盧曉柱　劉開源

摘要：汽車作為我們?nèi)粘５拇焦ぞ?，已?jīng)穿梭在我們身邊的每一條馬路。然而，以汽油為主要燃料提供動(dòng)力的汽車，不僅排放出污染空氣的氣體，而且面臨著石油資源日漸枯竭的危機(jī)。風(fēng)力作為大自然的無盡資源，能以此為發(fā)電動(dòng)力為電動(dòng)汽車提供無盡的電能，是新能源的汽車未來發(fā)展的趨勢(shì)之一。本文將分析系統(tǒng)機(jī)械結(jié)構(gòu)的全反差垂直軸式風(fēng)力發(fā)電機(jī)，探討解決新能源電力汽車的電力需求問題，以期為社會(huì)的節(jié)能和環(huán)保提供好的方向與思路。

關(guān)鍵詞：新能源；電力汽車；垂直風(fēng)力發(fā)電機(jī)；經(jīng)濟(jì)價(jià)值

一、前言

風(fēng)力發(fā)電產(chǎn)業(yè)是國(guó)家“十二五”重點(diǎn)支持發(fā)展的新興戰(zhàn)略產(chǎn)業(yè)。作為新能源經(jīng)濟(jì)全產(chǎn)業(yè)鏈的重要組成部分，開發(fā)風(fēng)力發(fā)電與利用，對(duì)于優(yōu)化新能源風(fēng)力發(fā)電產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)，形成完整的產(chǎn)業(yè)鏈條具有重要的推動(dòng)意義。全新垂直軸式風(fēng)力發(fā)電機(jī)充分利用風(fēng)能資源，符合國(guó)家可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略，它擁有自己獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)，勢(shì)必將進(jìn)一步帶動(dòng)電力產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。

二、風(fēng)力發(fā)電機(jī)技術(shù)介紹

1、組成。該發(fā)電系統(tǒng)是利用一般公路（車輛穩(wěn)定），高速公路、高速鐵路形成的非自然風(fēng)及自然風(fēng)發(fā)電用于解決一切用電設(shè)備（如收費(fèi)站、電子廣告牌、交通警示燈等）以及一些風(fēng)力穩(wěn)定的廣大民用場(chǎng)所（如村莊路燈，指示燈）等的電力問題，還可以與太陽能發(fā)電形成互補(bǔ)用途，該系統(tǒng)主要由垂直軸式風(fēng)力發(fā)電機(jī)、控制電路、整流器、穩(wěn)壓電路、逆變器、蓄電池等部分組成?？刂蒲b置：由于風(fēng)力的大小時(shí)刻變化，必須根據(jù)風(fēng)力大小及電能需要量的變化及時(shí)通過控制裝置來實(shí)現(xiàn)對(duì)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的啟動(dòng)、調(diào)節(jié)（轉(zhuǎn)速、電壓、頻率）、停機(jī)、故障保護(hù)（超速、震動(dòng)、超負(fù)荷等）可以采用微機(jī)控制。逆變器：將直流電轉(zhuǎn)換為交流負(fù)載所需要的交流電。 蓄電池：選用合適的深循環(huán)能力較好的鉛酸蓄電池。

2、工作原理。垂直軸風(fēng)力機(jī)風(fēng)輪的轉(zhuǎn)軸周圍，有一對(duì)或若干個(gè)凹凸曲面的葉片，當(dāng)它們處于不同方位時(shí)，相對(duì)于它的來流方向所受的推力 F 是不同的，從而使風(fēng)產(chǎn)生一個(gè)繞中心軸的力矩，使風(fēng)輪轉(zhuǎn)動(dòng)。當(dāng)風(fēng)吹向風(fēng)輪，葉片產(chǎn)生的驅(qū)動(dòng)力 F 可以用下式表示：F=1/2ρS V^2 Cd

式中：ρ為空氣密度，S 是風(fēng)輪的截面積，V 是風(fēng)速，Cd是空氣動(dòng)力系數(shù)。

不同的迎風(fēng)形狀，對(duì)應(yīng)著不同的空氣動(dòng)力系數(shù)。當(dāng)凹面的葉片迎風(fēng)時(shí)，Cd為 1.33；當(dāng)凸面的葉片迎風(fēng)時(shí)，Cd為 0.34。故對(duì)于葉片產(chǎn)生的阻力，向下凹時(shí)的阻力大于上凸時(shí)阻力，從而產(chǎn)生一個(gè)阻力差使風(fēng)輪旋轉(zhuǎn)。對(duì)于阻力型垂直軸風(fēng)力機(jī)，來流風(fēng)速要大于風(fēng)輪的旋轉(zhuǎn)速度，即葉尖速比 λ<1，通常都在 0.8～1.0 之間，因此，阻力型垂直軸風(fēng)力機(jī)能夠自啟動(dòng)、轉(zhuǎn)矩大；此外，在任意方向的來流風(fēng)速下，垂直軸風(fēng)力機(jī)都能夠自行啟動(dòng)。

垂直軸式風(fēng)力機(jī)將車輛產(chǎn)生的尾流轉(zhuǎn)化成機(jī)械能，其輸出的機(jī)械功率直接驅(qū)動(dòng)永磁同步發(fā)電機(jī)，將機(jī)械能轉(zhuǎn)化成電能。當(dāng)風(fēng)力發(fā)電機(jī)輸出的電能除供給負(fù)載還有剩余時(shí)，蓄電池將這些電能儲(chǔ)存；當(dāng)發(fā)電機(jī)輸出的電能不足以滿足負(fù)載要求時(shí)，則由蓄電池給負(fù)載供電。蓄電池的能量可以直接供直流負(fù)載使用，也可以經(jīng)逆變器變成交流電為交流負(fù)載供電。

3、工作過程。其工作過程是很有趣的，行駛在右行車道的汽車會(huì)產(chǎn)生一個(gè)右前的風(fēng)力，相反行駛在左車道的汽車則會(huì)產(chǎn)生一個(gè)向左的風(fēng)力，如果這兩股方向相反的風(fēng)力同時(shí)產(chǎn)生或者有一定時(shí)間差地在風(fēng)力發(fā)電機(jī)的葉輪兩側(cè)，二者就會(huì)形成同一個(gè)時(shí)針方向的力，這個(gè)力達(dá)到一定程度，就足以帶動(dòng)葉旋轉(zhuǎn)動(dòng)，進(jìn)而就達(dá)到風(fēng)力發(fā)電的目的。那么在什么條件下，風(fēng)力發(fā)電所帶動(dòng)的電效率最大或最小呢？通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，只有當(dāng)這兩股風(fēng)力同時(shí)加在葉輪的兩邊時(shí)， 徑向力矩最大時(shí)所產(chǎn)生的電效率才最大；相反風(fēng)力發(fā)電機(jī)發(fā)電效率也隨時(shí)間差的增大而減小。

三、風(fēng)力發(fā)電機(jī)的經(jīng)濟(jì)價(jià)值

電動(dòng)汽車作為新能源汽車，有著環(huán)保節(jié)能等優(yōu)點(diǎn)，但是電能的持續(xù)供給是一大問題。如果電動(dòng)汽車行駛在高速公路上，電能不能滿足為汽車提供動(dòng)力。汽車就會(huì)因電能不足無法前行。及時(shí)快速的充電是解決這一問題的方法之一。我們提出以下應(yīng)用設(shè)想：

建設(shè)風(fēng)力發(fā)電機(jī)網(wǎng)點(diǎn)。普通公路和高速公路都設(shè)有加油站，以便汽車能夠及時(shí)地加油。風(fēng)力發(fā)電機(jī)網(wǎng)點(diǎn)可以根據(jù)加油站的設(shè)置為根據(jù)，在加油站附近建立風(fēng)力發(fā)電機(jī)。本系統(tǒng)機(jī)械結(jié)構(gòu)的發(fā)動(dòng)采用全反差垂直軸式風(fēng)力發(fā)電機(jī)，該機(jī)體積小、啟動(dòng)風(fēng)速低、額定工作大。經(jīng)測(cè)算，每公里高速公路可安裝150臺(tái)風(fēng)力發(fā)動(dòng)機(jī)，每臺(tái)日均發(fā)電3.6度以上。如能大面積推廣使用，充分利用高速公路上的自然風(fēng)能和行駛車輛產(chǎn)生的非自然風(fēng)能發(fā)電，緩解化石能源供應(yīng)日趨緊張、環(huán)境惡化日益加劇的局面，經(jīng)濟(jì)效益可觀，必能為改善能源結(jié)構(gòu)、減少碳排放做出貢獻(xiàn)。

經(jīng)過調(diào)查研究發(fā)現(xiàn)，高速行駛的車輛驅(qū)動(dòng)的風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)主要有如下幾個(gè)優(yōu)勢(shì)：①結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，帶動(dòng)葉輪轉(zhuǎn)動(dòng)所需要的風(fēng)速比較容易獲得，并且葉輪的轉(zhuǎn)動(dòng)不會(huì)受風(fēng)向改變而改變，它可以承受來自四面八方的風(fēng)力，并且可以將其轉(zhuǎn)化為風(fēng)能進(jìn)而進(jìn)行發(fā)電，不要求風(fēng)向這就可以避免在安裝設(shè)備的時(shí)候考慮設(shè)置的擺放，也不需要安裝回轉(zhuǎn)裝置和對(duì)風(fēng)裝置，所需的裝置簡(jiǎn)單，結(jié)構(gòu)也獲得很大的優(yōu)化，減少造價(jià)成本。既可以利用自然風(fēng)，也可以利用非自然風(fēng)發(fā)電，操作簡(jiǎn)單易得。②無陀螺力，對(duì)機(jī)組安全運(yùn)行、發(fā)電有利。③垂直軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)的齒輪箱在機(jī)組的底部，重心低、運(yùn)轉(zhuǎn)穩(wěn)定、壽命長(zhǎng)； 塔架較矮，且發(fā)電機(jī)傳動(dòng)、減速制動(dòng)等裝置，都在機(jī)組下方，安裝、維修方便。④強(qiáng)、大風(fēng)時(shí)，減速、停機(jī)操作容易，效果較好。⑤外觀精美：垂直軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)的葉片形狀可塑變化性強(qiáng)，可做成各種形狀，外形樣式多，外觀獨(dú)特精美，體積輕巧、適應(yīng)多種地區(qū)環(huán)境的使用；且面積能適當(dāng)增大，以備作其他功能用。⑥環(huán)保性好：風(fēng)力發(fā)電是利用大自然的風(fēng)而發(fā)電，相比傳統(tǒng)的火力發(fā)電，風(fēng)力發(fā)電它是一種清潔能源，對(duì)自然環(huán)境所帶來的危害小，可以有效的保護(hù)環(huán)境。但是隨著風(fēng)力發(fā)電的運(yùn)用越來越廣泛，一些由風(fēng)力發(fā)電機(jī)處置不當(dāng)而引發(fā)的環(huán)保問題也在日益突出，這些問題主要暴漏在所帶來的噪音次危害以及對(duì)當(dāng)?shù)厣鷳B(tài)環(huán)境的影響。電動(dòng)汽車可以在電量不足的情況下通過此發(fā)電機(jī)所儲(chǔ)蓄的電能及時(shí)充電，就會(huì)進(jìn)一步解決電動(dòng)汽車缺電的問題。

四、風(fēng)力發(fā)電機(jī)的應(yīng)用前景

1、綠色環(huán)保，社會(huì)/環(huán)境/經(jīng)濟(jì)效益“三贏”。全新垂直軸式風(fēng)力發(fā)電機(jī)貫徹了“以人為本，可持續(xù)發(fā)展”的綠色環(huán)保理念，符合國(guó)家產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整指導(dǎo)戰(zhàn)略，屬于國(guó)家支持發(fā)展的產(chǎn)業(yè)內(nèi)容。同時(shí)，通過大力發(fā)展風(fēng)力發(fā)電產(chǎn)品，有利于強(qiáng)化公眾的環(huán)境保護(hù)意識(shí)，創(chuàng)業(yè)項(xiàng)目有較好的市場(chǎng)獲利空間，所衍生的資金流、物流、信息流、人流，還將產(chǎn)生一定的經(jīng)濟(jì)拉動(dòng)效應(yīng)。因而，能夠?qū)崿F(xiàn)環(huán)境效益、社會(huì)效益、經(jīng)濟(jì)效益的“三贏”。

2、和諧發(fā)展，助力環(huán)保經(jīng)濟(jì)產(chǎn)業(yè)鏈條。風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)是環(huán)保經(jīng)濟(jì)產(chǎn)業(yè)鏈的重要組成部分，對(duì)于優(yōu)化新能源的產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)，形成完整的新能源開發(fā)產(chǎn)業(yè)鏈條具有重要意義。目前，從風(fēng)力發(fā)電機(jī)的生產(chǎn)、推廣、應(yīng)用到技術(shù)推廣環(huán)節(jié)，國(guó)內(nèi)已有比較成熟的技術(shù)、相應(yīng)的營(yíng)銷網(wǎng)絡(luò)和廣闊的需求市場(chǎng)，但在垂直軸式風(fēng)力發(fā)電利用方面尚缺乏規(guī)?；?、專業(yè)化的技術(shù)應(yīng)用體系建設(shè)，直接影響到風(fēng)力發(fā)電的廣闊利用空間。進(jìn)一步發(fā)展垂直軸式風(fēng)力發(fā)電機(jī)，將進(jìn)一步促進(jìn)電能產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。

五、結(jié)語

垂直軸式風(fēng)力發(fā)電機(jī)綜合以上的優(yōu)勢(shì)特點(diǎn)，勢(shì)必促進(jìn)我國(guó)電能產(chǎn)業(yè)的改革與發(fā)展。它的廣泛應(yīng)用不僅能充分利用風(fēng)力資源，而且能進(jìn)一步解決電動(dòng)汽車充電的問題，其將有很大的經(jīng)濟(jì)價(jià)值與應(yīng)用前景。（作者單位：河南師范大學(xué)商學(xué)院）

參考文獻(xiàn)：

[1]葉軍. 我國(guó)新能源汽車的發(fā)展現(xiàn)狀和應(yīng)用前景[J]2013.5

[2]嚴(yán)磊.風(fēng)力發(fā)電機(jī)支撐體系結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)研究[J]2013年

[3]嚴(yán)強(qiáng).水平軸與垂直軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)的比較研究[J]；上海電力；2007