陳浩　張帥宇　王雨（重慶交通大學，重慶 402247）

基于風光能互補系統(tǒng)的新型節(jié)能汽車能源收集系統(tǒng)

陳浩張帥宇王雨
（重慶交通大學，重慶 402247）

本文圍繞汽車行駛過程中就資源的合理利用做了一些探討，針對未來節(jié)能汽車的能源收集問題，優(yōu)化設計一種能夠穩(wěn)定輸出的風光磁互補系統(tǒng)，該互補系統(tǒng)在現(xiàn)在既有的風光互補系統(tǒng)中做了相關優(yōu)化設計。通過模型的量化計算，證明了該設計輸出穩(wěn)定，能夠有效降低環(huán)境污染，非常符合未來汽車供電系統(tǒng)的發(fā)展趨勢。

風光磁互補系統(tǒng) 太陽能發(fā)電 風力發(fā)電 磁能發(fā)電

1　引言

隨著人們生活水平的提高及科技技術與經濟工業(yè)的高速發(fā)展，汽車工業(yè)也隨之帶動起來，能源和環(huán)境是制約我國經濟，社會發(fā)展的主要障礙，可再生能源的綜合利用將起到越來越重要的作用，然而由經濟發(fā)展帶來的各類能源危機問題層出不窮，我們小組在現(xiàn)有的風光系統(tǒng)中優(yōu)化設計出一款適應汽車節(jié)能的風光磁互補系統(tǒng)，該系統(tǒng)可智能化處理各輸入端不穩(wěn)定的電流為穩(wěn)恒電流再向蓄電池輸入，通水也可防止電池過充現(xiàn)象的發(fā)生，本文就節(jié)能汽車能源充分利用問題做出相關探究，圖1為構想的系統(tǒng)安裝的位置剖面圖，該新型汽車能源收集系統(tǒng)主要分四個方面探究：

（1）利用汽車前進的風阻力作為動力發(fā)電并儲存在蓄電池內。

（2）利用天然太陽能產生的能力作為動力發(fā)電并儲存在蓄電池內。

（3）利用車輪轉動切割磁感線產生電流發(fā)電并儲存在蓄電池內。

（4）設計一款能系統(tǒng)化處理風光磁三大能量的處理系統(tǒng)。

2　理論模型（實驗方法）

由圖2可看出，本系統(tǒng)巧妙的將風能，太陽能以及電磁能結合起來，下面我們就這三條發(fā)電線路以及最后的輸出電流做一些相關的探究：

2.1風力發(fā)電機發(fā)電支線：（置于車頭）

風力發(fā)電機是將風能轉化為電能的裝置，從能量裝換的角度來看，風力發(fā)電機由兩大部分組成：其一是風力機，它的功是能將風能轉化為機械能；其二是發(fā)電機，它的功能是將機械能轉化為電能，發(fā)電機理：汽車行駛過程中，產生的風的阻力通過車頭進入車身推動葉片轉動，葉片內部切割磁感線產生電流，由發(fā)電機輸出不穩(wěn)定的輸出電壓，然后再通過二極管（防止電流倒流），穩(wěn)壓器（將電壓調至蓄電池標準輸入電壓輸出）與控制電路（保護電路）等進入蓄電池內儲存起來，以達到回收能源的作用，而且在現(xiàn)在日益興起的電動汽車里面還可以作為二次動力電能使用。

2.2相發(fā)電機發(fā)電支線：（置于車輪）

發(fā)電原理：汽車在行駛的時候四輪是在快速轉動，如果我們將導線固定在四輪上，以車輪的轉動帶動導線的運動來切割磁感線那么回路就會有電量產生。當汽車自由滑動時車輪快速轉動的機械能轉化為電能，當汽車在下坡路行駛時勢能轉化為動能，動能再轉化為電能，那么在汽車原供電系統(tǒng)中就有這部分額外的，綠色的電能來供汽車使用。其供電來源分為車輪切割磁感線和原油汽車發(fā)電機內能轉化而提供的。當汽車出現(xiàn)蓄電池過充現(xiàn)象的時候，單片機通過啟動PWM卸荷方式將多余的能量在電阻中進行消耗，同時通過調整磁電中的線圈匝數以達到對能量進行削減的作用。

2.3太陽能發(fā)電支線：（置于車身）

將太陽能發(fā)電利用在汽車上，使用太陽能電池把光能轉化成電能，電能會在儲電池中存起備用，用來供應汽車各種電能需求，隨著全球經濟和科學技術的飛速發(fā)展，太陽能的利用已經不是一個神話。太陽能電池依據所用半導體材料不同，通常分為硅電池、硫化鎘電池、砷化鎵電池等，其中最常用的是硅太陽能電池，轉化率大概為18%。我們將車頂（S=2.5㎡）放置硅太陽能電池板，經過充電控制器、逆變器后進入蓄電池，用以供應汽車各種電能需求。

3　實驗系統(tǒng)及理論運算

3.1實驗系統(tǒng)設計

風光磁互補系統(tǒng)由主電路板主要包括整流器、DC/DC變換器、防反控制電路板中的控制芯片為單片機，它負責整個系統(tǒng)的控制工作，是控制核心部分，其外圍電路包括電壓、電流采樣電路，功率管驅動電路，保護電路，通信電路，輔助電源電路等。風力發(fā)電機輸出的三相交流電接U、V、W，經三相補控整流器整流和電容穩(wěn)壓后給蓄電池充電，風力發(fā)電機接卸荷電阻，當風速過高時，風力發(fā)電機輸出電壓大于蓄電池過充電壓，單片機輸出脈沖（PWM）來控制開通，使多余的能量被消耗在卸荷電阻上，磁力發(fā)電機接卸荷電阻和調整撥片器上，當蓄電池過充的時候，單片機輸出脈沖（PWM）來控制開通，通過減少磁場線圈匝數和消耗熱量來減少能量。

為此我們設計了一款風光磁互補系統(tǒng)：白天太陽光強，風一般小，晚上沒有陽光，風一般大，太陽能和風能，而且對于汽車只要在行駛車輪就必定會轉動，風光磁在時間上的互補性使風光磁互補系統(tǒng)在資源上具有最佳的匹配性，因此風光磁發(fā)電系統(tǒng)是資源條件最好的獨立電源系統(tǒng)。如圖3。

它可實現(xiàn)以下功能：（1）風力發(fā)電機，太陽能，磁力發(fā)電機總充電流小于額定電流時，風機，太陽能和電磁能的全部能量給蓄電池充電，當風機，太陽能和電磁能的全部能量小于限電流時，系統(tǒng)直接為蓄電池充電，當風機，太陽能和電磁能的全部能量大于限電流時，單片機感應蓄電池電壓與總電壓作對比，以額定電流點的電流給蓄電池充電多余的能量啟動手動荷載或者通過PWM方式荷載，通過磁電減壓的方式給磁力和風力發(fā)電機“剎車”，磁力發(fā)電機通過PWM方式啟動撥片，減小匝數以達到減小發(fā)電量的效果。（2）磁電限速保護：當蓄電池處于過充狀態(tài)時通過PWM卸荷給發(fā)電機一個反向磁阻力矩，大幅增加發(fā)電機所消耗的功率，使之大于風輪和電磁轉機的輸出功率，從而使風輪轉速降低，減小其吸收的能量，從而進一步減低風輪轉速，為此連鎖作用所產生的實際效果是減速而不是限速。

3.2理論運算：

風電轉換部分：風力發(fā)電主要分風力機和發(fā)電機兩部分組成，核心動力裝置就是風葉片部分，風力發(fā)電機葉片的工作效率可表示為：

其中P為葉片發(fā)電效率，v為額定風速，D為風輪直徑，Cp是功率系數（一般取0.35）。

磁電轉換部分：其電能來源分為兩部分：車輪切割磁感線（新添），原有發(fā)電機內能轉化。

（注：E=NBLV 在銣鐵硼永磁鐵中，B的大小在0.01-0.6左右，假設汽車以70Km/h行駛時計算而得。）

原有的靠發(fā)電機內能轉化三相發(fā)電機功率：P2=1.732E0Icos Φ （3）

對上式三相永磁發(fā)電機的借鑒研究基礎上，我們大概的算出了汽車若一天行駛6小時，那么產生的電能為1500W.h，約為1.5度電。

在標準環(huán)境下：太陽光照Ф=1000w/㎡；太陽能電池板25℃；

硅太陽能電池板轉化率λ1=18%；充電控制器效率λ2=95%；逆變器工作效率為λ3=90%；

平均每天有效光照T=5h；設車頂面積S=2.5m^2

根據公式：P=Φλ1λ2λ3（5）

由W=P*T知；故一天的總發(fā)電量

D=S*P*T=S*Ф*λ1*λ2*λ3* T =2.5*154*5=1925Kw.h （6）

表一:節(jié)能系統(tǒng)的產電量（tabel1:The amount of energy saving control system）

4　思考與討論

通過實驗結果的理論分析和計算（祥見表一），我們將現(xiàn)有的風光互補系統(tǒng)進行了合理化的改進，優(yōu)化成適應于汽車節(jié)能的新型風光磁集能控制系統(tǒng)，我們可以看出一輛普通型的汽車在此系統(tǒng)下即可在一天時間內產生大約3.6度的電能，其帶來的環(huán)保效益不言而喻，對于這一節(jié)能系統(tǒng)的適用范圍，我們認為其在未來發(fā)展?jié)摿薮蟮姆寇囶I域可得到應用。

5　結論

市場上關于節(jié)能汽車的利用只是單方面的針對某一方面進行改進，本設計創(chuàng)新性地將幾大能量結合起來，設計出一款集節(jié)能，環(huán)保，高效于一體的新型風光磁系統(tǒng)，該系統(tǒng)在現(xiàn)有的風光互補系統(tǒng)中做了相關優(yōu)化設計使其能更好地應用到汽車節(jié)能系統(tǒng)上，該設計在市場上還從未提及過，本設計實屬本小組原創(chuàng)作品，根據本文的探究，我們可以巧妙的將汽車運行過程中的風能，太陽能，機械能合理高效地利用儲存起來，這在現(xiàn)在日益發(fā)展的房車里更可作為電能來源使用，為未來汽車創(chuàng)新與設計提供一種新的思路和想法，由于該實驗輒需的相關工程量條件比較大，我們只做了該系統(tǒng)的理論分析和計算，故而無法提供相關的實驗數據，實際操作也可能還存在很多不足，也希望讀者能夠指出錯誤以加以改進。

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