風(fēng)力發(fā)電技術(shù)在新能源電動汽車中的應(yīng)用

鄭偉　張慶華

摘 要：風(fēng)力發(fā)電行業(yè)和電動汽車行業(yè)，都是近年的新興產(chǎn)業(yè)，因其緩解能源緊張、減少環(huán)境污染等優(yōu)勢，受到世界各國的廣泛重視。但兩者在發(fā)展過程中均暴露出各類缺陷，風(fēng)電的利用率、電動汽車的續(xù)航能力等問題的解決都迫在眉睫。將風(fēng)力發(fā)電技術(shù)與電動汽車結(jié)合，希望可以互補不足，最大化利用兩者的價值。

關(guān)鍵詞：風(fēng)力發(fā)電;電動汽車;能源利用

1 研究背景

風(fēng)能取之不盡，用之不竭，是具有巨大利用價值的新型清潔環(huán)保能源。1888年，世界第一臺風(fēng)力發(fā)電機誕生以來，經(jīng)過一個多世紀(jì)的發(fā)展，風(fēng)力發(fā)電技術(shù)已愈加成熟。2017年，我國風(fēng)電市場公開招標(biāo)量達(dá)27.20GW，2018年上升至33.50GW，2019年已高達(dá)68.3829GW，超過2017年和2018年的總和。目前，風(fēng)電累計裝機容量超過21005萬千瓦，在電源總裝機中比重達(dá)到10.4%。由此可見，風(fēng)力發(fā)電技術(shù)突飛猛進(jìn)的發(fā)展趨勢以及市場對風(fēng)能技術(shù)的認(rèn)可和對風(fēng)電設(shè)備日益旺盛的需求。

目前，風(fēng)電行業(yè)的發(fā)展主要集中于中大型并網(wǎng)風(fēng)力發(fā)電站，分散式風(fēng)電的開發(fā)力度比較薄弱。而陸上風(fēng)電即將全面步入平價時代，能源發(fā)展“十三五”規(guī)劃提出，風(fēng)電實行補貼退坡機制，自2021年1月1日起，新核準(zhǔn)的陸上風(fēng)電項目將全面實現(xiàn)平價上網(wǎng)。在這種情況下，分散式風(fēng)電開發(fā)的優(yōu)勢則逐漸凸顯，對分散式風(fēng)力發(fā)電設(shè)備的發(fā)展便是一次重大機遇。若將小型風(fēng)力發(fā)電機安裝應(yīng)用在新能源電動汽車中，即是分散式風(fēng)力發(fā)電技術(shù)的一次創(chuàng)新突破，又具有節(jié)能環(huán)保的重大意義。

2 車載風(fēng)力發(fā)電機的設(shè)計

汽車工業(yè)在最近幾十年中有突飛猛進(jìn)的發(fā)展，對交通運輸、經(jīng)濟建設(shè)以及人們的生活質(zhì)量都有顯著的提高。但發(fā)展汽車工業(yè)的同時也造成了不可再生化石能源的大量消耗和有害氣 體排放等諸多問題。在這樣的大背景下，綠色環(huán)保的新能源電動汽車便逐漸出現(xiàn)在人們的視野之中。雖然電動汽車有節(jié)能、低噪聲、低震動等優(yōu)點，但其續(xù)航能力以及不完善的充電設(shè)施卻一直備受詬病，如何提高電動汽車的續(xù)航能力，改善充電條件，對電動汽車行業(yè)的發(fā)展有著重要的意義。

新能源電動汽車，以電力作為能源，以蓄電池作為儲能元件，向電機提供電力，驅(qū)動汽車行駛，隨著蓄電池中電能的消耗，需要周期性向蓄電池充電以補充電能。電動汽車相對于傳統(tǒng)汽車而言，采用的電控系統(tǒng)在結(jié)構(gòu)上簡化了機械傳動系統(tǒng)，節(jié)省了汽車內(nèi)部空間，為安裝車載發(fā)電機提供了必要的空間條件。車載風(fēng)力發(fā)電機產(chǎn)生的電能即可供車內(nèi)電子設(shè)備使用，也可對蓄電池充電，可以在一定程度上延長蓄電池的充電周期，減少充電次數(shù)。

風(fēng)力發(fā)電機經(jīng)過多年的發(fā)展，目前結(jié)構(gòu)各異，種類繁多，選擇何種類型、何種功率的風(fēng)力發(fā)電機作為車載使用是至關(guān)重要的一步。風(fēng)力發(fā)電機按旋轉(zhuǎn)軸分類，可以分為水平軸風(fēng)力發(fā)電機和垂直軸風(fēng)力發(fā)電機。其中水平軸風(fēng)力發(fā)電機最為常見，中、大型風(fēng)力發(fā)電站普遍使用此類型的發(fā)電機，水平軸風(fēng)力發(fā)電機具有風(fēng)能利用率高的優(yōu)點，但其占用空間較大、控制調(diào)節(jié)系統(tǒng)復(fù)雜，不適用于在汽車中安裝使用。而垂直軸風(fēng)力發(fā)電機具有占用空間小、可多角度受風(fēng)、啟動風(fēng)速小、維修保養(yǎng)簡單等優(yōu)勢，故考慮采用垂直軸風(fēng)力發(fā)電機作為車載風(fēng)力發(fā)電機（表1）。

同時，在垂直軸風(fēng)力發(fā)電機的基礎(chǔ)上結(jié)合磁懸浮技術(shù)，用磁力軸承代替?zhèn)鹘y(tǒng)機械軸承，極大減小了旋轉(zhuǎn)過程中產(chǎn)生的機械摩擦力，進(jìn)而可以一定程度上降低車載垂直軸風(fēng)力發(fā)電機在發(fā)電過程中對汽車行駛產(chǎn)生的阻力。采用磁懸浮技術(shù)的車載垂直軸風(fēng)力發(fā)電機還具有微風(fēng)便可以啟動發(fā)電的優(yōu)勢，只要風(fēng)速達(dá)到1m/s，便能啟動發(fā)電，相較普通風(fēng)力發(fā)電機而言，明顯降低了啟動風(fēng)速。故汽車在低速行駛中也可發(fā)電，甚至在戶外停車狀態(tài)下，仍然可以通過較小的氣流發(fā)電，大大降低了發(fā)電風(fēng)速條件的限制，延長了發(fā)電時間。此外，磁懸浮垂直軸風(fēng)力發(fā)電機采用鋁合金等輕型金屬作為制造材料，同型號下質(zhì)量更輕，發(fā)電效率更高（表2）。

本研究中，計劃在新能源電動汽車前端進(jìn)氣格柵后安裝一臺功率為50W的磁懸浮垂直軸風(fēng)力發(fā)電機，車載發(fā)電機的具體參數(shù)見表1。此車載發(fā)電機雖然功率比較小，但旋轉(zhuǎn)空間小，重量輕，適合在汽車中安裝使用。并且由于磁懸浮技術(shù)的優(yōu)勢，可以做到發(fā)電機長時間工作，故功率雖小，但發(fā)電效果比較可觀。

3 風(fēng)能參數(shù)計算

其中E表示氣流動能，w表示風(fēng)壓力。

假設(shè)一團空氣垂直通過橫截面積為S的平面，則單位時間通過該平面的空氣質(zhì)量m=vsρ，標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下ρ=1.2928kg/m3。代入上式得

由此可見，風(fēng)能以風(fēng)速的三次方倍增加，風(fēng)壓力以風(fēng)速的二次方倍增加。以單位面積（1m2）為標(biāo)準(zhǔn)，按不同風(fēng)速進(jìn)行測量，計算得到以下不同數(shù)據(jù)（表3）。

實際情況下，風(fēng)經(jīng)過葉片后的風(fēng)速不可能降為零，也就是說經(jīng)過風(fēng)輪掃略面積的氣流不可能將所有能量傳遞給風(fēng)輪，風(fēng)輪只能接收到其中一部分能量。

其中，cp表示風(fēng)能利用系數(shù)，P表示風(fēng)輪輸出功率，A表示風(fēng)輪的掃略面積。根據(jù)貝茨定律，cp最大為59.3%。但在現(xiàn)實中，風(fēng)力發(fā)電機受到各種條件、因素的制約，根本無法達(dá)到cpmax。風(fēng)力發(fā)電機的發(fā)電效率不僅受到cp的制約，同時還與機械傳動效率等因素有關(guān)（表4）。

4 結(jié)束語

我國對風(fēng)、光等清潔能源的開發(fā)力度逐年增加，代替?zhèn)鹘y(tǒng)化石能源發(fā)電的效果愈加顯著，可再生能源的時代即將到來。

風(fēng)力發(fā)電技術(shù)與新能源電動汽車的成功結(jié)合，一方面延長了電動汽車的充電周期和行駛里程，增強續(xù)航能力;另一方面，積極響應(yīng)國家政策，提高能源利用率，做到節(jié)能環(huán)保;同時又大力推動了分布式離網(wǎng)型風(fēng)力發(fā)電行業(yè)的發(fā)展，是能源供給側(cè)和需求側(cè)的結(jié)構(gòu)調(diào)整，具有一舉三得的效果。

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