風電混合動力微型車設計

邊國俐 徐亞龍 羅子卓

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

關鍵詞：風力發電機；葉扇；保護系統

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

1 發電機葉扇設計

作用在葉素上的力可按入流速度的方向分為兩個力，Fd與入流方向平行，Fi與入流速度垂直Ci（α）為升力系數、Cd（α）為阻力系數，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：

貝茲理論是風力發電中關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，但經過國內外研究文獻，可得知實際風能利用率在0.3-0.6之間，在設計模型車葉片面積時暫時使用計算的最大利用率，根據模型車實際數據反饋再做修改。

在得出公式后風速的測試，根據我國氣候環境的特點，測試時一律選擇在無風的環境下測試，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、不同的直線路面多次測量取平均值來作為最終結果，測試結果如下：

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：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，還有扇葉轉動可以產生的扭矩，為齒輪箱齒輪設計提供條件。

2 小型發電機結構設計

風力發電機的結構多種多樣，但總結歸納起來大體分為兩種：①水平軸風力發電機；②垂直軸風力發電機。

垂直軸風力發電機的風輪旋轉方向與風向垂直，扇葉的設計也依靠葉素理論和貝茲理論，而且在實際應用上，垂直軸發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，但是垂直軸發電機對風能的利用率沒有水平軸高，而且結構設計上所需空間比較大，在普通的電動車上不好設計安裝。

水平軸風力發電機的風輪旋轉方向與風向平行，大多數風力發電機的設計都采用水平軸，目前水平軸風力發電機的研究比垂直軸的要成熟，水平軸風力發電機結構設計簡單，適合運用于各種大小型發電機，在原有的電動車結構上不需要太大改動即可加入小型風力發電機用以回收風能，而且風能利用率最高可達到理想狀態下的0.593，根據國內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。

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

總結：在確定發電機的結構型號下，再綜合扇葉的結構參數，來設計發電機齒輪箱，從而實現在日常車速下發電機能給電池充電。

3 保護系統

因為在實際路況和實際環境下，由于路面不平，彎道較多或者是自然風風速大小不穩定，都會導致發電機輸出功率的浮動，從而輸出的電壓不穩會導致對電池的損害，所以在發電機里要安裝小型穩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生的風速，發電機可能會產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速傳感器，傳感器連接車輛的ECU，用以監控扇葉轉速，當扇葉轉速過高時，ECU切斷發電機與穩壓器的連接，暫時停止電流通過穩壓器，等轉速回復到安全數值在連通發電機和穩壓器。

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

4 全文總結

（1）本文先通過對扇葉的設計計算得出相應的數據，用風速儀在實際路況和實際環境下，測量風速，以供后面設計步驟提供數據條件。計算時都是在理想狀態下，所以設計制造出實物后還要根據實際測量數據，對設計進行調整。

（2）在完成扇葉的設計后，得到扇葉面積、扭矩和轉速等詳細參數后，根據所選取的發電機的種類型號來制作齒輪箱的齒輪，使發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控，從而對發電機起到保護作用。

（4）本文對發電機的設計結構概念簡圖如下：

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本文系2017年廣西科技大學自治區級大學生創新創業訓練計劃項目“風電混合動力微型車設計”成果。項目編號：201710594227