陸地交通工具裝備自發電裝置的探討

陳子龍 譙 航 溫佳鑫 王 哲 黃培雨

（西華大學汽車與交通學院，四川成都610039）

0 引言

中國未來對綠色能源的戰略定位：2020年前后，綠色能源占到能源消費的15%左右，戰略定位是替代能源；2030年前后，綠色能源占到能源消費的25%左右，戰略定位是主流能源；2050年前后，綠色能源占到能源消費的40%左右，戰略定位是主導能源。由此可見，綠色能源在當代社會中的需求越來越大。目前的陸地交通工具主要包括汽車、火車以及非機動車輛，而非機動車輛主要包括電動車和自行車，現階段陸地交通工具中的發電裝置主要收集以下幾類能源：

1 太陽能

太陽能的收集一般采用太陽能發電板配合蓄電池的結構，其技術較為成熟，因此應用范圍較廣泛。

1.1 太陽能在汽車中的應用

隨著電動汽車的普及，目前汽車的發展已經從內燃機驅動逐漸向電機驅動方式過渡，而電機驅動意味著汽車上必須攜帶供電用蓄電池，因此利用相關的設備進行發電，以延長電動汽車的行駛里程是一種常見的做法，即在汽車車身覆蓋件的外表面上增設太陽能發電板，然后將太陽能發電板產生的電能經整流、升壓等處理后存儲進蓄電池中。目前大多數電動汽車僅在車頂位置放置太陽能電池板，這是因為車頂的光照強度最大，且車頂部分較為平坦，可以使用較為廉價的單晶硅或多晶硅太陽能發電板。為了提高發電效率，未來的發展方向主要有兩個方面，一個是提高太陽能電池板的發電功率，另一個是加大太陽能電池板的覆蓋面積。目前，隨著柔性太陽能發電板的普及，太陽能發電板已經可以制作成較為復雜的拱形或帶有弧度的薄膜形狀，這樣就可以極大地提高太陽能電池板的覆蓋面積，例如在發動機蓋、行李箱蓋甚至車門門板、前后翼子板的外側也可以鋪設柔性太陽能發電板，從而大大提高發電效率，這也可以看做是電動汽車未來的一個再生電能供電方向。

1.2 太陽能在非機動車輛中的應用

目前大規模普及的共享單車中，由于單車的控制系統和GPS導航裝置等電子設備需要長時間供電，且需求的電量較少，因此通常在單車前方或后方設置一塊太陽能發電板用來為電子設備提供電能，但由于太陽能發電板的面積較小，因此僅用于電子設備供電，并未用于提供動力。未來可嘗試在單車或電動車頂設置擋雨棚，擋雨棚上增設太陽能發電板，以提高發電量，或者在單車車架、前后擋泥板上增設柔性太陽能電池板，以進一步提高發電量，從而實現為電動車蓄電池提供能量，或將人力單車改造成為可以自發電的太陽能式電動車。

2 動能再生能量

2.1 動能再生能量原理

汽車或火車制動時依靠的是制動系統，而制動系統的制動原理是將汽車行駛時的動能通過剎車盤與剎車片之間的摩擦轉化為熱能后散失在空氣中，這樣的制動方式使得汽車的動能無法進行有效的利用，

2.2 動能再生能量在交通工具中的應用

目前很多電動汽車均設置了制動能量回收裝置，例如豐田普銳斯、寶馬5系混動車型、特斯拉Model S等車型均設置了這樣的裝置，其原理是在汽車的驅動半軸上增設一個發電機，駕駛員發出制動指令時，發電機開始工作并將半軸的動能重新轉化為電能進行儲存。目前的高速動車組車輛中也裝備了該裝置，如CRH2、CRH3型動車組轉向架輪對的車軸上均設置了動力回收裝置，有效提高了能量利用率。

而在非機動車輛中，該裝置并未普及，例如大部分品牌的電動車和幾乎所有自行車均未裝備制動回收裝置。不過，隨著電機微型化、電池重量的減小，未來在非機動車輛中具備大范圍推廣制動能量回收裝置的潛力，這也是未來非機動車輛新型技術的一個發展方向，具有廣闊的市場前景。

3 振動發電能量

3.1 振動發電原理

目前的發電裝置中，振動發電裝置的研制或產品越來越多，其主要包括壓電式發電裝置及永磁體往復振動式發電裝置。振動發電機指一種利用電磁感應原理，把振動機械能轉變為電能的設備，最傳統的做法是使用一塊懸掛的磁鐵，發電機通過電磁感應來完成能量轉換，電磁感應則是通過將線圈放置在一個變化的磁場中產生。2007年，英國南安普頓大學的一個研究小組就已經開發出了如同方糖大小的振動發電機，并且試圖將其用于工業領域的傳感器上，例如煤礦、油田、化工廠或其他類似惡劣環境下的監控設備等等。他們甚至還計劃將這種發電機進一步微型化之后植入人體，為那些需要長時間供電的醫療設備提供電力，只是這些都尚未商業化。

3.2 振動發電裝置的應用情況

例如壓電式發電裝置可以制作成地板，鋪設在火車過道或公交車過道中，利用行人的行走進行發電，也可以做成手環形狀，作為公交車扶手；而永磁體往復振動式發電裝置可以安裝在火車或汽車的減振裝置，主要是液壓筒式減振器上，使減振器的減振效果由永磁體發電時的阻力提供，這樣也可以充分利用交通工具中的振動能量。但是現階段利用振動發電的裝置大多數仍處于研制或方案設計階段，少部分已有產品價格昂貴，還未能進行大范圍推廣或普及，而由于其發電效果較好，還可以吸收多余的振動，因此振動發電裝置是未來交通工具可以進行嘗試的一種較好的發電方式。

4 結語

目前在電動汽車和高速動車組中已經普及了制動能量回收裝置，未來可以通過增設太陽能發電和振動發電裝置的方式，提高電動汽車和高速動車組的能源利用效率；共享單車和部分電動車上裝設了太陽能發電裝置，未來可以考慮在共享單車和電動車上增設微型制動能量回收裝置，或增加太陽能發電板的面積，以提高發電能力。由以上敘述還可看出，目前多種交通工具均只有少量的發電裝置或沒有安裝發電裝置，因此在交通工具中增設發電裝置的方案是未來交通新技術一個較好的發展方向。