邱學(xué)軍

摘 要：風(fēng)力發(fā)電，是利用風(fēng)力帶動(dòng)風(fēng)車(chē)葉片旋轉(zhuǎn)將風(fēng)能轉(zhuǎn)化為電能的技術(shù)；。本文淺述風(fēng)力發(fā)電技術(shù)在新能源電動(dòng)汽車(chē)上的運(yùn)用，從而增加續(xù)航，提高能源效率。

關(guān)鍵詞：風(fēng)力發(fā)電，電動(dòng)汽車(chē)

引言

目前，新能源電動(dòng)汽車(chē)受到了世界各國(guó)的大力推廣，由中汽協(xié)發(fā)布的行業(yè)數(shù)據(jù)顯示，2017年我國(guó)新能源汽車(chē)產(chǎn)銷(xiāo)均接近80萬(wàn)輛，分別達(dá)到79.4萬(wàn)輛和77.7萬(wàn)輛，同比分別增長(zhǎng)53.8%和53.3%，2017年新能源汽車(chē)產(chǎn)銷(xiāo)已占據(jù)整體汽車(chē)市場(chǎng)的2.7%。[1]但由于電池容量條件的限制，解決電動(dòng)汽車(chē)充電頻繁、續(xù)航里程短、電池用量大且成本高昂等問(wèn)題是新能源電動(dòng)汽車(chē)面臨的瓶頸，因此基于這些問(wèn)題對(duì)電動(dòng)汽車(chē)?yán)m(xù)航增程方式的多樣化和方便性提出更多的思考。其中風(fēng)力發(fā)電技術(shù)因其獨(dú)有的便利性將應(yīng)用到電動(dòng)汽車(chē)上，代替部分能源的輸出，可以有效承擔(dān)電動(dòng)汽車(chē)中蓄電池的部分負(fù)荷，從而提高續(xù)航能力，這對(duì)電動(dòng)汽車(chē)發(fā)展具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

一.風(fēng)力發(fā)電技術(shù)概述

1.風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)及工作原理

風(fēng)力發(fā)電是將風(fēng)能轉(zhuǎn)化為電能的技術(shù)。從能量轉(zhuǎn)換的角度看，風(fēng)力發(fā)電機(jī)組由兩大部分組成：其一是風(fēng)力機(jī)，它的功能是將風(fēng)能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能；其二是發(fā)電機(jī)，它的功能是將機(jī)械能轉(zhuǎn)換為電能[2]。

常規(guī)的小型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組多由感應(yīng)發(fā)電機(jī)或永磁同步發(fā)電機(jī)加AC/DC變換器、蓄電池、逆變器組成[3]。風(fēng)輪的轉(zhuǎn)動(dòng)驅(qū)動(dòng)了發(fā)電機(jī)軸的旋轉(zhuǎn)，帶動(dòng)永磁三相發(fā)電機(jī)發(fā)出三相交流電。風(fēng)速的不斷變化、忽大忽小，發(fā)電機(jī)發(fā)出的電流和電壓也隨著變化。發(fā)出的電經(jīng)過(guò)控制器的整流，由交流電變成了具有一定電壓的直流電，并向蓄電池進(jìn)行充電。從蓄電池組輸出的直流電，供給負(fù)載。

2. 風(fēng)力發(fā)電機(jī)的電力變換裝置

由于風(fēng)能的隨機(jī)性，發(fā)電機(jī)所發(fā)出電能的頻率和電壓都是不穩(wěn)定的，以及蓄電池只能存儲(chǔ)直流電能，無(wú)法為交流負(fù)載直接供電。因此，為了給負(fù)載提供穩(wěn)定、高質(zhì)量的電能和滿足交流負(fù)載用電，需要在發(fā)電機(jī)和負(fù)載之間加入電力變換裝置，這種電力變換裝置主要由整流器、逆變器、蓄電池等組成[4][5]。

2.1 整流器

整流器的主要功能是對(duì)風(fēng)力發(fā)電機(jī)輸出的三相交流電進(jìn)行整流，整流后的直流電經(jīng)過(guò)控制器再對(duì)蓄電池進(jìn)行充電。一般采用的都是三相橋式整流電路。在風(fēng)電支路中整流器的另外一個(gè)重要的功能是，在外界風(fēng)速過(guò)小或者基本沒(méi)風(fēng)的情況下，風(fēng)力發(fā)電機(jī)的輸出功率也較小，由于三相整流橋的二極管導(dǎo)通方向只能是由風(fēng)力發(fā)電機(jī)的輸出端到蓄電池，所以防止了蓄電池對(duì)風(fēng)力發(fā)電機(jī)的反向供電。

根據(jù)風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的容量不同，整流器分為可控與不可控兩種?？煽卣髌髦饕獞?yīng)用在功率較大的系統(tǒng)中，可以減小電感過(guò)大帶來(lái)的體積大、損耗大等缺點(diǎn)；不可控整流器主要應(yīng)用于小功率系統(tǒng)中。

2.2 逆變器

逆變器是在電力變換過(guò)程中經(jīng)常使用到的一種電力電子裝置，它的主要作用就是將蓄電池存儲(chǔ)的或由整流橋輸出的直流電轉(zhuǎn)變?yōu)樨?fù)載所能使用的交流電。目前獨(dú)立運(yùn)行小型風(fēng)電系統(tǒng)的逆變器多數(shù)為電壓型單相橋式逆變器。在風(fēng)力發(fā)電中所使用的逆變器要求具有較高的效率，特別是輕載時(shí)的效率要高，這是因?yàn)轱L(fēng)電發(fā)電系統(tǒng)經(jīng)常運(yùn)行在輕載狀態(tài)。另外，由于輸入的蓄電池電壓隨充、放電狀態(tài)改變而變動(dòng)較大，這就要求逆變器能在較大的直流電壓變化范圍內(nèi)正常工作，而且要保證輸出電壓的穩(wěn)定[6]。

逆變器按輸人方式分為兩種：

（1）直流輸入型：逆變器輸入端直接與電瓶連接的產(chǎn)品；

（2）交流輸入型：逆變器輸入端與風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的發(fā)電機(jī)交流輸出端連接的產(chǎn)品，即控制、逆變一體化的產(chǎn)品。

逆變器的保護(hù)功能有：

（1）過(guò)充保護(hù)：當(dāng)風(fēng)速持續(xù)較高，蓄電池充電很足，蓄電池組電壓超過(guò)額定電壓1.25倍時(shí)，控制器停止向蓄電池充電，多余的電流流向卸荷器。

（2）過(guò)放保護(hù)：當(dāng)風(fēng)速長(zhǎng)期較低，蓄電池充電不足，蓄電池組電壓低于額定電壓0.85倍時(shí)，逆變器停止工作，不再向外供電。當(dāng)風(fēng)速再增高，蓄電池組電壓恢復(fù)到額定電壓的1.1倍時(shí)，逆變器自動(dòng)恢復(fù)工作、向外供電。

2.3蓄電池

在獨(dú)立運(yùn)行的小型風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中，廣泛采用蓄電池作為蓄能裝置。蓄電池的作用是當(dāng)風(fēng)力較強(qiáng)或負(fù)荷減小時(shí)，可以將來(lái)自風(fēng)力發(fā)電機(jī)發(fā)出的電能中的一部分儲(chǔ)存在蓄電池中，也就是向蓄電池充電。當(dāng)風(fēng)力較弱、無(wú)風(fēng)或用電負(fù)荷增大時(shí)，儲(chǔ)存在蓄電池中的電能向負(fù)荷供電，以補(bǔ)足風(fēng)力發(fā)電機(jī)所發(fā)電能的不足，達(dá)到維持向負(fù)荷持續(xù)穩(wěn)定供電的作用。

3.風(fēng)力發(fā)電的分類

按照風(fēng)力發(fā)電機(jī)風(fēng)輪軸的位置分，可分為水平軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)和垂直軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)。

（1）水平軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)：水平軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)的風(fēng)輪圍繞一個(gè)水平軸旋轉(zhuǎn)，風(fēng)輪軸與風(fēng)向平行，與旋轉(zhuǎn)軸垂直，并與風(fēng)輪的旋轉(zhuǎn)平面成一角度（稱為安裝角）。風(fēng)輪葉片數(shù)目為1～10片（大多為3片、5片、6片），它在高速運(yùn)行時(shí)有較高的風(fēng)能利用率，但啟動(dòng)時(shí)需要較高的風(fēng)速。

（2）垂直軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)：垂直軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)的風(fēng)輪圍繞一個(gè)垂直軸旋轉(zhuǎn)，風(fēng)輪軸與風(fēng)向垂直。其優(yōu)點(diǎn)是可以接受來(lái)自任何方向的風(fēng)，因而當(dāng)風(fēng)向改變時(shí)，無(wú)需對(duì)風(fēng)。

二.車(chē)載風(fēng)力發(fā)電風(fēng)能利用依據(jù)

.風(fēng)能利用計(jì)算公式：

大型水平軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)的風(fēng)能利用率，絕大部分是由葉片設(shè)計(jì)方計(jì)算所得，一般在40%以上。這樣計(jì)算所得的風(fēng)能利用率的準(zhǔn)確性很值得懷疑。對(duì)于小型水平軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)的風(fēng)能利用率，中國(guó)空氣動(dòng)力研究與發(fā)展中心曾做過(guò)相關(guān)的風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)，實(shí)測(cè)的利用率在23%～29%；如果設(shè)定風(fēng)電裝置參數(shù)如表1，依據(jù)理論計(jì)算，汽車(chē)正常行駛在60km/h的狀態(tài)下，其風(fēng)輪最大能夠達(dá)800r/min，如果選用600W的永磁直流發(fā)電機(jī)，其額定電壓為12V；此部分電作為輔助裝置電源足夠使用，即降低了主電源的負(fù)荷，又達(dá)到了增強(qiáng)車(chē)輛續(xù)航能力的目的。[7]

但實(shí)現(xiàn)車(chē)載風(fēng)力發(fā)電的裝置有多種可選結(jié)構(gòu)，如風(fēng)輪前置于車(chē)頭、放置于車(chē)頂或放在車(chē)尾，左右后側(cè)翼等，而風(fēng)輪的形狀也有多種選擇：軸流式、離心式、滾輪式等，甚至可安裝多個(gè)風(fēng)電裝置，從而可更合理的利用風(fēng)力發(fā)電技術(shù)，為電動(dòng)汽車(chē)?yán)m(xù)航增程變得更有可靠性。

三、結(jié)論

新能源電動(dòng)汽車(chē)的發(fā)展是一項(xiàng)非常復(fù)雜及漫長(zhǎng)的系統(tǒng)工程，目前正處在快速發(fā)展階段，許多國(guó)家更是根據(jù)自己發(fā)展的特點(diǎn)，通過(guò)在相關(guān)領(lǐng)域的研究與探索，形成了符合自己本國(guó)的發(fā)展趨勢(shì)和思路，也反映出對(duì)將來(lái)新能源電動(dòng)汽車(chē)發(fā)展模式的不同思考。本文以風(fēng)力發(fā)電為對(duì)象，從風(fēng)力發(fā)電原理、主要設(shè)定參數(shù)、進(jìn)行了分析，從而淺談風(fēng)力發(fā)電在新能源電動(dòng)汽車(chē)上的運(yùn)用，以此減少電動(dòng)汽車(chē)的能耗和增加電動(dòng)汽車(chē)的續(xù)航里程。

參考文獻(xiàn)：

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[7]王然，電動(dòng)汽車(chē)風(fēng)力發(fā)電裝置的設(shè)計(jì)[J].汽車(chē)維修2013.11