張 麗,楊 瑞,寧 鵬
(東北林業(yè)大學交通學院,哈爾濱150040)
隨著能源危機和環(huán)境惡化問題的日益加劇,我國大力倡導新能源汽車的開發(fā),電動汽車的發(fā)展也因此備受關注[1]。目前,市場上最常見的電動車里程在120~160 km之間,續(xù)航里程短是電動汽車的一大瓶頸,改善這一問題至關重要。
風能利用裝置將風力發(fā)電技術引用到汽車上提高續(xù)駛里程,相對于通過提高電池能量密度,合理的外觀設計、制動能量回收等方法更有效,有利于可持續(xù)發(fā)展[2]。汽車在行駛過程中會受到風阻,車速越大風阻越大,將風的阻力利用起來產(chǎn)生電能,驅動風力發(fā)電機,當電動汽車需要充電時就可以及時給蓄電池充電。風機結構及其布置形式對風能的利用率、行駛中的能量損耗和外形美觀影響重大,要求合理的設計。同時,應對裝置能量轉化時的工作特性及整個系統(tǒng)的穩(wěn)定性進行研究,最終實現(xiàn)風能的轉換利用。
本裝置不同于一些車載式風能利用裝置,它主要用于電動汽車上,體積小、結構簡單、并且不增加車輛的迎風面積,因此對各組成部分的性能要求也較高[3-4]。發(fā)電機可以選用永磁式交流發(fā)電機,它具有體積小、效率高、低速發(fā)電性能好、穩(wěn)壓精度高等特點,有利于提高風能的利用率。
風能的轉換成電能是通過風力發(fā)電機實現(xiàn)的,風力發(fā)電機由葉片、前罩、永磁式發(fā)電機和安裝軸等組成,它的整體結構示意圖如圖1所示。
圖1 風力發(fā)電機結構示意圖Fig.1 Schematic structure of wind generator
行駛過程中的風阻主要取決于風阻系數(shù),由空氣動力學可知如果物體外結構增大,會使得迎風面積增加,風阻系數(shù)增大,從而導致風阻劇增[5]。為了減小風阻損耗,可以考慮將裝置安置在車身內部,與車身成為一個整體,當然,這樣的話裝置的體積就受到一定的限制。因此,裝置功能的實現(xiàn),關鍵在于風力發(fā)電機葉片的設計。
風力發(fā)電機有水平軸式的和垂直軸式的,考慮到風力主要來自與前方,并且車輛起步能迅速達到較高車速,采用水平軸式的風力發(fā)電機更好。對于水平軸式的葉輪設計,普遍采用動量-葉素理論,即可以根據(jù)Glauert和Wilson法來設計出適合本裝置的葉片[6]。計算葉片直徑的公式為[7]:
式中:D為葉片直徑m;P為風力發(fā)電機的功率w;ρ為空氣密度,kg/m3;V為風速m/s;Cp為風能利用系數(shù);η為總的傳遞效率;η1為傳動鏈的效率;η2為發(fā)電機的效率。
中國百瓦級的風力發(fā)電機的風能利用系數(shù)為0.2~0.3,在設計時風能利用系數(shù)可取0.29。常溫下空氣密度為1.21~1.25 kg/m3,總的傳動效率在初設計時一般選在0.81左右。當發(fā)電機的功率取300w,V取20 m/s,ρ取1.25,η取0.75時,由上述計算公式得出葉片直徑[6-7]:
改變風力發(fā)電機的功率,按同樣的方式進行計算,并進行對比,選出適合的本裝置的直徑。分別取P為100、200、400、500W,計算結果見表1。
表1 風輪葉片計算直徑Tab.1 The calculated diameter of the turbine blade
電動汽車的散熱器寬度為70~80 mm,高度為40~60 mm,根據(jù)不同的車型,參考散熱器的尺寸,通過表1選出適合的葉片尺寸。
整置主要由小型風力發(fā)電機、整流器及控制系統(tǒng)組成,安裝在汽車內,利用可再生資源風能產(chǎn)生電能,用于供電。
根據(jù)能量守恒定律,車輛啟動后,與風產(chǎn)生相對運動,當風速達到風機的啟動速度一般為1~3 m/s(車速達到4~10 km/h)時就可以驅動葉輪旋轉,葉輪將捕獲的風能轉變成機械能,然后通過齒輪箱傳遞給發(fā)電機,最終產(chǎn)生電能[8]。通常,車輛是以一定車速行駛,如60、80、100 km/h等車速,但由于路況的變化需要隨時改變檔位、天氣影響、啟動時加速、制動時減速等多方面的影響,會導致產(chǎn)生的電流大小會隨之波動,這時裝置中的整流器就發(fā)揮了巨大的作用。當風力發(fā)電機工作時,會輸出電流,當控制系統(tǒng)接收到電流和充電信號后就會發(fā)出整流信號,此時常開開關閉合,整流器工作,并輸出穩(wěn)定的電流為蓄電設備和用電設備供電。整個系統(tǒng)的工作示意圖如圖2所示。
圖2 裝置工作原理示意圖Fig.2 The working principle diagram of the device
圖3為整個實驗所用到的裝置,將型號為M-300,輸出電壓為12V,直徑為0.82 m的6葉片風力發(fā)電機如圖3(a)所示,固定在設計的三角支架上,然后置于皮卡車圖3(b)的車廂內,在實驗林場上對裝置進行功率特性實驗。整個過程需用萬用電表測量不同工況下的電流電壓,記錄好相應的數(shù)據(jù),再應用公式P=IU計算得出相對應的功率。該型號的風力發(fā)電機的啟動風速為1 m/s,車輛啟動后,慢慢加速到一定的速度,待車速穩(wěn)定,記錄好初始數(shù)據(jù),然后,汽車逐漸加速,直到車速達到100 km/h,獲得最后一組數(shù)據(jù),實驗結束。將得到的實驗數(shù)據(jù)進行處理分析,最終繪制出速度與輸出功率和電流的關系圖,分析驗證風能利用的可行性。車速每提升10 km/h就記錄一次萬用表的示數(shù),圖3(c)是應用Catpart軟件設計的支撐架的結構圖,用于將裝置固定在車廂內。實驗時,應盡量選擇無風的天氣,減小側面的風對實驗數(shù)據(jù)的影響。
圖3 實驗裝置圖Fig.3 The experimental device
多次進行實驗,然后取相應的平均值,獲得數(shù)據(jù),整理后再將統(tǒng)計的數(shù)據(jù)(見表2)應用Matlab軟件繪制出風力發(fā)電機的輸出特性的關系曲線圖P-V和I-V,如圖4所示[5]。隨著車速的不斷提高,風力發(fā)電機輸出的電流不斷增大[9],輸出功率也隨之增大。對于電動車,一度電可均衡放電100 km左右。
蓄電池充入的電量Q的計算公式為:
式中:I為充電電流A;U為充電電壓V;t為充電的時間h。
根據(jù)《中華人民共和國道路交通實行條例》安全速為30 km/h,那么,通過上述電量計算公式,可知使用本裝置在城市道路上行駛每小時可節(jié)約電0.04~0.08度,公路限速為40 km/h,可節(jié)約電0.08~0.09度/h;在同方向只有一條機動車的城市道路和公路上行駛1 h,可分別節(jié)約電0.8~0.15度和0.15~0.27度;在高速公路上行駛每小時可以節(jié)約電0.28度左右;由此可見,該裝置能夠改善汽車使用的經(jīng)濟性,實現(xiàn)節(jié)能環(huán)保。在不同車速下,風力發(fā)電機的輸出電流和功率變化可見表2和如圖4所示。
表2 數(shù)據(jù)統(tǒng)計Tab.2 Statistical data
電動汽車的用電設備如空調暖機、LED尾燈、LED前照燈等,都是通過蓄電池獲得電能,維持正常工作的。一般LED燈工作電流為0.015A,電壓3V,將1 000 Ω的滑動變阻器和1個LED燈與風力發(fā)電機串聯(lián)。將電阻調為600 Ω,在不同風速下觀察燈的亮度變化以及測出通過LED燈的電流和電壓(見表3和如圖5所示)。
圖4 風力發(fā)電機的輸出特性圖Fig.4 The output characteristics diagram of wind turbines
表3 數(shù)據(jù)統(tǒng)計Tab.3 Statistical data
圖5 負載LED燈的電流電壓變化曲線Fig.5 The current and voltage variation curve of the LED
通過利用風力發(fā)電機固定在車上進行風能轉化,進行多次實驗,測取多組數(shù)據(jù),再將數(shù)據(jù)進行處理分析,可知裝置輸出的為恒壓約12 V,風力發(fā)電機的輸出功率與汽車行駛的車速呈正相關,并且滿足對于12 V的電瓶,最大電流為30 A,最大功率為360 W的基本要求,可以實現(xiàn)裝置為汽車蓄電池充電的功能,也能實現(xiàn)直接用于負載供電,驗證了裝置風能轉化的可行性。由風速與汽車行駛中的車速是相對的,由于車輛行駛大部分受到的是正面迎風,風速基本上等于車速[11],根據(jù)能量守恒定律,風能部分轉化成電能,風能越大,越多的動能可以轉化成電能,風力發(fā)電機發(fā)電機的輸出功率也就越大[6]。
能源危機潛在的威脅著人類的生存,隨著人們生后水平的提高,汽車的使用會越來越普遍,必然會導致能源的大量消耗,不利于人類社會的可持續(xù)發(fā)展,因此推廣新能源汽車是今后汽車行業(yè)發(fā)展的一大趨勢。通過合理的設計風力發(fā)電機的結構以及安裝位置,將風能發(fā)電機技術應用到汽車上是可以實現(xiàn)的,尤其是對于電動汽車,能很好地改善續(xù)駛里程短的不足,更重要的是如果得到廣泛應用,可以很好的緩解能源危機[1]。當然,對于裝置的內部結構和導流抑阻等發(fā)面,仍須進行更加深入的研究,通過仿真設計出適合汽車使用的風力發(fā)電機和內部增設導流裝置減小行駛中的風阻。同時,還應考慮輸出脈沖穩(wěn)定的控制,保證裝置充電的使用壽命。
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