基于风光能互补系统的新型节能汽车能源收集系统

陈浩 张帅宇 王雨

【摘 要】本文围绕汽车行驶过程中就资源的合理利用做了一些探讨，针对未来节能汽车的能源收集问题，优化设计一种能够稳定输出的风光磁互补系统，该互补系统在现在既有的风光互补系统中做了相关优化设计。通过模型的量化计算，证明了该设计输出稳定，能够有效降低环境污染，非常符合未来汽车供电系统的发展趋势。

【关键词】风光磁互补系统 太阳能发电 风力发电 磁能发电

1 引言

随着人们生活水平的提高及科技技术与经济工业的高速发展，汽车工业也随之带动起来，能源和环境是制约我国经济，社会发展的主要障碍，可再生能源的综合利用将起到越来越重要的作用，然而由经济发展带来的各类能源危机问题层出不穷，我们小组在现有的风光系统中优化设计出一款适应汽车节能的风光磁互补系统，该系统可智能化处理各输入端不稳定的电流为稳恒电流再向蓄电池输入，通水也可防止电池过充现象的发生，本文就节能汽车能源充分利用问题做出相关探究，图1为构想的系统安装的位置剖面图，该新型汽车能源收集系统主要分四个方面探究：

（1）利用汽车前进的风阻力作为动力发电并储存在蓄电池内。

（2）利用天然太阳能产生的能力作为动力发电并储存在蓄电池内。

（3）利用车轮转动切割磁感线产生电流发电并储存在蓄电池内。

（4）设计一款能系统化处理风光磁三大能量的处理系统。

图1 系统安装位置

Figure1：The location of the system installation

图2 新型节能汽车能源收集系统

Figure2：the New energy-saving system of automobile

2 理论模型（实验方法）

由图可看出，本系统巧妙的将风能，太阳能以及电磁能结合起来，下面我们就这三条发电线路以及最后的输出电流做一些相关的探究：

2.1 风力发电机发电支线：（置于车头）

风力发电机是将风能转化为电能的装置，从能量装换的角度来看，风力发电机由两大部分组成：其一是风力机，它的功是能将风能转化为机械能；其二是发电机，它的功能是将机械能转化为电能，发电机理：汽车行驶过程中，产生的风的阻力通过车头进入车身推动叶片转动，叶片内部切割磁感线产生电流，由发电机输出不稳定的输出电压，然后再通过二极管（防止电流倒流），稳压器（将电压调至蓄电池标准输入电压输出）与控制电路（保护电路）等进入蓄电池内储存起来，以达到回收能源的作用，而且在现在日益兴起的电动汽车里面还可以作为二次动力电能使用。

2.2 相发电机发电支线：（置于车轮）

发电原理：汽车在行驶的时候四轮是在快速转动，如果我们将导线固定在四轮上，以车轮的转动带动导线的运动来切割磁感线那么回路就会有电量产生。当汽车自由滑动时车轮快速转动的机械能转化为电能，当汽车在下坡路行驶时势能转化为动能，动能再转化为电能，那么在汽车原供电系统中就有这部分额外的，绿色的电能来供汽车使用。其供电来源分为车轮切割磁感线和原油汽车发电机内能转化而提供的。当汽车出现蓄电池过充现象的时候，单片机通过启动PWM卸荷方式将多余的能量在电阻中进行消耗，同时通过调整磁电中的线圈匝数以达到对能量进行削减的作用。

2.3 太阳能发电支线：（置于车身）

将太阳能发电利用在汽车上，使用太阳能电池把光能转化成电能，电能会在储电池中存起备用，用来供应汽车各种电能需求，随着全球经济和科学技术的飞速发展，太阳能的利用已经不是一个神话。太阳能电池依据所用半导体材料不同，通常分为硅电池、硫化镉电池、砷化镓电池等，其中最常用的是硅太阳能电池，转化率大概为18%。我们将车顶（S=2.5㎡）放置硅太阳能电池板，经过充电控制器、逆变器后进入蓄电池，用以供应汽车各种电能需求。

3 实验系统及理论运算

3.1 实验系统设计

风光磁互补系统由主电路板主要包括整流器、DC/DC 变换器、防反控制电路板中的控制芯片为单片机，它负责整个系统的控制工作，是控制核心部分，其外围电路包括电压、电流采样电路 ，功率管驱动电路，保护电路，通信电路，辅助电源电路等。风力发电机输出的三相交流电接 U、V、W，经三相补控整流器整流和电容稳压后给蓄电池充电，风力发电机接卸荷电阻，当风速过高时，风力发电机输出电压大于蓄电池过充电压，单片机输出脉冲 （PWM） 来控制开通，使多余的能量被消耗在卸荷电阻上，磁力发电机接卸荷电阻和调整拨片器上，当蓄电池过充的时候，单片机输出脉冲（PWM）来控制开通，通过减少磁场线圈匝数和消耗热量来减少能量。

为此我们设计了一款风光磁互补系统：白天太阳光强，风一般小，晚上没有阳光，风一般大，太阳能和风能，而且对于汽车只要在行驶车轮就必定会转动，风光磁在时间上的互补性使风光磁互补系统在资源上具有最佳的匹配性，因此风光磁发电系统是资源条件最好的独立电源系统。如图3。

图3 风光磁互补系统原理图

它可实现以下功能：（1）风力发电机，太阳能，磁力发电机总充电流小于额定电流时，风机，太阳能和电磁能的全部能量给蓄电池充电，当风机，太阳能和电磁能的全部能量小于限电流时，系统直接为蓄电池充电，当风机，太阳能和电磁能的全部能量大于限电流时，单片机感应蓄电池电压与总电压作对比，以额定电流点的电流给蓄电池充电多余的能量启动手动荷载或者通过PWM方式荷载，通过磁电减压的方式给磁力和风力发电机“刹车”，磁力发电机通过PWM方式启动拨片，减小匝数以达到减小发电量的效果。（2）磁电限速保护：当蓄电池处于过充状态时通过PWM卸荷给发电机一个反向磁阻力矩，大幅增加发电机所消耗的功率，使之大于风轮和电磁转机的输出功率，从而使风轮转速降低，减小其吸收的能量，从而进一步减低风轮转速，为此连锁作用所产生的实际效果是减速而不是限速。

3.2 理论运算：

风电转换部分：风力发电主要分风力机和发电机两部分组成，核心动力装置就是风叶片部分，风力发电机叶片的工作效率可表示为： （1）

其中P为叶片发电效率，v为额定风速，D为风轮直径，Cp是功率系数（一般取0.35），

磁电转换部分：其电能来源分为两部分：车轮切割磁感线（新添），原有发电机内能转化。

车轮切割磁感线功率：P = （2）

（注：E=NBLV 在铷铁硼永磁铁中，B的大小在0.01-0.6左右，假设汽车以70Km/h行驶时计算而得。）

原有的靠发电机内能转化三相发电机功率：P =1.732E IcosΦ （3）

对上式三相永磁发电机的借鉴研究基础上，我们大概的算出了汽车若一天行驶6小时，那么产生的电能为1500W.h，约为1.5度电。

磁电转换的理论计算确定后，结合实验的需要和目的，选用的实验参数如下：对于一般的汽车，车轮半径以0.35m来计算，且导线长度以0.25m为准。在铷铁硼永磁铁中，B的大小在0.01-0.6左右。所以，当汽车以70Km/h行驶5小时时，估算得W=. 。

3.2.3 光电转换部分：

在标准环境下：太阳光照Ф=1000w/㎡；太阳能电池板25℃；

硅太阳能电池板转化率λ1=18%；充电控制器效率λ2=95%；逆变器工作效率为λ3=90%；

平均每天有效光照T=5h；设车顶面积S=2.5m^2

根据公式： （5）

由W=P*T知；故一天的总发电量

D=S*P*T=S*Ф*λ1*λ2*λ3* T =2.5*154*5=1925Kw.h （6）

表一：节能系统的产电量

（tabel1：The amount of energy saving control system）

车辆平均风速

（m/s） 风电日均发电量（Kw.h） 光电日均发电量（Kw.h） 磁电日均发电量（Kw.h） 系统日均发电量（Kw.h）

18 0.2 1.9 1.5 3.6

4 思考与讨论

通过实验结果的理论分析和计算，我们将现有的风光互补系统进行了合理化的改进，优化成适应于汽车节能的新型风光磁集能控制系统，我们可以看出一辆普通型的汽车在此系统下即可在一天时间内产生大约3.6度的电能，其带来的环保效益不言而喻，对于这一节能系统的适用范围，我们认为其在未来发展潜力巨大的房车领域可得到应用。

5 结论

市场上关于节能汽车的利用只是单方面的针对某一方面进行改进，本设计创新性地将几大能量结合起来，设计出一款集节能，环保，高效于一体的新型风光磁系统，该系统在现有的风光互补系统中做了相关优化设计使其能更好地应用到汽车节能系统上，该设计在市场上还从未提及过，本设计实属本小组原创作品，根据本文的探究，我们可以巧妙的将汽车运行过程中的风能，太阳能，机械能合理高效地利用储存起来，这在现在日益发展的房车里更可作为电能来源使用，为未来汽车创新与设计提供一种新的思路和想法，由于该实验辄需的相关工程量条件比较大，我们只做了该系统的理论分析和计算，故而无法提供相关的实验数据，实际操作也可能还存在很多不足，也希望读者能够指出错误以加以改进。

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