陸地交通工具裝備自發(fā)電裝置的探討

陳子龍 譙 航 溫佳鑫 王 哲 黃培雨

（西華大學(xué)汽車與交通學(xué)院，四川成都610039）

0 引言

中國(guó)未來(lái)對(duì)綠色能源的戰(zhàn)略定位：2020年前后，綠色能源占到能源消費(fèi)的15%左右，戰(zhàn)略定位是替代能源；2030年前后，綠色能源占到能源消費(fèi)的25%左右，戰(zhàn)略定位是主流能源；2050年前后，綠色能源占到能源消費(fèi)的40%左右，戰(zhàn)略定位是主導(dǎo)能源。由此可見(jiàn)，綠色能源在當(dāng)代社會(huì)中的需求越來(lái)越大。目前的陸地交通工具主要包括汽車、火車以及非機(jī)動(dòng)車輛，而非機(jī)動(dòng)車輛主要包括電動(dòng)車和自行車，現(xiàn)階段陸地交通工具中的發(fā)電裝置主要收集以下幾類能源：

1 太陽(yáng)能

太陽(yáng)能的收集一般采用太陽(yáng)能發(fā)電板配合蓄電池的結(jié)構(gòu)，其技術(shù)較為成熟，因此應(yīng)用范圍較廣泛。

1.1 太陽(yáng)能在汽車中的應(yīng)用

隨著電動(dòng)汽車的普及，目前汽車的發(fā)展已經(jīng)從內(nèi)燃機(jī)驅(qū)動(dòng)逐漸向電機(jī)驅(qū)動(dòng)方式過(guò)渡，而電機(jī)驅(qū)動(dòng)意味著汽車上必須攜帶供電用蓄電池，因此利用相關(guān)的設(shè)備進(jìn)行發(fā)電，以延長(zhǎng)電動(dòng)汽車的行駛里程是一種常見(jiàn)的做法，即在汽車車身覆蓋件的外表面上增設(shè)太陽(yáng)能發(fā)電板，然后將太陽(yáng)能發(fā)電板產(chǎn)生的電能經(jīng)整流、升壓等處理后存儲(chǔ)進(jìn)蓄電池中。目前大多數(shù)電動(dòng)汽車僅在車頂位置放置太陽(yáng)能電池板，這是因?yàn)檐図數(shù)墓庹諒?qiáng)度最大，且車頂部分較為平坦，可以使用較為廉價(jià)的單晶硅或多晶硅太陽(yáng)能發(fā)電板。為了提高發(fā)電效率，未來(lái)的發(fā)展方向主要有兩個(gè)方面，一個(gè)是提高太陽(yáng)能電池板的發(fā)電功率，另一個(gè)是加大太陽(yáng)能電池板的覆蓋面積。目前，隨著柔性太陽(yáng)能發(fā)電板的普及，太陽(yáng)能發(fā)電板已經(jīng)可以制作成較為復(fù)雜的拱形或帶有弧度的薄膜形狀，這樣就可以極大地提高太陽(yáng)能電池板的覆蓋面積，例如在發(fā)動(dòng)機(jī)蓋、行李箱蓋甚至車門(mén)門(mén)板、前后翼子板的外側(cè)也可以鋪設(shè)柔性太陽(yáng)能發(fā)電板，從而大大提高發(fā)電效率，這也可以看做是電動(dòng)汽車未來(lái)的一個(gè)再生電能供電方向。

1.2 太陽(yáng)能在非機(jī)動(dòng)車輛中的應(yīng)用

目前大規(guī)模普及的共享單車中，由于單車的控制系統(tǒng)和GPS導(dǎo)航裝置等電子設(shè)備需要長(zhǎng)時(shí)間供電，且需求的電量較少，因此通常在單車前方或后方設(shè)置一塊太陽(yáng)能發(fā)電板用來(lái)為電子設(shè)備提供電能，但由于太陽(yáng)能發(fā)電板的面積較小，因此僅用于電子設(shè)備供電，并未用于提供動(dòng)力。未來(lái)可嘗試在單車或電動(dòng)車頂設(shè)置擋雨棚，擋雨棚上增設(shè)太陽(yáng)能發(fā)電板，以提高發(fā)電量，或者在單車車架、前后擋泥板上增設(shè)柔性太陽(yáng)能電池板，以進(jìn)一步提高發(fā)電量，從而實(shí)現(xiàn)為電動(dòng)車蓄電池提供能量，或?qū)⑷肆诬嚫脑斐蔀榭梢宰园l(fā)電的太陽(yáng)能式電動(dòng)車。

2 動(dòng)能再生能量

2.1 動(dòng)能再生能量原理

汽車或火車制動(dòng)時(shí)依靠的是制動(dòng)系統(tǒng)，而制動(dòng)系統(tǒng)的制動(dòng)原理是將汽車行駛時(shí)的動(dòng)能通過(guò)剎車盤(pán)與剎車片之間的摩擦轉(zhuǎn)化為熱能后散失在空氣中，這樣的制動(dòng)方式使得汽車的動(dòng)能無(wú)法進(jìn)行有效的利用，

2.2 動(dòng)能再生能量在交通工具中的應(yīng)用

目前很多電動(dòng)汽車均設(shè)置了制動(dòng)能量回收裝置，例如豐田普銳斯、寶馬5系混動(dòng)車型、特斯拉Model S等車型均設(shè)置了這樣的裝置，其原理是在汽車的驅(qū)動(dòng)半軸上增設(shè)一個(gè)發(fā)電機(jī)，駕駛員發(fā)出制動(dòng)指令時(shí)，發(fā)電機(jī)開(kāi)始工作并將半軸的動(dòng)能重新轉(zhuǎn)化為電能進(jìn)行儲(chǔ)存。目前的高速動(dòng)車組車輛中也裝備了該裝置，如CRH2、CRH3型動(dòng)車組轉(zhuǎn)向架輪對(duì)的車軸上均設(shè)置了動(dòng)力回收裝置，有效提高了能量利用率。

而在非機(jī)動(dòng)車輛中，該裝置并未普及，例如大部分品牌的電動(dòng)車和幾乎所有自行車均未裝備制動(dòng)回收裝置。不過(guò)，隨著電機(jī)微型化、電池重量的減小，未來(lái)在非機(jī)動(dòng)車輛中具備大范圍推廣制動(dòng)能量回收裝置的潛力，這也是未來(lái)非機(jī)動(dòng)車輛新型技術(shù)的一個(gè)發(fā)展方向，具有廣闊的市場(chǎng)前景。

3 振動(dòng)發(fā)電能量

3.1 振動(dòng)發(fā)電原理

目前的發(fā)電裝置中，振動(dòng)發(fā)電裝置的研制或產(chǎn)品越來(lái)越多，其主要包括壓電式發(fā)電裝置及永磁體往復(fù)振動(dòng)式發(fā)電裝置。振動(dòng)發(fā)電機(jī)指一種利用電磁感應(yīng)原理，把振動(dòng)機(jī)械能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔艿脑O(shè)備，最傳統(tǒng)的做法是使用一塊懸掛的磁鐵，發(fā)電機(jī)通過(guò)電磁感應(yīng)來(lái)完成能量轉(zhuǎn)換，電磁感應(yīng)則是通過(guò)將線圈放置在一個(gè)變化的磁場(chǎng)中產(chǎn)生。2007年，英國(guó)南安普頓大學(xué)的一個(gè)研究小組就已經(jīng)開(kāi)發(fā)出了如同方糖大小的振動(dòng)發(fā)電機(jī)，并且試圖將其用于工業(yè)領(lǐng)域的傳感器上，例如煤礦、油田、化工廠或其他類似惡劣環(huán)境下的監(jiān)控設(shè)備等等。他們甚至還計(jì)劃將這種發(fā)電機(jī)進(jìn)一步微型化之后植入人體，為那些需要長(zhǎng)時(shí)間供電的醫(yī)療設(shè)備提供電力，只是這些都尚未商業(yè)化。

3.2 振動(dòng)發(fā)電裝置的應(yīng)用情況

例如壓電式發(fā)電裝置可以制作成地板，鋪設(shè)在火車過(guò)道或公交車過(guò)道中，利用行人的行走進(jìn)行發(fā)電，也可以做成手環(huán)形狀，作為公交車扶手；而永磁體往復(fù)振動(dòng)式發(fā)電裝置可以安裝在火車或汽車的減振裝置，主要是液壓筒式減振器上，使減振器的減振效果由永磁體發(fā)電時(shí)的阻力提供，這樣也可以充分利用交通工具中的振動(dòng)能量。但是現(xiàn)階段利用振動(dòng)發(fā)電的裝置大多數(shù)仍處于研制或方案設(shè)計(jì)階段，少部分已有產(chǎn)品價(jià)格昂貴，還未能進(jìn)行大范圍推廣或普及，而由于其發(fā)電效果較好，還可以吸收多余的振動(dòng)，因此振動(dòng)發(fā)電裝置是未來(lái)交通工具可以進(jìn)行嘗試的一種較好的發(fā)電方式。

4 結(jié)語(yǔ)

目前在電動(dòng)汽車和高速動(dòng)車組中已經(jīng)普及了制動(dòng)能量回收裝置，未來(lái)可以通過(guò)增設(shè)太陽(yáng)能發(fā)電和振動(dòng)發(fā)電裝置的方式，提高電動(dòng)汽車和高速動(dòng)車組的能源利用效率；共享單車和部分電動(dòng)車上裝設(shè)了太陽(yáng)能發(fā)電裝置，未來(lái)可以考慮在共享單車和電動(dòng)車上增設(shè)微型制動(dòng)能量回收裝置，或增加太陽(yáng)能發(fā)電板的面積，以提高發(fā)電能力。由以上敘述還可看出，目前多種交通工具均只有少量的發(fā)電裝置或沒(méi)有安裝發(fā)電裝置，因此在交通工具中增設(shè)發(fā)電裝置的方案是未來(lái)交通新技術(shù)一個(gè)較好的發(fā)展方向。