基于碟剎的能量回收系統設計與研究

陳祥，曹漢清，魏宇峰，韋麗影

（1.江蘇師范大學科文學院，江蘇 徐州 221116；2.青島大學電氣工程學院，山東 青島 266071）

0 引言

隨著資源的枯竭和環境的惡化，資源的枯竭和科技的進步，電力驅動被認為是解決該問題的一個方法，電力節約也成為當今社會發展一個熱門話題。楊若雪[1]將海水反滲透淡化中經常運用到的兩種主要能量回收技術的結構原理進行闡述，并將通過相應能量回收裝置運用在海水反滲透淡化工程的整體的能量消耗的成本與其進行比較，從而設計出海水反滲透淡化系統中的能量回收裝置。孟瑩梅[2]闡述尾氣能量回收發電裝置在汽車尾氣中應用的價值，利用渦輪裝置充分發揮汽車尾氣的機械能，提出一些對于汽車尾氣能量回收發電裝置設計的建議。佘翔等三人[3]開發一款公交車制動排氣降噪及能量回收裝置，為節省開發成本和時間，構建基于AMESIM的公交車制動排氣降噪及能量回收裝置模型，用于仿真計算。蘇慧超等三人[4]采用自主研發的一體式能量回收高壓泵，并優化了裝置設計，研制的一套適用于海島、海上平臺、船舶等特殊場合的小型海水淡化裝置。周長明[5]利用相變換熱原理，迅速將熱源熱量快速搬運到冷源，從而達到傳熱換熱的目的，進行復雜氣體能量回收裝置的優化研究。段未等三人[6]提出一種泵驅動回路熱管能量回收裝置，用于回收公共建筑空調系統排風的能量，降低處理新風的能耗，并搭建實驗平臺，測試該裝置在兩種工況下的性能，分析工質質量流量、換熱器換熱面積和換熱器迎面風速3種因素對裝置換熱量、溫度效率和性能系數的影響，得出質量流量、換熱面積和迎面風速的最優值。中國機電工業[7]由錫柴科技人員提出“能量回收系統”，針對如何回收各種熱機沒有被利用掉的部分能量，以燃機循環理論和機械結構為基礎，具有簡單可靠、高節能特點，開創了國內能量回收設計的先河。方輝[8]指出能量計量通過三種途徑：優化產業結構，優先發展第三產業、高技術產業等低碳經濟，降低單位GDP能耗;二是淘汰落后產能，關停生產工藝和裝備水平落后的高耗能生產能力，降低GDP能耗;三是提高能源利用率，改進生產工藝、提高管理水平，通過節能降耗，降低單位產品能耗。實現科學節能。

裝置分兩種情況：一種是平時工作狀態，剎車時工作，與碟剎一起運動，另一種是下坡狀態，設置成常開，分兩個擋位以收集能量。該裝置利用磁生電模塊輔助剎車，并將產生的電能用于電風扇、防盜器等的消耗。該裝置在單車上以是否接入電路來確保是否作用，下坡時可自己控制恒定接入，也可在要剎車時拉動剎車把來接入電路；若電動車可以接入電流增強磁場來達到強力減速。故電動車有兩擋。據計算，在單車正常行車一小時的情況下，可產生3~6KJ左右的能量，可供一部3W的電風扇使用約30分鐘或者讓在有大的上下坡的情況下達1小時以上。電動車則會更久，若推廣到全國，估計每天可以節省千萬以上度電。

1 設計方案

自行車一級剎車系統的電鍵開關和碟剎的剎車手把一起連接，拉動車閘，電鍵打開，碟片輔助裝置接入電路，形成回路，產生電流并發揮剎車作用，如圖1所示。

圖1 一級剎車系統

而電動車的二級剎車系統則在按鍵兩次才啟動。按鍵一次時，作用同自行車的一級剎車系統，按鍵兩次后，在一級的基礎上接入電動車電源，產生更大的電磁場并產生更大剎車作用，如圖2。

圖2 二級剎車系統

該裝置通過固定于車架上的發電模塊來獲得不規則的交變電，通過整流濾波升壓模塊將其轉換成不規則的直流電，以便給超級電容供電，當超級電容在降壓模塊的直流輸出電作用下并在充電模塊的環境中開始充電工作之后，若電量已充滿，則過載保護模塊上的警示燈將會提醒使用者該裝置已充滿電，并開始自動放電。該裝置通過對發電模塊所產生的不規則交變電進行整流濾波升壓成不規則的直流電，方便對其利用。所述電力圖如圖3所示。

圖3 整流濾波升壓電路

得到不規則直流電之后，將其輸入超級電容，給超級電容進行充電。相關電路圖如圖4所示。

圖4 降壓充電電路

當超級電容充滿電之后，警示燈會提醒使用電容儲能已滿，超級電容將會自動放電，達到過載保護的目的。相關電路圖如圖5所示。

圖5 電容充電與過載保護電路

在自行車車身安裝有夜間照明電路，該裝置通過固定在車身龍頭位置的按鈕開關來達到控制該照明電路的目的。相關電路圖如圖6所示。

圖6 照明電路

2 結語

裝置利用磁生電的裝置輔助剎車，減少剎車片的磨損，并將產生的電能用于電風扇或手機充電等。此裝備可廣泛用于利用碟剎為剎車裝置的各類車輛，擁有廣闊的市場。單車的碟剎發電裝置還可利用充電寶保存，用于騎行時手機充電和其他用途，野外照明用電等，必要時可當作應急發電裝置。該裝置具有成本低，安裝及結構簡單的特點，并且可將在剎車過程中損失的能量加以利用，可以增加其續航力、提高舒適度，使之在市場上更有競爭力。可應用更強電磁感應強度的磁體，在驗證的情況下安裝多個類似的裝置以提升利用率；利用新的電能收集裝置，如利用直流電源變換器或者利用超級電容器；可以在電動車內安裝小型的水平儀，利用51單片機控制在坡度傾斜達多少角度時打開開關，接入電路；可以利用滑動變阻器控制電磁鐵接入電流的大小來實現精確控制。