風光儲新能源動力小車

彭益松 范廣恒 石萬進

（揚州大學，江蘇 揚州 225000）

隨著人民生活水平的提高和需求的增加，機動車已經成為生活中不可或缺的組成成分。當前，我國環(huán)境污染問題的日益突出，機動車尾氣排放已成為空氣污染的主要來源。

在眾多因素的影響下，出行交通工具正迎來新的變革，以燃燒化石能源提供動力的機動車將會被使用新能源的交通工具所取代。目前，電網中的電能大部分是由煤炭轉化而來，在使用的同時也會帶來污染。因此利用電力驅動的電動車也不能算是綠色出行。實際上，風能如果經過恰當的利用，也可作為汽車的動力來源。

2018 年，姚兆飛[3]用PVC 材料自制了新能源小車，主要設計了新能源小車的外形和內部電氣結構；對于整體動力性能分析部分，在2005 年，王立新[4]等人進行了逆風運行小車的運行可行性分析。

本文主要從理論和實際上探究將風能與太陽能作為小車動力源的可行性，將小車分為葉片設計、整機設計和理論計算分析三部分進行設計研究，使小車能成功依靠自帶的風輪和光伏板前進，同時能夠做到在不同風況下進行風力直驅、風力發(fā)電和電力驅動三種工作模式的切換。本文的小車的動力全部來自于風能和太陽能，綠色環(huán)保，解決了傳統交通工具帶來的環(huán)境污染的問題。

1 葉片設計

葉片作為風力機中最為核心的零部件之一，設計良好的葉片具有較好的氣動性能，從而產生高的風能利用率和產生優(yōu)良的經濟效益[5]。葉片的氣動設計的目標是：在確定葉片尺寸的前提下，設計一款最佳葉片，能夠為小車提供最大功率。

1.1 翼型的選擇

傳統的翼型風力機在低雷諾數工況下易發(fā)生氣泡式分離。葉片前緣對葉片表面粗糙度變化敏感，升阻比變化較大，使功率負荷波動增大。因此，如何根據實際的設計需求來選擇一種合適的新翼型是風力機設計的一個重要環(huán)節(jié)。研究表明[6]，S 翼型風輪有效尖速比范圍較寬，功率系數CP 值在0.3 以上的區(qū)域所對應的尖速比λ 為4～10.5，整體的功率系數變化平緩，適合低風速區(qū)域，且適合用于小車行駛工作的場景。因此，經過綜合分析，選擇S 翼型作為設計翼型。

所謂性能良好的翼型是在一定攻角范圍之內，較大升力系數Cl，較小的阻力系數Cd，也就是升力與阻力系數的比值越高，所設計的葉片的效率也就越高。

選取設計工況雷諾數Re=0.1e5，馬赫數Ma=0，利用XFOIL軟件計算不同厚度的翼型分別在不同攻角下的氣動數據，并利用Matlab 編程畫出兩種翼型升阻比的圖像進行比較。如圖1所示，通過比對不同型號葉片（翼型S822 與翼型S826）的氣動數據。對比一定范圍內的升阻比，選擇翼型S826 作為小車葉片。

圖1 兩種翼型Cl/Cd 的對比

1.2 葉片設計數學模型

本文采用Glauert 方法來編制葉片的設計程序，同時考慮Plandtl 葉尖修正效果。根據該翼型的最佳攻角，將篩選出來的S826 翼型輸入程序，得到利用翼型設計出來的葉片的各葉素面的弦長和扭角優(yōu)化值。

1.2.1 目標函數

根據S826 的升阻力與攻角關系圖中，選取7 度作為設計攻角，帶入下列公式中：

式中：c 為葉片元素的弦長，F 為葉尖損失因子，軸向誘因子a，φ 為葉片入流角（°），B 為葉片數量，λ 為葉尖速比，Cn 為葉片元素的軸向受力系數。

1.2.2 約束條件

為了確定上面式子中目標函數，就必須滿足下式的約束條件：

式中，Cl 為葉片元素的升力系數，Cd 為葉片元素的阻力系數

迭代計算出各葉素面的a，F，其中F 下列式子確定

式中：f 為葉稍損失系數因子；R 為葉片長度，r 為某葉素截面到風輪中心的距離，m。

1.2.3 設計步驟

為了滿足加工工藝和設計結構的需求[7]，采用Glauert 方法來編制葉片的設計程序，同時考慮Plandtl 葉尖修正效果。計算結果見圖2、圖3。圖2 為弦長變化曲線，圖3 為扭角變化曲線。

圖2 弦長變化曲線

圖3 扭角變化曲線

從而確定葉片的實際展長，得到葉片弦長扭角的真實分布。最后根據葉片設計的弦長扭角分布，將基礎翼型S826 帶到變換矩陣中變換，從而得到葉片展長對應處的翼型幾何數據。

1.3 葉片建模

1.3.1 繪制葉素輪廓線

通過UG 軟件的“樣條曲線”導入葉片的幾何數據，繪制出葉素的輪廓曲線。

1.3.2 生成葉片三維實體模型

通過“插入”菜單中的“網格曲線- 通過曲線組”指令，生成一個通過所有翼型的曲面，形成葉片的外表面，然后在將葉根處封閉并將所有的面縫合形成一個實體，生成葉片三維模型。

1.4 風輪結構設計

小車風輪具有變槳、偏航以及收束三種功能，在小車工作在風力直驅和風力發(fā)電模式時，風輪根據風向傳感器反饋的風向信號，控制機艙中的偏航電機工作，使得風輪自動偏航，同時，控制器的芯片也會根據風速傳感器的反饋信號，計算當前風速下對應的最佳槳距角，控制變槳電機工作，從而改變葉片的攻角，最大效率地捕獲風能；在發(fā)電力驅動工作模式下，控制器控制風輪支柱上的電推桿收縮，從而使得支柱折疊，完成風輪的收束，降低小車的行駛時的空氣阻力。

2 整機設計

整機設計分為尺寸設計、外型設計、驅動系統設計、傳動系統設計、控制系統設、駕駛系統設計以及電力系統設計。

2.1 外型設計

使用Fusion 360[8]對曲面進行揉捏設計合適的外形，將設計的外形導入到UG 中，截取不同位置處的曲面截面，用樣條擬合，使得截面更加圓潤，使用網格曲線命令將所有截面連接構造成小車外型曲面，重復優(yōu)化直到小車外型達到預期，最后使用加厚命令繪制外型實體模型。

2.2 控制系統設計

控制系統包括變槳控制、偏航控制、風輪收束控制、模式切換控制。變槳控制是根據小車的行駛狀態(tài)與外界風速情況控制葉片的槳距角，偏航控制是當小車轉向或者外界風的方向改變時控制器會控制偏航電機使得風輪能夠始終正對來流，風輪收束控制是控制器會根據小車工作模式從而控制電推桿帶動風輪升起或收束模式，模式轉換控制是控制器會根據不同的工作模式控制齒輪箱處于不同的檔位。

3 理論計算分析

理論計算為小車行駛可行性提供指導和驗證，增加了試驗的成功概率。理論計算的目的是計算出小車的最大允許質量，制造小車時的質量不得大于最大允許質量。

要計算得到小車的最大允許質量，首先要求得小車的最大允許摩擦力，對風力驅動小車進行整體受力分析，小車在水平方向受到四個力，分別是推力、葉輪阻力、車身阻力和車輪與地面的滾動摩擦力。

推力的大小是決定風輪能否帶動小車前進的重要因素。推力由風輪葉片提供，可以通過計算不同風速下葉片受到的扭力來計算小車的推力。葉片設計完成之后，利用BEM理論，借助MATLAB 計算達到有個葉片在不同風速條件下葉片提供的推力。

由于小車結構復雜，無法使用公式準確計算出小車受到的氣動阻力，為了較為準確地得到小車在各個風速條件下受到的阻力，將小車模型導入到fluent 軟件中，借助軟件直接計算小車整體受到的氣動阻力。

根據推力和氣動阻力，得出小車受到的行駛過程中允許的最大摩擦力，并根據滾動摩擦力的公式，可以得到小車模型的最大允許質量，只要制作的小車模型質量小于計算得到的最大允許質量，小車就可以順利行駛。

4 結論

4.1 本文從理論上探究將風能與太陽能作為小車動力源的可行性，將小車分為葉片設計、整機設計和理論計算分析三部分進行設計研究，使小車能成功依靠自帶的風輪和光伏板前進。從理論和實際兩方面對風能和太陽能作為小車動力源的可行性進行了充分的論證，說明將風能與太陽能結合的動力小車是可行的。

4.2 本文通過多種設計思想及設計方案的分析對比，Glauert 方法是目前風力發(fā)電機葉片設計較為準確的設計方法。本文按照Glauert 法優(yōu)化設計風力機葉片弦長扭角，制定數學模型，同時考慮Plandtl 葉尖修正效果。以MATLAB 為計算工具計算各參數，并且對計算結果進行修正，提高葉片氣動性能。

4.3 小車實現了小車風力直驅、風力發(fā)電、電力驅動三種工作模式，風輪完成了變槳，偏航，收束三種功能。風輪根據風向傳感器反饋的風向信號，控制機艙中的偏航電機工作，使得風輪自動偏航；同時，控制器的芯片也會根據風速傳感器的反饋信號，計算當前風速下對應的最佳槳距角，控制變槳電機工作，從而改變葉片的攻角，最大效率地捕獲風能；在電力驅動工作模式下，控制器控制風輪支柱上的電推桿收縮，從而使得支柱折疊，完成風輪的收束。