風(fēng)能在汽車上的利用及改良

當(dāng)今世界，汽車作為人們?nèi)粘３鲂械闹匾煌üぞ撸刻煲蚕闹薮蟮某Ｒ?guī)能源—汽油和柴油。隨著能源的日益減少，新能源的開發(fā)與利用迫在眉睫的被提上了日程。文章重點介紹了風(fēng)力發(fā)電技術(shù)在汽車延長續(xù)航力上的應(yīng)用，以及改進方法。

1、汽車應(yīng)用新能源現(xiàn)狀

1.1 純電動

純電動汽車是指以車載蓄電池為動力，用電機驅(qū)動車輪行駛。蓄電池一般為鉛酸電池或鋰電池等。由于各種類別的蓄電池普遍存在續(xù)航里程短，價格高、壽命短、外形尺寸和重量大、充電時間長等嚴(yán)重缺點。因此一直僅限于城市短途通勤范圍內(nèi)應(yīng)用，市場較小。

1.2 油電混動

油電混合動力汽車在起步、加速階段，實現(xiàn)電啟動和電加速；當(dāng)超過一定時速時，燃油發(fā)動機才介入輸出動力。當(dāng)踩下制動踏板，汽車完全停止后，發(fā)動機停止轉(zhuǎn)動。在行駛過程中燃油動力系統(tǒng)在為驅(qū)動系統(tǒng)提供能量的同時，還給蓄電池組進行充電。

1.3其它形式

另外還有一些其它形式的新能源汽車，如太陽能汽車、風(fēng)能源汽車等。這些都是非主流能源汽車，在新能源汽車?yán)锼嫉谋壤苄　?yīng)用前景受到的地域、氣候等影響很大。

2、風(fēng)能在汽車上的應(yīng)用

新能源作為傳統(tǒng)動力能源的補充是目前新能源汽車業(yè)的主流。風(fēng)能是種清潔的能源。在汽車行駛的過程中，不可避免的受到來自風(fēng)的阻力，而且速度越快風(fēng)力越大。因此可以利用風(fēng)的阻力進行發(fā)電，對蓄電池充電，這樣就可以增加汽車的續(xù)航里程。風(fēng)力發(fā)電的原理很簡單，是利用風(fēng)力帶動風(fēng)車葉片旋轉(zhuǎn)，再透過增速機將旋轉(zhuǎn)的速度提升，來促使發(fā)電機發(fā)電。

2.1 目前出現(xiàn)的汽車尾部裝設(shè)風(fēng)力發(fā)電裝置實例

在汽車上部設(shè)置風(fēng)力發(fā)電裝置。裝置根據(jù)風(fēng)向自動調(diào)節(jié)其受風(fēng)面積。這是目前民間對汽車改造最多的一種形式。這種方式的一個最大問題是為汽車增加了原來不屬于汽車的風(fēng)阻面積，即增加了阻力。汽車速度越快，阻力就越大。從而使實發(fā)電量和耗電量有所抵消，使實際發(fā)電效率大大降低。同時，由于存在高出車身的傳動裝置和扇葉，也會影響汽車行駛的平穩(wěn)性。還有風(fēng)力發(fā)電裝置裝在汽車頭部的，同理，也是一樣起不到很好延長續(xù)航里程的作用。

2.2風(fēng)力發(fā)電裝置位置的優(yōu)化設(shè)計

2.2.1巧妙設(shè)置風(fēng)力發(fā)電裝置，但不增加汽車受風(fēng)面積

將風(fēng)力發(fā)電裝置的扇葉像車燈一樣嵌入車體里，設(shè)計成汽車前部車體的一部份，不讓其暴漏在汽車車身的外部。這樣就不會增加汽車行駛時多余的風(fēng)阻面積，既讓風(fēng)順利通過，又不會增加風(fēng)阻。同時，也可以在整個進氣格柵上設(shè)置多個軸流式風(fēng)力發(fā)電裝置，這樣不但可以更大限度的利用風(fēng)能發(fā)電，同時還可以有效的對發(fā)動機進行冷卻，一舉兩得。

2.2.2 在車頂部設(shè)計可以自動上下伸縮的風(fēng)力發(fā)電裝置

在車頂部設(shè)計可以自動上下伸縮的風(fēng)力發(fā)電裝置。當(dāng)在汽車停止的時候，風(fēng)壓感受裝置一旦感受外界的風(fēng)壓，就能自動控制裝置伸出車頂，并根據(jù)風(fēng)向自動調(diào)整到最大受風(fēng)面積，運行發(fā)電，對蓄電池充電；當(dāng)車輛行駛時，因為此時裝置相當(dāng)于增加了受風(fēng)面積，則應(yīng)能夠自動收回車內(nèi)。這樣汽車不用行駛，只需停泊在有空氣流動的地方，就可以源源不斷對汽車蓄電池進行充電。這樣不僅可以大幅度減少車庫泊車的壓力，同時還可以減少充電樁充電的壓力。

3、風(fēng)力發(fā)電裝置優(yōu)化設(shè)計實例

3.1 裝置工作原理

風(fēng)力發(fā)電整置主要由微型風(fēng)力發(fā)電機、整流器及控制系統(tǒng)組成。安裝在汽車發(fā)動機艙內(nèi)，利用風(fēng)能產(chǎn)生電能。根據(jù)能量守恒定律，車輛啟動后，與風(fēng)產(chǎn)生相對運動，當(dāng)風(fēng)速達到扇葉啟動的速度，一般為1～5 m/s，或者車速達到5～15 km/h時就可以驅(qū)動發(fā)電葉輪旋轉(zhuǎn)，葉輪將捕獲的風(fēng)能轉(zhuǎn)變成機械能，然后通過齒輪箱傳遞給發(fā)電機，最終產(chǎn)生電能。通常，車輛是以多變的車速行駛，如5～120 km/h。且由于路況和目的地的需要，隨時改變檔位和方向、天氣影響、加減速等多方面的影響，會導(dǎo)致產(chǎn)生的電流大小會隨之波動，以致電壓不穩(wěn)定。這時裝置中的整流器就發(fā)揮了巨大的作用。當(dāng)風(fēng)力發(fā)電機工作時，會輸出電流，當(dāng)控制系統(tǒng)接收到電流和充電信號后就會發(fā)出整流信號，此時常開開關(guān)閉合，整流器工作，并輸出穩(wěn)定的電流為蓄電設(shè)備和用電設(shè)備供電。整個系統(tǒng)如下圖所示。

3.2 實驗設(shè)計及實驗數(shù)據(jù)

上圖為整個風(fēng)力發(fā)電裝置的工作原理圖，型號為M-400，輸出電壓為12V，直徑為0.15m的4葉片風(fēng)力發(fā)電機，固定在設(shè)計的三角支架上，然后用于家用轎車的車廂內(nèi)，在實驗場上對裝置進行功率特性實驗。整個過程需用萬用電表測量不同工況下的電流電壓，記錄好相應(yīng)的數(shù)據(jù)，再應(yīng)用公式P=IU計算得出相對應(yīng)的功率。該型號的風(fēng)力發(fā)電機的啟動風(fēng)速為2m/s，車輛啟動后，慢慢加速到一定的速度，待車速穩(wěn)定，記錄好初始數(shù)據(jù)，然后，汽車逐漸加速，直到車速達到120 km/h，獲得最后一組數(shù)據(jù)。實驗結(jié)束，將得到的實驗數(shù)據(jù)進行處理分析，最終繪制出速度與輸出功率和電流的關(guān)系圖，分析驗證風(fēng)能利用的可行性。車速每提升10 km/h就記錄一次萬用表的示數(shù)。實驗時，盡量選擇晴朗無風(fēng)的天氣，以減小來自不同方向的風(fēng)對實驗數(shù)據(jù)產(chǎn)生的影響。

進行多次實驗，取平均值，獲得數(shù)據(jù)。整理后可以看出，隨著車速的不斷提高，風(fēng)力發(fā)電機輸出的電流不斷增大，輸出功率也隨之增大。對于電動車，一度電可續(xù)航100 km左右。汽車安全速為60～120km/h。那么，通過電量計算公式，W=Pt=IUt，可知汽車使用本裝置在城市道路上行駛1小時，利用風(fēng)能可產(chǎn)生電0.21～0.29度，僅風(fēng)力發(fā)電就可以多跑21～29公里。

3.3 數(shù)據(jù)處理與分析

4、結(jié)束語

新能源汽車雖然在節(jié)能和減排上具有無有倫比的先天優(yōu)勢，風(fēng)能又是取之不盡，用之不竭的清潔能源，隨著新能源技術(shù)的不斷進步和成熟，新能源汽車必將代替?zhèn)鹘y(tǒng)的汽油車，走向千家萬戶。

（作者單位：南通航運職業(yè)技術(shù)學(xué)院）