朱星光 劉暢
【摘要】我們所熟知的車(chē)載風(fēng)力發(fā)電裝置是當(dāng)車(chē)輛在行駛過(guò)程中借助風(fēng)力推動(dòng)發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng),使得發(fā)電機(jī)中的轉(zhuǎn)子切割磁感線來(lái)產(chǎn)生電能,并將電能儲(chǔ)存起來(lái)以備不時(shí)之需。然而目前常見(jiàn)的一些車(chē)載風(fēng)力發(fā)電機(jī)存在著很多的問(wèn)題-影響車(chē)子本身的美觀,甚至影響車(chē)子的性能等問(wèn)題,所以一直不能夠被大眾所接受。本文則將車(chē)載風(fēng)力發(fā)電機(jī)與車(chē)頂行李箱結(jié)合起來(lái),因?yàn)榘惭b車(chē)頂行李箱本身就會(huì)影響到車(chē)子的性能,使車(chē)子在運(yùn)行中受到的風(fēng)阻增大,從而增加燃料的消耗。所以在車(chē)頂行李箱前面加裝一個(gè)風(fēng)力發(fā)電裝置,從而使這部分被浪費(fèi)掉的能量能有一部分被回收,以達(dá)到節(jié)能的目的。
【關(guān)鍵詞】車(chē)載風(fēng)力發(fā)電裝置? 車(chē)載行李箱? 節(jié)能? 戶外旅行
風(fēng)能作為一種取之不盡用之不竭的可再生能源,在其被人們利用轉(zhuǎn)化為電能時(shí),不會(huì)產(chǎn)生二氧化碳等化學(xué)物質(zhì),從而避免對(duì)大自然造成環(huán)境污染,是一種真正的清潔能源。隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展,很多城市的生活節(jié)奏加快,很多人期盼著在假期時(shí)間能夠放松一下,減緩工作和生活中的壓力,因此選擇開(kāi)車(chē)外出旅行的人越來(lái)越多,旅行中人們難免需要更換衣物,停車(chē)拍照,甚至在野外搭帳篷居住。
因此需要攜帶的裝備很多,而目前市面上的大多數(shù)車(chē)子后備箱的容量都很有限,并不能盛放下車(chē)主的所有東西,因此很多有長(zhǎng)途旅行需求的車(chē)主都會(huì)選擇在車(chē)頂加裝一個(gè)車(chē)載行李箱,然而加裝車(chē)載行李箱之后會(huì)增加汽車(chē)的風(fēng)阻,進(jìn)而使得了汽車(chē)在長(zhǎng)途旅行中燃料的消耗變多。
此時(shí)若在車(chē)載行李箱之前加裝一個(gè)車(chē)載風(fēng)力發(fā)電裝置便可以回收一部分被浪費(fèi)掉的能量,而回收來(lái)的能量可以用來(lái)給手機(jī)、筆記本以及攝像機(jī)等用電設(shè)備充電。
一、現(xiàn)階段人們戶外旅行時(shí)對(duì)于能源的需求
1.長(zhǎng)途旅行的普遍化
由于生活質(zhì)量的不斷提高,很多人在繁忙的工作之余都會(huì)選擇一段短途或長(zhǎng)途旅行來(lái)放松自己,我們經(jīng)??梢栽诙桃曨l平臺(tái)看到諸如此類(lèi)的自駕行,經(jīng)過(guò)在短視頻平臺(tái)的宣傳,使得越來(lái)越多的人有了對(duì)于這種自由自在的自駕游的向往。隨之而來(lái)的問(wèn)題便是在進(jìn)行自駕旅行中人們對(duì)于能源需求,在戶外荒無(wú)人煙的地方如發(fā)生通信設(shè)備電量不足的情況,又不幸的遇到汽車(chē)故障,恐怕是每個(gè)自駕旅行的人不想遇到的噩夢(mèng),因此可見(jiàn)多一份能源保證是多么的重要。
2.可以獲取能源的渠道
目前我們可以通過(guò)攜帶充電電池、太陽(yáng)能充電器等裝置來(lái)獲取能源。但是充電電池面臨著重量過(guò)大、占用儲(chǔ)物空間以及儲(chǔ)存的能源有限等問(wèn)題;而對(duì)于太陽(yáng)能充電器,雖然可以持續(xù)的獲取能源,但是在陰天有雨等惡劣的沒(méi)有陽(yáng)光的天氣情況下便不能使用。但對(duì)于車(chē)載式風(fēng)力發(fā)電裝置,不但不占用車(chē)內(nèi)本就寸土寸金的空間,而且還有著可以隨時(shí)隨地獲取的優(yōu)點(diǎn)。因此對(duì)于外出旅行的人們裝備車(chē)載式風(fēng)力發(fā)電裝置是十分重要的。
二、該裝置的設(shè)計(jì)方案
1.該裝置的發(fā)電過(guò)程
如圖1所示,裝置在汽車(chē)以一定速度行駛的情況下開(kāi)始運(yùn)行通過(guò)風(fēng)輪將風(fēng)產(chǎn)生的阻力風(fēng)力轉(zhuǎn)化為驅(qū)動(dòng)風(fēng)輪運(yùn)動(dòng)的動(dòng)能,依靠風(fēng)輪帶動(dòng)風(fēng)輪中心的發(fā)電機(jī)發(fā)電,在經(jīng)過(guò)整流電路整流之后,電能便可被存儲(chǔ)到車(chē)頂行李箱前端的電池中,可供用電設(shè)備使用,實(shí)現(xiàn)了由風(fēng)能到機(jī)械能,機(jī)械能到電能的能量轉(zhuǎn)變的過(guò)程。
2.裝置的構(gòu)成
本裝置主要由四大大部分組成:風(fēng)扇、發(fā)電機(jī)、整流線路以及藏在車(chē)頂行李箱前部的電池。除此之外在車(chē)頂行李箱內(nèi)部還設(shè)有用來(lái)給各種用電設(shè)備充電的USB接口。
三、該裝置各項(xiàng)結(jié)構(gòu)的選擇和優(yōu)化
1.風(fēng)扇葉片的選擇
風(fēng)扇作為風(fēng)力發(fā)電裝置中吸收風(fēng)能的部件,在裝置中起到了尤為重要的作用。其中葉片的強(qiáng)度、長(zhǎng)寬比例、葉片的安裝角度、攻角以及葉片的數(shù)量都對(duì)風(fēng)扇本身是否能夠最大效率的吸收風(fēng)能產(chǎn)生了重要的影響。在眾多葉片翼型中,本設(shè)計(jì)最終選擇NACA2412型葉片翼型,如圖2所示:
由于車(chē)載行李箱的前部面積的限制,所以本設(shè)計(jì)中選擇長(zhǎng)度為70mm,寬度為25mm,厚度為1mm的葉片來(lái)組成葉輪;風(fēng)扇的葉片根據(jù)數(shù)量可分為少葉片和多葉片兩種類(lèi)型,其中少葉片的風(fēng)扇可以實(shí)現(xiàn)高速旋轉(zhuǎn),由于三葉片的風(fēng)扇具有運(yùn)行平穩(wěn)、對(duì)其他構(gòu)件影響較小的優(yōu)點(diǎn),故本設(shè)計(jì)中選用三葉片的風(fēng)扇,其葉片布置如圖3所示:
對(duì)于葉片的材料,為了使葉片能夠承受車(chē)輛高速行駛中強(qiáng)大的風(fēng)阻,本設(shè)計(jì)采用高碳鋼的材料,由于高碳鋼材料的剪切應(yīng)力有十幾兆帕,足以應(yīng)對(duì)車(chē)輛行駛過(guò)程中的風(fēng)阻;
2.發(fā)電機(jī)的選擇
發(fā)電機(jī)作為將風(fēng)能轉(zhuǎn)化為電能的主要機(jī)械部件,當(dāng)風(fēng)力吹動(dòng)風(fēng)扇轉(zhuǎn)動(dòng)便可帶動(dòng)發(fā)電機(jī)中的轉(zhuǎn)子運(yùn)動(dòng),從而產(chǎn)生電能。發(fā)電機(jī)的種類(lèi)可以分為交流發(fā)電機(jī)和直流發(fā)電機(jī)兩種,考慮到直流發(fā)電機(jī)在旋轉(zhuǎn)時(shí)由于會(huì)有摩擦,所以會(huì)造成很大的能量損耗,且由于車(chē)輛在運(yùn)行中速度并不是固定不變的,所以風(fēng)扇轉(zhuǎn)動(dòng)的速度也不是固定的,也會(huì)產(chǎn)生不穩(wěn)定的電流;對(duì)于交流發(fā)電機(jī),不僅有著造價(jià)便宜,性能穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn),并且其在發(fā)電的過(guò)程中能量損耗較少,所以本設(shè)計(jì)中采用交流發(fā)電機(jī)。發(fā)電機(jī)根據(jù)相數(shù)又可以分為單相和三相,但單相電機(jī)沒(méi)有啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩,且噪音較大;而三相發(fā)電機(jī)具有啟動(dòng)電流小,結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,不容易出現(xiàn)故障等優(yōu)點(diǎn),故選擇三相交流發(fā)電機(jī)。
通過(guò)計(jì)算最大風(fēng)能來(lái)選擇發(fā)電機(jī)功率:
根據(jù)計(jì)算,可采用額定功率為100W,12V的三相交流發(fā)電機(jī)。
3.整流線路以及電池的選擇
整流電路作為車(chē)載風(fēng)力發(fā)電裝置中的不可或缺一環(huán),其中的整流元器件的選擇也顯得尤為重要。根據(jù)材料的不同,常見(jiàn)的整流元器件有二極管和晶閘管,由于晶閘管可以在電池充滿電時(shí)關(guān)閉整流電路,以保護(hù)電池的安全;而二極管在電池充滿之后依舊開(kāi)放整流電路,極大可能會(huì)對(duì)電池造成損壞,所以二極管只能用于普通的整流電路,故車(chē)載風(fēng)力發(fā)電裝置中選用晶閘管作為整流元器件,而為了使能耗的損失降到最小,本裝置的整流的電路選擇橋式全波整流電路進(jìn)行整流,如圖4所示:
電池是車(chē)載風(fēng)力發(fā)電裝置中的儲(chǔ)能元件,根據(jù)電池材質(zhì)的不同可分為鉛酸蓄電池、鎳氫電池和鋰電池[7]。鎳氫電池常用于電動(dòng)車(chē),其放電密度與其所處環(huán)境有很大的關(guān)系,而作為車(chē)載風(fēng)力發(fā)電裝置的電池,可能會(huì)處于溫度較低的環(huán)境,此時(shí)鎳氫電池的放電將會(huì)受到影響;對(duì)于鋰電池,目前多用于手機(jī)電池,只能用于小電流放電,且造價(jià)較為昂貴;而鉛酸蓄電池有著成本低廉,可靠性高,對(duì)環(huán)境依賴性小等優(yōu)點(diǎn),所以適合用于車(chē)載風(fēng)力發(fā)電裝置。
四、結(jié)論
本文以小型車(chē)載風(fēng)力發(fā)電機(jī)為研究對(duì)象。從目前的市場(chǎng)需求、設(shè)計(jì)方案和裝置中構(gòu)件的選擇三個(gè)方面進(jìn)行了分析,初步設(shè)計(jì)了一種風(fēng)力發(fā)電裝置與車(chē)頂行李箱結(jié)合工作的小型發(fā)電裝置,為有長(zhǎng)途旅行需求的人們提供了可靠得保證
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作者簡(jiǎn)介:朱星光(1997.10-),男,漢族,山東聊城人,學(xué)士,研究方向:制冷,風(fēng)力發(fā)電。