風(fēng)電混合動(dòng)力微型車設(shè)計(jì)

邊國俐 徐亞龍 羅子卓

摘 要：電動(dòng)車由于電池技術(shù)的制約下，續(xù)航里程還無法達(dá)到理想水平。本論文旨在設(shè)計(jì)一款風(fēng)電混合動(dòng)力微型車，以達(dá)到降低行駛耗能，充分利用發(fā)電能源來提高電動(dòng)車的續(xù)航里程。根據(jù)國內(nèi)外文獻(xiàn)和實(shí)際測(cè)量研究分析，本文從風(fēng)能發(fā)電機(jī)結(jié)構(gòu)、風(fēng)能回收率與車速關(guān)系以及制作簡(jiǎn)單的汽車模型，從而實(shí)現(xiàn)風(fēng)電混合動(dòng)力微型車的設(shè)計(jì)。

關(guān)鍵詞：風(fēng)力發(fā)電機(jī)；葉扇；保護(hù)系統(tǒng)

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2018.16.052

1 發(fā)電機(jī)葉扇設(shè)計(jì)

作用在葉素上的力可按入流速度的方向分為兩個(gè)力，F(xiàn)d與入流方向平行，F(xiàn)i與入流速度垂直Ci（α）為升力系數(shù)、Cd（α）為阻力系數(shù)，所以與入流方向垂直的力Fi為升力，與入流方向平行的力Fd為阻力，由公式得：

貝茲理論是風(fēng)力發(fā)電中關(guān)于風(fēng)能利用效率的一條基本的理論，它由德國物理學(xué)家Albert Betz于1919年提出，用于計(jì)算在理想情況下，風(fēng)能的最大利用率，在計(jì)算時(shí)，將風(fēng)力發(fā)電機(jī)簡(jiǎn)化的看成一個(gè)單元管。

由兩式綜合可得風(fēng)能的最大利用率在理想狀態(tài)下為0.593，但是在實(shí)際情況下由于存在各種因素，風(fēng)能利用率往往不能達(dá)到最大利用率，但經(jīng)過國內(nèi)外研究文獻(xiàn)，可得知實(shí)際風(fēng)能利用率在0.3-0.6之間，在設(shè)計(jì)模型車葉片面積時(shí)暫時(shí)使用計(jì)算的最大利用率，根據(jù)模型車實(shí)際數(shù)據(jù)反饋再做修改。

在得出公式后風(fēng)速的測(cè)試，根據(jù)我國氣候環(huán)境的特點(diǎn)，測(cè)試時(shí)一律選擇在無風(fēng)的環(huán)境下測(cè)試，同時(shí)為了計(jì)算方便，測(cè)試路段全都選用為直線，將風(fēng)速儀安裝在車頂上直接測(cè)量風(fēng)速，由于路面凹凸程度不同所以，讓車子在路面比較平穩(wěn)、不同的直線路面多次測(cè)量取平均值來作為最終結(jié)果，測(cè)試結(jié)果如下：

在無風(fēng)的情況下風(fēng)速跟車速的比值大概在0.5左右，隨著車速增加比值也增加，當(dāng)車速達(dá)到40km/h時(shí)風(fēng)速與車速比值達(dá)到一個(gè)閾值，大概在0.54左右，所以實(shí)際風(fēng)速計(jì)算時(shí)可按車速的0.54倍來計(jì)算。

總結(jié)：綜合上述的公式計(jì)算和實(shí)際風(fēng)速測(cè)量，可以計(jì)算理論上扇葉的面積角度和在不同風(fēng)速下輸出的功率，還有扇葉轉(zhuǎn)動(dòng)可以產(chǎn)生的扭矩，為齒輪箱齒輪設(shè)計(jì)提供條件。

2 小型發(fā)電機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

風(fēng)力發(fā)電機(jī)的結(jié)構(gòu)多種多樣，但總結(jié)歸納起來大體分為兩種：①水平軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)；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)輪旋轉(zhuǎn)方向與風(fēng)向垂直，扇葉的設(shè)計(jì)也依靠葉素理論和貝茲理論，而且在實(shí)際應(yīng)用上，垂直軸發(fā)電不受風(fēng)向改變的影響，輸出功率也就不會(huì)被車輛拐彎或風(fēng)向改變影響，葉片設(shè)計(jì)一般為直葉片沒有角度彎曲，各個(gè)截面相同，但是垂直軸發(fā)電機(jī)對(duì)風(fēng)能的利用率沒有水平軸高，而且結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上所需空間比較大，在普通的電動(dòng)車上不好設(shè)計(jì)安裝。

水平軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)的風(fēng)輪旋轉(zhuǎn)方向與風(fēng)向平行，大多數(shù)風(fēng)力發(fā)電機(jī)的設(shè)計(jì)都采用水平軸，目前水平軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)的研究比垂直軸的要成熟，水平軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單，適合運(yùn)用于各種大小型發(fā)電機(jī)，在原有的電動(dòng)車結(jié)構(gòu)上不需要太大改動(dòng)即可加入小型風(fēng)力發(fā)電機(jī)用以回收風(fēng)能，而且風(fēng)能利用率最高可達(dá)到理想狀態(tài)下的0.593，根據(jù)國內(nèi)外目前實(shí)際研究測(cè)量，在實(shí)際情況下利用率平均可以在0.4以上。

水平軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)又有升力型和阻力型之分。阻力型的轉(zhuǎn)速低，風(fēng)能利用率比較低，而升力型轉(zhuǎn)速高，風(fēng)能利用率比較高，葉尖速比通常在4以上，是大多數(shù)水平軸發(fā)電機(jī)采用的結(jié)構(gòu)，所以我們?cè)O(shè)計(jì)時(shí)采用水平軸升力型發(fā)電機(jī)。

總結(jié)：在確定發(fā)電機(jī)的結(jié)構(gòu)型號(hào)下，再綜合扇葉的結(jié)構(gòu)參數(shù)，來設(shè)計(jì)發(fā)電機(jī)齒輪箱，從而實(shí)現(xiàn)在日常車速下發(fā)電機(jī)能給電池充電。

3 保護(hù)系統(tǒng)

因?yàn)樵趯?shí)際路況和實(shí)際環(huán)境下，由于路面不平，彎道較多或者是自然風(fēng)風(fēng)速大小不穩(wěn)定，都會(huì)導(dǎo)致發(fā)電機(jī)輸出功率的浮動(dòng)，從而輸出的電壓不穩(wěn)會(huì)導(dǎo)致對(duì)電池的損害，所以在發(fā)電機(jī)里要安裝小型穩(wěn)壓器用來固定功率輸出從而保護(hù)電池。在實(shí)際路況中，還可能會(huì)遇到迎面風(fēng)速很大的情況，風(fēng)速過大再加上車輛本身車速行駛所產(chǎn)生的風(fēng)速，發(fā)電機(jī)可能會(huì)產(chǎn)生超過小型變壓器的額定電壓，所以要在齒輪箱跟扇葉之間加裝一個(gè)轉(zhuǎn)速傳感器，傳感器連接車輛的ECU，用以監(jiān)控扇葉轉(zhuǎn)速，當(dāng)扇葉轉(zhuǎn)速過高時(shí)，ECU切斷發(fā)電機(jī)與穩(wěn)壓器的連接，暫時(shí)停止電流通過穩(wěn)壓器，等轉(zhuǎn)速回復(fù)到安全數(shù)值在連通發(fā)電機(jī)和穩(wěn)壓器。

總結(jié)：在發(fā)電機(jī)和扇葉都設(shè)計(jì)完成后，在通過實(shí)際測(cè)量得到轉(zhuǎn)速的安全范圍后，進(jìn)行轉(zhuǎn)速傳感器的設(shè)計(jì)與編程，最后計(jì)算發(fā)電機(jī)正常工作輸出功率范圍，用以設(shè)計(jì)穩(wěn)壓器。

4 全文總結(jié)

（1）本文先通過對(duì)扇葉的設(shè)計(jì)計(jì)算得出相應(yīng)的數(shù)據(jù)，用風(fēng)速儀在實(shí)際路況和實(shí)際環(huán)境下，測(cè)量風(fēng)速，以供后面設(shè)計(jì)步驟提供數(shù)據(jù)條件。計(jì)算時(shí)都是在理想狀態(tài)下，所以設(shè)計(jì)制造出實(shí)物后還要根據(jù)實(shí)際測(cè)量數(shù)據(jù)，對(duì)設(shè)計(jì)進(jìn)行調(diào)整。

（2）在完成扇葉的設(shè)計(jì)后，得到扇葉面積、扭矩和轉(zhuǎn)速等詳細(xì)參數(shù)后，根據(jù)所選取的發(fā)電機(jī)的種類型號(hào)來制作齒輪箱的齒輪，使發(fā)電機(jī)能在正常車速范圍下工作。

（3）在正常情況工作時(shí)，還需穩(wěn)壓器控制輸出功率，從而保護(hù)電池，在非正常情況下需要傳感器監(jiān)控，從而對(duì)發(fā)電機(jī)起到保護(hù)作用。

（4）本文對(duì)發(fā)電機(jī)的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)概念簡(jiǎn)圖如下：

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本文系2017年廣西科技大學(xué)自治區(qū)級(jí)大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計(jì)劃項(xiàng)目“風(fēng)電混合動(dòng)力微型車設(shè)計(jì)”成果。項(xiàng)目編號(hào)：201710594227