基于風(fēng)光能互補(bǔ)系統(tǒng)的新型節(jié)能汽車能源收集系統(tǒng)

陳浩 張帥宇 王雨

【摘 要】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(duì)未來節(jié)能汽車的能源收集問題，優(yōu)化設(shè)計(jì)一種能夠穩(wěn)定輸出的風(fēng)光磁互補(bǔ)系統(tǒng)，該互補(bǔ)系統(tǒng)在現(xiàn)在既有的風(fēng)光互補(bǔ)系統(tǒng)中做了相關(guān)優(yōu)化設(shè)計(jì)。通過模型的量化計(jì)算，證明了該設(shè)計(jì)輸出穩(wěn)定，能夠有效降低環(huán)境污染，非常符合未來汽車供電系統(tǒng)的發(fā)展趨勢(shì)。

【關(guān)鍵詞】風(fēng)光磁互補(bǔ)系統(tǒng) 太陽能發(fā)電 風(fēng)力發(fā)電 磁能發(fā)電

1 引言

隨著人們生活水平的提高及科技技術(shù)與經(jīng)濟(jì)工業(yè)的高速發(fā)展，汽車工業(yè)也隨之帶動(dòng)起來，能源和環(huán)境是制約我國經(jīng)濟(jì)，社會(huì)發(fā)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(jīng)濟(jì)發(fā)展帶來的各類能源危機(jī)問題層出不窮，我們小組在現(xiàn)有的風(fēng)光系統(tǒng)中優(yōu)化設(shè)計(jì)出一款適應(yīng)汽車節(jié)能的風(fēng)光磁互補(bǔ)系統(tǒng)，該系統(tǒng)可智能化處理各輸入端不穩(wěn)定的電流為穩(wěn)恒電流再向蓄電池輸入，通水也可防止電池過充現(xiàn)象的發(fā)生，本文就節(jié)能汽車能源充分利用問題做出相關(guān)探究，圖1為構(gòu)想的系統(tǒng)安裝的位置剖面圖，該新型汽車能源收集系統(tǒng)主要分四個(gè)方面探究：

（1）利用汽車前進(jìn)的風(fēng)阻力作為動(dòng)力發(fā)電并儲(chǔ)存在蓄電池內(nèi)。

（2）利用天然太陽能產(chǎn)生的能力作為動(dòng)力發(fā)電并儲(chǔ)存在蓄電池內(nèi)。

（3）利用車輪轉(zhuǎn)動(dòng)切割磁感線產(chǎn)生電流發(fā)電并儲(chǔ)存在蓄電池內(nèi)。

（4）設(shè)計(jì)一款能系統(tǒng)化處理風(fēng)光磁三大能量的處理系統(tǒng)。

圖1 系統(tǒng)安裝位置

Figure1：The location of the system installation

圖2 新型節(jié)能汽車能源收集系統(tǒng)

Figure2：the New energy-saving system of automobile

2 理論模型（實(shí)驗(yàn)方法）

由圖可看出，本系統(tǒng)巧妙的將風(fēng)能，太陽能以及電磁能結(jié)合起來，下面我們就這三條發(fā)電線路以及最后的輸出電流做一些相關(guān)的探究：

2.1 風(fēng)力發(fā)電機(jī)發(fā)電支線：（置于車頭）

風(fēng)力發(fā)電機(jī)是將風(fēng)能轉(zhuǎn)化為電能的裝置，從能量裝換的角度來看，風(fēng)力發(fā)電機(jī)由兩大部分組成：其一是風(fēng)力機(jī)，它的功是能將風(fēng)能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能；其二是發(fā)電機(jī)，它的功能是將機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電能，發(fā)電機(jī)理：汽車行駛過程中，產(chǎn)生的風(fēng)的阻力通過車頭進(jìn)入車身推動(dòng)葉片轉(zhuǎn)動(dòng)，葉片內(nèi)部切割磁感線產(chǎn)生電流，由發(fā)電機(jī)輸出不穩(wěn)定的輸出電壓，然后再通過二極管（防止電流倒流），穩(wěn)壓器（將電壓調(diào)至蓄電池標(biāo)準(zhǔn)輸入電壓輸出）與控制電路（保護(hù)電路）等進(jìn)入蓄電池內(nèi)儲(chǔ)存起來，以達(dá)到回收能源的作用，而且在現(xiàn)在日益興起的電動(dòng)汽車?yán)锩孢€可以作為二次動(dòng)力電能使用。

2.2 相發(fā)電機(jī)發(fā)電支線：（置于車輪）

發(fā)電原理：汽車在行駛的時(shí)候四輪是在快速轉(zhuǎn)動(dòng)，如果我們將導(dǎo)線固定在四輪上，以車輪的轉(zhuǎn)動(dòng)帶動(dòng)導(dǎo)線的運(yùn)動(dòng)來切割磁感線那么回路就會(huì)有電量產(chǎn)生。當(dāng)汽車自由滑動(dòng)時(shí)車輪快速轉(zhuǎn)動(dòng)的機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電能，當(dāng)汽車在下坡路行駛時(shí)勢(shì)能轉(zhuǎn)化為動(dòng)能，動(dòng)能再轉(zhuǎn)化為電能，那么在汽車原供電系統(tǒng)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(fā)電機(jī)內(nèi)能轉(zhuǎn)化而提供的。當(dāng)汽車出現(xiàn)蓄電池過充現(xiàn)象的時(shí)候，單片機(jī)通過啟動(dòng)PWM卸荷方式將多余的能量在電阻中進(jìn)行消耗，同時(shí)通過調(diào)整磁電中的線圈匝數(shù)以達(dá)到對(duì)能量進(jìn)行削減的作用。

2.3 太陽能發(fā)電支線：（置于車身）

將太陽能發(fā)電利用在汽車上，使用太陽能電池把光能轉(zhuǎn)化成電能，電能會(huì)在儲(chǔ)電池中存起備用，用來供應(yīng)汽車各種電能需求，隨著全球經(jīng)濟(jì)和科學(xué)技術(shù)的飛速發(fā)展，太陽能的利用已經(jīng)不是一個(gè)神話。太陽能電池依據(jù)所用半導(dǎo)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(zhuǎn)化率大概為18%。我們將車頂（S=2.5㎡）放置硅太陽能電池板，經(jīng)過充電控制器、逆變器后進(jìn)入蓄電池，用以供應(yīng)汽車各種電能需求。

3 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)及理論運(yùn)算

3.1 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

風(fēng)光磁互補(bǔ)系統(tǒng)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(jī)，它負(fù)責(zé)整個(gè)系統(tǒng)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(qū)動(dòng)電路，保護(hù)電路，通信電路，輔助電源電路等。風(fēng)力發(fā)電機(jī)輸出的三相交流電接 U、V、W，經(jīng)三相補(bǔ)控整流器整流和電容穩(wěn)壓后給蓄電池充電，風(fēng)力發(fā)電機(jī)接卸荷電阻，當(dāng)風(fēng)速過高時(shí)，風(fēng)力發(fā)電機(jī)輸出電壓大于蓄電池過充電壓，單片機(jī)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(fā)電機(jī)接卸荷電阻和調(diào)整撥片器上，當(dāng)蓄電池過充的時(shí)候，單片機(jī)輸出脈沖（PWM）來控制開通，通過減少磁場(chǎng)線圈匝數(shù)和消耗熱量來減少能量。

為此我們?cè)O(shè)計(jì)了一款風(fēng)光磁互補(bǔ)系統(tǒng)：白天太陽光強(qiáng)，風(fēng)一般小，晚上沒有陽光，風(fēng)一般大，太陽能和風(fēng)能，而且對(duì)于汽車只要在行駛車輪就必定會(huì)轉(zhuǎn)動(dòng)，風(fēng)光磁在時(shí)間上的互補(bǔ)性使風(fēng)光磁互補(bǔ)系統(tǒng)在資源上具有最佳的匹配性，因此風(fēng)光磁發(fā)電系統(tǒng)是資源條件最好的獨(dú)立電源系統(tǒng)。如圖3。

圖3 風(fēng)光磁互補(bǔ)系統(tǒng)原理圖

它可實(shí)現(xiàn)以下功能：（1）風(fēng)力發(fā)電機(jī)，太陽能，磁力發(fā)電機(jī)總充電流小于額定電流時(shí)，風(fēng)機(jī)，太陽能和電磁能的全部能量給蓄電池充電，當(dāng)風(fēng)機(jī)，太陽能和電磁能的全部能量小于限電流時(shí)，系統(tǒng)直接為蓄電池充電，當(dāng)風(fēng)機(jī)，太陽能和電磁能的全部能量大于限電流時(shí)，單片機(jī)感應(yīng)蓄電池電壓與總電壓作對(duì)比，以額定電流點(diǎn)的電流給蓄電池充電多余的能量啟動(dòng)手動(dòng)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(fēng)力發(fā)電機(jī)“剎車”，磁力發(fā)電機(jī)通過PWM方式啟動(dòng)撥片，減小匝數(shù)以達(dá)到減小發(fā)電量的效果。（2）磁電限速保護(hù)：當(dāng)蓄電池處于過充狀態(tài)時(shí)通過PWM卸荷給發(fā)電機(jī)一個(gè)反向磁阻力矩，大幅增加發(fā)電機(jī)所消耗的功率，使之大于風(fēng)輪和電磁轉(zhuǎn)機(jī)的輸出功率，從而使風(fēng)輪轉(zhuǎn)速降低，減小其吸收的能量，從而進(jìn)一步減低風(fēng)輪轉(zhuǎn)速，為此連鎖作用所產(chǎn)生的實(shí)際效果是減速而不是限速。

3.2 理論運(yùn)算：

風(fēng)電轉(zhuǎn)換部分：風(fēng)力發(fā)電主要分風(fēng)力機(jī)和發(fā)電機(jī)兩部分組成，核心動(dòng)力裝置就是風(fēng)葉片部分，風(fēng)力發(fā)電機(jī)葉片的工作效率可表示為： （1）

其中P為葉片發(fā)電效率，v為額定風(fēng)速，D為風(fēng)輪直徑，Cp是功率系數(shù)（一般取0.35），

磁電轉(zhuǎn)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(fā)電機(jī)內(nèi)能轉(zhuǎn)化。

車輪切割磁感線功率：P = （2）

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

原有的靠發(fā)電機(jī)內(nèi)能轉(zhuǎn)化三相發(fā)電機(jī)功率：P =1.732E IcosΦ （3）

對(duì)上式三相永磁發(fā)電機(jī)的借鑒研究基礎(chǔ)上，我們大概的算出了汽車若一天行駛6小時(shí)，那么產(chǎn)生的電能為1500W.h，約為1.5度電。

磁電轉(zhuǎn)換的理論計(jì)算確定后，結(jié)合實(shí)驗(yàn)的需要和目的，選用的實(shí)驗(yàn)參數(shù)如下：對(duì)于一般的汽車，車輪半徑以0.35m來計(jì)算，且導(dǎo)線長(zhǎng)度以0.25m為準(zhǔn)。在銣鐵硼永磁鐵中，B的大小在0.01-0.6左右。所以，當(dāng)汽車以70Km/h行駛5小時(shí)時(shí)，估算得W=. 。

3.2.3 光電轉(zhuǎn)換部分：

在標(biāo)準(zhǔn)環(huán)境下：太陽光照Ф=1000w/㎡；太陽能電池板25℃；

硅太陽能電池板轉(zhuǎn)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(shè)車頂面積S=2.5m^2

根據(jù)公式： （5）

由W=P*T知；故一天的總發(fā)電量

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

表一：節(jié)能系統(tǒng)的產(chǎn)電量

（tabel1：The amount of energy saving control system）

車輛平均風(fēng)速

（m/s） 風(fēng)電日均發(fā)電量（Kw.h） 光電日均發(fā)電量（Kw.h） 磁電日均發(fā)電量（Kw.h） 系統(tǒng)日均發(fā)電量（Kw.h）

18 0.2 1.9 1.5 3.6

4 思考與討論

通過實(shí)驗(yàn)結(jié)果的理論分析和計(jì)算，我們將現(xiàn)有的風(fēng)光互補(bǔ)系統(tǒng)進(jìn)行了合理化的改進(jìn)，優(yōu)化成適應(yīng)于汽車節(jié)能的新型風(fēng)光磁集能控制系統(tǒng)，我們可以看出一輛普通型的汽車在此系統(tǒng)下即可在一天時(shí)間內(nèi)產(chǎn)生大約3.6度的電能，其帶來的環(huán)保效益不言而喻，對(duì)于這一節(jié)能系統(tǒng)的適用范圍，我們認(rèn)為其在未來發(fā)展?jié)摿薮蟮姆寇囶I(lǐng)域可得到應(yīng)用。

5 結(jié)論

市場(chǎng)上關(guān)于節(jié)能汽車的利用只是單方面的針對(duì)某一方面進(jìn)行改進(jìn)，本設(shè)計(jì)創(chuàng)新性地將幾大能量結(jié)合起來，設(shè)計(jì)出一款集節(jié)能，環(huán)保，高效于一體的新型風(fēng)光磁系統(tǒng)，該系統(tǒng)在現(xiàn)有的風(fēng)光互補(bǔ)系統(tǒng)中做了相關(guān)優(yōu)化設(shè)計(jì)使其能更好地應(yīng)用到汽車節(jié)能系統(tǒng)上，該設(shè)計(jì)在市場(chǎng)上還從未提及過，本設(shè)計(jì)實(shí)屬本小組原創(chuàng)作品，根據(jù)本文的探究，我們可以巧妙的將汽車運(yùn)行過程中的風(fēng)能，太陽能，機(jī)械能合理高效地利用儲(chǔ)存起來，這在現(xiàn)在日益發(fā)展的房車?yán)锔勺鳛殡娔軄碓词褂茫瑸槲磥砥噭?chuàng)新與設(shè)計(jì)提供一種新的思路和想法，由于該實(shí)驗(yàn)輒需的相關(guān)工程量條件比較大，我們只做了該系統(tǒng)的理論分析和計(jì)算，故而無法提供相關(guān)的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，實(shí)際操作也可能還存在很多不足，也希望讀者能夠指出錯(cuò)誤以加以改進(jìn)。

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