的設(shè)計也依靠葉素理論和貝茲理論，而且在實際應(yīng)用上，垂直軸發(fā)電不受風向改變的影響，輸出功率也就不會被車輛拐彎或風向改變影響，葉片設(shè)計一般為直葉片沒有角度彎曲，各個截面相同，但是垂直軸發(fā)電機對風能的利用率沒有水平軸高，而且結(jié)構(gòu)設(shè)計上所需空間比較大，在普通的電動車上不好設(shè)計安裝。

水平軸風力發(fā)電機的風輪旋轉(zhuǎn)方向與風向平行，大多數(shù)風力發(fā)電機的設(shè)計都采用水平軸，目前水平軸風力發(fā)電機的研究比垂直軸的要成熟，水平軸風力發(fā)電機結(jié)構(gòu)設(shè)計簡單，適合運用于各種大小型發(fā)電機，在原有的電動車結(jié)構(gòu)上不需要太大改動即可加入小型風力發(fā)電機用以回收風能，而且風能利用率最高可達到理想狀態(tài)下的0.593，根據(jù)國內(nèi)外目前實際研究測量，在實際情況下利用率平均可以在0.4以上。

水平軸風力發(fā)電機又有升力型和阻力型之分。阻力型的轉(zhuǎn)速低，風能利用率比較低，而升力型轉(zhuǎn)速高，風能利用率比較高，葉尖速比通常在4以上，是大多數(shù)水平軸發(fā)電機采用的結(jié)構(gòu)，所以我們設(shè)計時采用水平軸升力型發(fā)電機。

總結(jié)：在確定發(fā)電機的結(jié)構(gòu)型號下，再綜合扇葉的結(jié)構(gòu)參數(shù)，來設(shè)計發(fā)電機齒輪箱，從而實現(xiàn)在日常車速下發(fā)電機能給電池充電。

3 保護系統(tǒng)

因為在實際路況和實際環(huán)境下，由于路面不平，彎道較多或者是自然風風速大小不穩(wěn)定，都會導致發(fā)電機輸出功率的浮動，從而輸出的電壓不穩(wěn)會導致對電池的損害，所以在發(fā)電機里要安裝小型穩(wěn)壓器用來固定功率輸出從而保護電池。在實際路況中，還可能會遇到迎面風速很大的情況，風速過大再加上車輛本身車速行駛所產(chǎn)生的風速，發(fā)電機可能會產(chǎn)生超過小型變壓器的額定電壓，所以要在齒輪箱跟扇葉之間加裝一個轉(zhuǎn)速傳感器，傳感器連接車輛的ECU，用以監(jiān)控扇葉轉(zhuǎn)速，當扇葉轉(zhuǎn)速過高時，ECU切斷發(fā)電機與穩(wěn)壓器的連接，暫時停止電流通過穩(wěn)壓器，等轉(zhuǎn)速回復到安全數(shù)值在連通發(fā)電機和穩(wěn)壓器。

總結(jié)：在發(fā)電機和扇葉都設(shè)計完成后，在通過實際測量得到轉(zhuǎn)速的安全范圍后，進行轉(zhuǎn)速傳感器的設(shè)計與編程，最后計算發(fā)電機正常工作輸出功率范圍，用以設(shè)計穩(wěn)壓器。

4 全文總結(jié)

（1）本文先通過對扇葉的設(shè)計計算得出相應(yīng)的數(shù)據(jù)，用風速儀在實際路況和實際環(huán)境下，測量風速，以供后面設(shè)計步驟提供數(shù)據(jù)條件。計算時都是在理想狀態(tài)下，所以設(shè)計制造出實物后還要根據(jù)實際測量數(shù)據(jù)，對設(shè)計進行調(diào)整。

（2）在完成扇葉的設(shè)計后，得到扇葉面積、扭矩和轉(zhuǎn)速等詳細參數(shù)后，根據(jù)所選取的發(fā)電機的種類型號來制作齒輪箱的齒輪，使發(fā)電機能在正常車速范圍下工作。

（3）在正常情況工作時，還需穩(wěn)壓器控制輸出功率，從而保護電池，在非正常情況下需要傳感器監(jiān)控，從而對發(fā)電機起到保護作用。

（4）本文對發(fā)電機的設(shè)計結(jié)構(gòu)概念簡圖如下：

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本文系2017年廣西科技大學自治區(qū)級大學生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓練計劃項目“風電混合動力微型車設(shè)計”成果。項目編號：201710594227