車載行李箱前置風力發(fā)電裝置的原理與設計

朱星光　劉暢

【摘要】我們所熟知的車載風力發(fā)電裝置是當車輛在行駛過程中借助風力推動發(fā)電機轉(zhuǎn)動，使得發(fā)電機中的轉(zhuǎn)子切割磁感線來產(chǎn)生電能，并將電能儲存起來以備不時之需。然而目前常見的一些車載風力發(fā)電機存在著很多的問題-影響車子本身的美觀，甚至影響車子的性能等問題，所以一直不能夠被大眾所接受。本文則將車載風力發(fā)電機與車頂行李箱結合起來，因為安裝車頂行李箱本身就會影響到車子的性能，使車子在運行中受到的風阻增大，從而增加燃料的消耗。所以在車頂行李箱前面加裝一個風力發(fā)電裝置，從而使這部分被浪費掉的能量能有一部分被回收，以達到節(jié)能的目的。

【關鍵詞】車載風力發(fā)電裝置? 車載行李箱? 節(jié)能? 戶外旅行

風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，不會產(chǎn)生二氧化碳等化學物質(zhì)，從而避免對大自然造成環(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間能夠放松一下，減緩工作和生活中的壓力，因此選擇開車外出旅行的人越來越多，旅行中人們難免需要更換衣物，停車拍照，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)車子后備箱的容量都很有限，并不能盛放下車主的所有東西，因此很多有長途旅行需求的車主都會選擇在車頂加裝一個車載行李箱，然而加裝車載行李箱之后會增加汽車的風阻，進而使得了汽車在長途旅行中燃料的消耗變多。

此時若在車載行李箱之前加裝一個車載風力發(fā)電裝置便可以回收一部分被浪費掉的能量，而回收來的能量可以用來給手機、筆記本以及攝像機等用電設備充電。

一、現(xiàn)階段人們戶外旅行時對于能源的需求

1.長途旅行的普遍化

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選擇一段短途或長途旅行來放松自己，我們經(jīng)常可以在短視頻平臺看到諸如此類的自駕行，經(jīng)過在短視頻平臺的宣傳，使得越來越多的人有了對于這種自由自在的自駕游的向往。隨之而來的問題便是在進行自駕旅行中人們對于能源需求，在戶外荒無人煙的地方如發(fā)生通信設備電量不足的情況，又不幸的遇到汽車故障，恐怕是每個自駕旅行的人不想遇到的噩夢，因此可見多一份能源保證是多么的重要。

2.可以獲取能源的渠道

目前我們可以通過攜帶充電電池、太陽能充電器等裝置來獲取能源。但是充電電池面臨著重量過大、占用儲物空間以及儲存的能源有限等問題;而對于太陽能充電器，雖然可以持續(xù)的獲取能源，但是在陰天有雨等惡劣的沒有陽光的天氣情況下便不能使用。但對于車載式風力發(fā)電裝置，不但不占用車內(nèi)本就寸土寸金的空間，而且還有著可以隨時隨地獲取的優(yōu)點。因此對于外出旅行的人們裝備車載式風力發(fā)電裝置是十分重要的。

二、該裝置的設計方案

1.該裝置的發(fā)電過程

如圖1所示，裝置在汽車以一定速度行駛的情況下開始運行通過風輪將風產(chǎn)生的阻力風力轉(zhuǎn)化為驅(qū)動風輪運動的動能，依靠風輪帶動風輪中心的發(fā)電機發(fā)電，在經(jīng)過整流電路整流之后，電能便可被存儲到車頂行李箱前端的電池中，可供用電設備使用，實現(xiàn)了由風能到機械能，機械能到電能的能量轉(zhuǎn)變的過程。

2.裝置的構成

本裝置主要由四大大部分組成：風扇、發(fā)電機、整流線路以及藏在車頂行李箱前部的電池。除此之外在車頂行李箱內(nèi)部還設有用來給各種用電設備充電的USB接口。

三、該裝置各項結構的選擇和優(yōu)化

1.風扇葉片的選擇

風扇作為風力發(fā)電裝置中吸收風能的部件，在裝置中起到了尤為重要的作用。其中葉片的強度、長寬比例、葉片的安裝角度、攻角以及葉片的數(shù)量都對風扇本身是否能夠最大效率的吸收風能產(chǎn)生了重要的影響。在眾多葉片翼型中，本設計最終選擇NACA2412型葉片翼型，如圖2所示：

由于車載行李箱的前部面積的限制，所以本設計中選擇長度為70mm，寬度為25mm，厚度為1mm的葉片來組成葉輪;風扇的葉片根據(jù)數(shù)量可分為少葉片和多葉片兩種類型，其中少葉片的風扇可以實現(xiàn)高速旋轉(zhuǎn)，由于三葉片的風扇具有運行平穩(wěn)、對其他構件影響較小的優(yōu)點，故本設計中選用三葉片的風扇，其葉片布置如圖3所示：

對于葉片的材料，為了使葉片能夠承受車輛高速行駛中強大的風阻，本設計采用高碳鋼的材料，由于高碳鋼材料的剪切應力有十幾兆帕，足以應對車輛行駛過程中的風阻;

2.發(fā)電機的選擇

發(fā)電機作為將風能轉(zhuǎn)化為電能的主要機械部件，當風力吹動風扇轉(zhuǎn)動便可帶動發(fā)電機中的轉(zhuǎn)子運動，從而產(chǎn)生電能。發(fā)電機的種類可以分為交流發(fā)電機和直流發(fā)電機兩種，考慮到直流發(fā)電機在旋轉(zhuǎn)時由于會有摩擦，所以會造成很大的能量損耗，且由于車輛在運行中速度并不是固定不變的，所以風扇轉(zhuǎn)動的速度也不是固定的，也會產(chǎn)生不穩(wěn)定的電流;對于交流發(fā)電機，不僅有著造價便宜，性能穩(wěn)定等優(yōu)點，并且其在發(fā)電的過程中能量損耗較少，所以本設計中采用交流發(fā)電機。發(fā)電機根據(jù)相數(shù)又可以分為單相和三相，但單相電機沒有啟動轉(zhuǎn)矩，且噪音較大;而三相發(fā)電機具有啟動電流小，結構簡單，不容易出現(xiàn)故障等優(yōu)點，故選擇三相交流發(fā)電機。

通過計算最大風能來選擇發(fā)電機功率：

根據(jù)計算，可采用額定功率為100W，12V的三相交流發(fā)電機。

3.整流線路以及電池的選擇

整流電路作為車載風力發(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關閉整流電路，以保護電池的安全;而二極管在電池充滿之后依舊開放整流電路，極大可能會對電池造成損壞，所以二極管只能用于普通的整流電路，故車載風力發(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行整流，如圖4所示：

電池是車載風力發(fā)電裝置中的儲能元件，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車，其放電密度與其所處環(huán)境有很大的關系，而作為車載風力發(fā)電裝置的電池，可能會處于溫度較低的環(huán)境，此時鎳氫電池的放電將會受到影響;對于鋰電池，目前多用于手機電池，只能用于小電流放電，且造價較為昂貴;而鉛酸蓄電池有著成本低廉，可靠性高，對環(huán)境依賴性小等優(yōu)點，所以適合用于車載風力發(fā)電裝置。

四、結論

本文以小型車載風力發(fā)電機為研究對象。從目前的市場需求、設計方案和裝置中構件的選擇三個方面進行了分析，初步設計了一種風力發(fā)電裝置與車頂行李箱結合工作的小型發(fā)電裝置，為有長途旅行需求的人們提供了可靠得保證

參考文獻：

[1]陳鋒，郭雨薇，陳萌.淺析車載風力發(fā)電裝置的設計構想?[J].納稅，2017（29）：161.

[2]王超.基于汽車風速的風電系統(tǒng)的研究[D].北京：北京交通大學，2014：1-90.

[3]趙丹平.風力發(fā)電機組葉片模型氣動載荷研究[D].呼和浩特：內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學，2009：1-122

[4]周延.車載小型風力發(fā)電系統(tǒng)在電動車中的應用[J].江西電力，2013（03）：55-57.

[5]劉杰.風光互補微電網(wǎng)為電動汽車無線充電研究[D].天津：天津工業(yè)大學，2015：1-66.

[6]王然.電動汽車風力發(fā)電裝置的設計[J].新視野，2013（11）：6-7.

[7]劉越.探析儲能技術在風力發(fā)電系統(tǒng)中的應用[J].電子測試，2019（04）：91-92.

作者簡介：朱星光（1997.10-），男，漢族，山東聊城人，學士，研究方向：制冷，風力發(fā)電。