淺談風(fēng)力發(fā)電在新能源電動車上的運用

邱學(xué)軍

摘 要：風(fēng)力發(fā)電，是利用風(fēng)力帶動風(fēng)車葉片旋轉(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)在新能源電動汽車上的運用，從而增加續(xù)航，提高能源效率。

關(guān)鍵詞：風(fēng)力發(fā)電，電動汽車

引言

目前，新能源電動汽車受到了世界各國的大力推廣，由中汽協(xié)發(fā)布的行業(yè)數(shù)據(jù)顯示，2017年我國新能源汽車產(chǎn)銷均接近80萬輛，分別達到79.4萬輛和77.7萬輛，同比分別增長53.8%和53.3%，2017年新能源汽車產(chǎn)銷已占據(jù)整體汽車市場的2.7%。[1]但由于電池容量條件的限制，解決電動汽車充電頻繁、續(xù)航里程短、電池用量大且成本高昂等問題是新能源電動汽車面臨的瓶頸，因此基于這些問題對電動汽車?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)因其獨有的便利性將應(yīng)用到電動汽車上，代替部分能源的輸出，可以有效承擔(dān)電動汽車中蓄電池的部分負荷，從而提高續(xù)航能力，這對電動汽車發(fā)展具有重要的現(xiàn)實意義。

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)電機組由兩大部分組成：其一是風(fēng)力機，它的功能是將風(fēng)能轉(zhuǎn)換為機械能；其二是發(fā)電機，它的功能是將機械能轉(zhuǎn)換為電能[2]。

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

2. 風(fēng)力發(fā)電機的電力變換裝置

由于風(fēng)能的隨機性，發(fā)電機所發(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直流電能，無法為交流負載直接供電。因此，為了給負載提供穩(wěn)定、高質(zhì)量的電能和滿足交流負載用電，需要在發(fā)電機和負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風(fēng)力發(fā)電機輸出的三相交流電進行整流，整流后的直流電經(jīng)過控制器再對蓄電池進行充電。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重要的功能是，在外界風(fēng)速過小或者基本沒風(fēng)的情況下，風(fēng)力發(fā)電機的輸出功率也較小，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)電機的輸出端到蓄電池，所以防止了蓄電池對風(fēng)力發(fā)電機的反向供電。

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。可控整流器主要應(yīng)用在功率較大的系統(tǒng)中，可以減小電感過大帶來的體積大、損耗大等缺點；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的或由整流橋輸出的直流電轉(zhuǎn)變?yōu)樨撦d所能使用的交流電。目前獨立運行小型風(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，特別是輕載時的效率要高，這是因為風(fēng)電發(fā)電系統(tǒng)經(jīng)常運行在輕載狀態(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)電機組的發(fā)電機交流輸出端連接的產(chǎn)品，即控制、逆變一體化的產(chǎn)品。

逆變器的保護功能有：

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

（2）過放保護：當(dāng)風(fēng)速長期較低，蓄電池充電不足，蓄電池組電壓低于額定電壓0.85倍時，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，逆變器自動恢復(fù)工作、向外供電。

2.3蓄電池

在獨立運行的小型風(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)力較強或負荷減小時，可以將來自風(fēng)力發(fā)電機發(fā)出的電能中的一部分儲存在蓄電池中，也就是向蓄電池充電。當(dāng)風(fēng)力較弱、無風(fēng)或用電負荷增大時，儲存在蓄電池中的電能向負荷供電，以補足風(fēng)力發(fā)電機所發(fā)電能的不足，達到維持向負荷持續(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)電機風(fēng)輪軸的位置分，可分為水平軸風(fēng)力發(fā)電機和垂直軸風(fēng)力發(fā)電機。

（1）水平軸風(fēng)力發(fā)電機：水平軸風(fēng)力發(fā)電機的風(fēng)輪圍繞一個水平軸旋轉(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），它在高速運行時有較高的風(fēng)能利用率，但啟動時需要較高的風(fēng)速。

（2）垂直軸風(fēng)力發(fā)電機：垂直軸風(fēng)力發(fā)電機的風(fēng)輪圍繞一個垂直軸旋轉(zhuǎn)，風(fēng)輪軸與風(fēng)向垂直。其優(yōu)點是可以接受來自任何方向的風(fēng)，因而當(dāng)風(fēng)向改變時，無需對風(fēng)。

二.車載風(fēng)力發(fā)電風(fēng)能利用依據(jù)

.風(fēng)能利用計算公式：

大型水平軸風(fēng)力發(fā)電機的風(fēng)能利用率，絕大部分是由葉片設(shè)計方計算所得，一般在40%以上。這樣計算所得的風(fēng)能利用率的準(zhǔn)確性很值得懷疑。對于小型水平軸風(fēng)力發(fā)電機的風(fēng)能利用率，中國空氣動力研究與發(fā)展中心曾做過相關(guān)的風(fēng)洞實驗，實測的利用率在23%～29%；如果設(shè)定風(fēng)電裝置參數(shù)如表1，依據(jù)理論計算，汽車正常行駛在60km/h的狀態(tài)下，其風(fēng)輪最大能夠達800r/min，如果選用600W的永磁直流發(fā)電機，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荷，又達到了增強車輛續(xù)航能力的目的。[7]

但實現(xiàn)車載風(fēng)力發(fā)電的裝置有多種可選結(jié)構(gòu)，如風(fēng)輪前置于車頭、放置于車頂或放在車尾，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)，為電動汽車?yán)m(xù)航增程變得更有可靠性。

三、結(jié)論

新能源電動汽車的發(fā)展是一項非常復(fù)雜及漫長的系統(tǒng)工程，目前正處在快速發(fā)展階段，許多國家更是根據(jù)自己發(fā)展的特點，通過在相關(guān)領(lǐng)域的研究與探索，形成了符合自己本國的發(fā)展趨勢和思路，也反映出對將來新能源電動汽車發(fā)展模式的不同思考。本文以風(fēng)力發(fā)電為對象，從風(fēng)力發(fā)電原理、主要設(shè)定參數(shù)、進行了分析，從而淺談風(fēng)力發(fā)電在新能源電動汽車上的運用，以此減少電動汽車的能耗和增加電動汽車的續(xù)航里程。

參考文獻：

[1]中汽協(xié)發(fā)布數(shù)據(jù)

[2]鄧可蘊.戶用小型風(fēng)力發(fā)電機使用與維護[M].北京：農(nóng)業(yè)出版社，2006.

[3]劉萬琨.風(fēng)能與風(fēng)力發(fā)電技術(shù)[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2007.

[4]倪受元.風(fēng)力發(fā)電講座第一講～第五講[J].太陽能，2000（2～4），2001（l～3）.

[5]Tony Burton， David Sharpe， NICk Jenkins. Wind Enegry HnadBook[M]，2001.

[6]張興，陳玲，楊淑英.離網(wǎng)型小型風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)逆變器的控制[J].電力系統(tǒng)自動化.2008（23）：95-99.

[7]王然，電動汽車風(fēng)力發(fā)電裝置的設(shè)計[J].汽車維修2013.11