楊長慶
摘 要:太陽能和風能是目前兩種最具有發(fā)展前途的可再生清潔能源,發(fā)展工作可靠、效率高、成本低的風力發(fā)電裝置成為我國和世界各國的追求。在當代工業(yè)發(fā)展不斷壯大的背景下,汽車工業(yè)逐漸成為我國經(jīng)濟發(fā)展的支柱型產(chǎn)業(yè)之一。隨著人們生活水平的提升,燃油汽車已然無法滿足其對質(zhì)量的追求,因而新能源電動汽車應運而生。為有效解決新能源電動汽車的供電、節(jié)能需求,本文在對汽車與風能發(fā)電加以概述的基礎上,提出發(fā)電機的創(chuàng)新性設計,并嘗試對電動汽車風力發(fā)電系統(tǒng)加以設想,旨在為業(yè)內(nèi)同仁提供參考。
關鍵詞:太陽能;風能;風力
中圖分類號:U469.72 文獻標識碼:A 文章編號:1004-7344(2018)30-0152-01
引 言
風是空氣流動的現(xiàn)象,空氣有一定的質(zhì)量,空氣的流動具有一定的動能,就是可利用的風能,風能是清潔的、無污染的、取之不盡用之不竭的可再生能源。在常規(guī)能源面臨嚴重短缺以及全人類對生態(tài)環(huán)境保護意識的提高雙重壓力下,風能將逐漸成為21世紀人類利用的主要能源。
1 風力發(fā)電與汽車風能
1.1 風力發(fā)電概述
風力發(fā)電,英文寫作“wind power generation”,是指將風力作用下,將其動能轉(zhuǎn)化為電能的一中過程,風能也成為近年來備受矚目的可再生新能源之一。目前,風力發(fā)電主要流行于芬蘭、丹麥等特殊氣候國家。其主要工作原理為:在風力作用下,風車葉片產(chǎn)生旋轉(zhuǎn),同時利用增速機,將其旋轉(zhuǎn)速度大幅度提升,借此帶動發(fā)電機產(chǎn)生電力。由于風力發(fā)電不需要燃料,且無輻射、無空氣污染,效果較好且可再生,因而備受世界人民喜愛[1]。
1.2 汽車與風能
早期汽車所使用的常規(guī)能源通常為汽油、柴油等,一方面該類資源面臨枯竭,間接造成汽車使用成本逐漸上升;另一方面,隨著人們環(huán)保意識的崛起,新能源的不斷開發(fā),致使新能源中的代表——風能,開始在各行各業(yè)暫露頭角。
由于風的速度和方向是不斷變化的,因而風能存在變化性和不穩(wěn)定性,利用風能發(fā)電面臨困難,但風能的變化是有規(guī)律可循的。隨著風力發(fā)電技術(shù)研究的深入,發(fā)電裝置的不斷簡化及創(chuàng)新,人們開始將風能與汽車相結(jié)合。試想,汽車高速行駛過程中,與流動空氣摩擦形成具有一定方向性的風能,風速吹在與風速垂直的汽車表面形成風壓,掌握風速與風壓等風力資源的開發(fā)利用,具有極大經(jīng)濟價值[2]。
利用汽車高速行駛的風阻,通過風力渦輪機或風輪將獲取的風能轉(zhuǎn)換成旋轉(zhuǎn)機械能驅(qū)動,通過專用發(fā)電機將風能轉(zhuǎn)化成電能,實現(xiàn)持續(xù)穩(wěn)定地向電動汽車蓄電池充電,以解決新能源電動汽車的電力自給自足。
2 風能發(fā)電機創(chuàng)新性設計
2.1 風能發(fā)電機現(xiàn)存問題
發(fā)電機是將風能收集的機械能變成電能,傳統(tǒng)的發(fā)電機是按輸入穩(wěn)定的轉(zhuǎn)距和轉(zhuǎn)速設計的,無法適應風能輸出的變化轉(zhuǎn)距和轉(zhuǎn)速,汽車風力發(fā)電機組必須保證其在各種行駛風況、氣候條件下能夠長期安全運行,還必須考慮湍流和其他極端風況?!半p凸極直流發(fā)電機”為電動汽車風力發(fā)電專項設計定制[3]。
雙凸極電機的相電動勢波形很難達到正弦波,因而不易構(gòu)成交流發(fā)電機,一般和二極管整流電路組合構(gòu)成直流發(fā)電機,由于永磁雙凸極電機磁場調(diào)節(jié)困難,常用電勵磁雙凸極式混合勵磁雙凸極電機與整流器構(gòu)成汽車直流發(fā)電機。
2.2 電勵磁雙凸極直流發(fā)電機
電勵磁雙凸極直流發(fā)電機是近年來新興起的一種發(fā)電機,與傳統(tǒng)開關磁阻發(fā)電機相比,電勵磁雙凸極直流發(fā)電機有以下優(yōu)勢:①雙凸極發(fā)電機轉(zhuǎn)子上沒有磁鋼,沒有線圈,僅由硅鋼片疊壓而成,結(jié)構(gòu)簡單可靠,制造方便,維護簡單。②雙凸極發(fā)電機的輸出為二極管整流電路,通過勵磁調(diào)節(jié)保持輸出直流電壓不因轉(zhuǎn)速和負載太小而變,它的后接直接向蓄電池充電[4]。③雙凸極發(fā)電機發(fā)電運行時,不需要多管功率電子變換器。由于它轉(zhuǎn)子上沒有永磁磁鋼,沒有鼠籠,消除了永磁同步電機和鼠籠感應電機的缺陷,在用作高轉(zhuǎn)速、大功率汽車風力發(fā)電裝置方面,比其它開關磁阻電機更可靠[5]。
3 電動汽車風力發(fā)電系統(tǒng)設想
3.1 工作狀態(tài)
電動汽車風力發(fā)電系統(tǒng)有四種工作狀態(tài):①剩余風能向蓄電池充電,高速大風時,風力發(fā)電機輸出功率大,除供給電動驅(qū)動系統(tǒng),汽車環(huán)境控制系統(tǒng)和汽車艙門窗及制動系統(tǒng)、操縱機構(gòu)等本地用戶供電外,還有余量,多余電能向蓄電池充電;②風小或大風時,風力發(fā)電機不能輸出功率,蓄電池直接向動力系統(tǒng)和本地用戶供電;③風力發(fā)電機和蓄電池同時向動力驅(qū)動和本地用戶供電;④風力發(fā)電機僅向蓄電池充電,不向其它或本地用戶供電。
3.2 電動汽車直流電源系統(tǒng)設想
由于汽車風力發(fā)電機工作轉(zhuǎn)速在寬廣的范圍內(nèi)變化,必須有電壓調(diào)節(jié)器和發(fā)電機配套使用,電壓調(diào)節(jié)器的作用是通過調(diào)節(jié)電動機的勵磁電流使電機輸出電壓保持不變,電動汽車風力直流發(fā)電機通常和蓄電池并聯(lián)工作,在汽車起動時或發(fā)電機故障不能工作時,由蓄電池供電。同時,直流發(fā)電機還應有過電壓、低電壓、過電流和反向電流等保護電器,微處理器已將發(fā)電機的電壓調(diào)節(jié)和故障保護電器合一為發(fā)電機控制器,于是電動汽車直流電源系統(tǒng)由:風力發(fā)電機、發(fā)電機控制器、蓄電池三部分構(gòu)成。
在大型載重運輸汽車上面,可以配置多臺發(fā)電機:多臺風力發(fā)電機并聯(lián)工作時,電壓調(diào)節(jié)器還具有發(fā)電機向并聯(lián)均流的功能,多臺相互獨立的發(fā)電機控制器互為冗余,顯著提高了電源的可靠性。多電汽車的特點是:用電能代替集中式液壓、氣壓能,從而提高了汽車的可靠性、維護性,降低了機械設備重量和全周期費用。
4 結(jié) 論
不可否認,風力發(fā)電技術(shù)為世界經(jīng)濟發(fā)展產(chǎn)生了不容忽視的作用,進一步促進了我國乃至世界工業(yè)的發(fā)展。無論是從經(jīng)濟發(fā)展的角度,或是環(huán)境保護的角度,將風力發(fā)電技術(shù)應用于新能源電動汽車領域,其前景十分廣闊。目前,新能源電動汽車尚處于開拓階段,供電、節(jié)能等現(xiàn)狀均亟待改善,本文中提及的電動汽車風力發(fā)電系統(tǒng)設想則可有效緩解相應問題,筆者愿和相關機構(gòu)共同完成該項目的推廣應用落地。
參考文獻
[1]任清晨.風力發(fā)電機組工作原理和技術(shù)基礎[M].機械工業(yè)出版社,2010.
[2]基拉什.太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)[M].機械工業(yè)出版社,2011.
[3]陳志輝.雙凸極直流發(fā)電機結(jié)構(gòu)與原理[M].上海科學技術(shù)出版社,2012.
[4]張新房,徐大平,柳亦兵,等.風力發(fā)電技術(shù)的發(fā)展及相關控制問題綜述[J].華北電力技術(shù),2005(5):42~45.
[5]張 健,吳友華,姚丙雷,等.應用于新能源電動汽車的永磁輔助同步磁阻電機設計[J].電機與控制應用,2016,43(1):77~82.
收稿日期:2018-9-18