风能在汽车上的利用及改良

当今世界，汽车作为人们日常出行的重要交通工具，每天也消耗着巨大的常规能源—汽油和柴油。随着能源的日益减少，新能源的开发与利用迫在眉睫的被提上了日程。文章重点介绍了风力发电技术在汽车延长续航力上的应用，以及改进方法。

1、汽车应用新能源现状

1.1 纯电动

纯电动汽车是指以车载蓄电池为动力，用电机驱动车轮行驶。蓄电池一般为铅酸电池或锂电池等。由于各种类别的蓄电池普遍存在续航里程短，价格高、寿命短、外形尺寸和重量大、充电时间长等严重缺点。因此一直仅限于城市短途通勤范围内应用，市场较小。

1.2 油电混动

油电混合动力汽车在起步、加速阶段，实现电启动和电加速；当超过一定时速时，燃油发动机才介入输出动力。当踩下制动踏板，汽车完全停止后，发动机停止转动。在行驶过程中燃油动力系统在为驱动系统提供能量的同时，还给蓄电池组进行充电。

1.3其它形式

另外还有一些其它形式的新能源汽车，如太阳能汽车、风能源汽车等。这些都是非主流能源汽车，在新能源汽车里所占的比例很小。应用前景受到的地域、气候等影响很大。

2、风能在汽车上的应用

新能源作为传统动力能源的补充是目前新能源汽车业的主流。风能是种清洁的能源。在汽车行驶的过程中，不可避免的受到来自风的阻力，而且速度越快风力越大。因此可以利用风的阻力进行发电，对蓄电池充电，这样就可以增加汽车的续航里程。风力发电的原理很简单，是利用风力带动风车叶片旋转，再透过增速机将旋转的速度提升，来促使发电机发电。

2.1 目前出现的汽车尾部装设风力发电装置实例

在汽车上部设置风力发电装置。装置根据风向自动调节其受风面积。这是目前民间对汽车改造最多的一种形式。这种方式的一个最大问题是为汽车增加了原来不属于汽车的风阻面积，即增加了阻力。汽车速度越快，阻力就越大。从而使实发电量和耗电量有所抵消，使实际发电效率大大降低。同时，由于存在高出车身的传动装置和扇叶，也会影响汽车行驶的平稳性。还有风力发电装置装在汽车头部的，同理，也是一样起不到很好延长续航里程的作用。

2.2风力发电装置位置的优化设计

2.2.1巧妙设置风力发电装置，但不增加汽车受风面积

将风力发电装置的扇叶像车灯一样嵌入车体里，设计成汽车前部车体的一部份，不让其暴漏在汽车车身的外部。这样就不会增加汽车行驶时多余的风阻面积，既让风顺利通过，又不会增加风阻。同时，也可以在整个进气格栅上设置多个轴流式风力发电装置，这样不但可以更大限度的利用风能发电，同时还可以有效的对发动机进行冷却，一举两得。

2.2.2 在车顶部设计可以自动上下伸缩的风力发电装置

在车顶部设计可以自动上下伸缩的风力发电装置。当在汽车停止的时候，风压感受装置一旦感受外界的风压，就能自动控制装置伸出车顶，并根据风向自动调整到最大受风面积，运行发电，对蓄电池充电；当车辆行驶时，因为此时装置相当于增加了受风面积，则应能够自动收回车内。这样汽车不用行驶，只需停泊在有空气流动的地方，就可以源源不断对汽车蓄电池进行充电。这样不仅可以大幅度减少车库泊车的压力，同时还可以减少充电桩充电的压力。

3、风力发电装置优化设计实例

3.1 装置工作原理

风力发电整置主要由微型风力发电机、整流器及控制系统组成。安装在汽车发动机舱内，利用风能产生电能。根据能量守恒定律，车辆启动后，与风产生相对运动，当风速达到扇叶启动的速度，一般为1～5 m/s，或者车速达到5～15 km/h时就可以驱动发电叶轮旋转，叶轮将捕获的风能转变成机械能，然后通过齿轮箱传递给发电机，最终产生电能。通常，车辆是以多变的车速行驶，如5～120 km/h。且由于路况和目的地的需要，随时改变档位和方向、天气影响、加减速等多方面的影响，会导致产生的电流大小会随之波动，以致电压不稳定。这时装置中的整流器就发挥了巨大的作用。当风力发电机工作时，会输出电流，当控制系统接收到电流和充电信号后就会发出整流信号，此时常开开关闭合，整流器工作，并输出稳定的电流为蓄电设备和用电设备供电。整个系统如下图所示。

3.2 实验设计及实验数据

上图为整个风力发电装置的工作原理图，型号为M-400，输出电压为12V，直径为0.15m的4叶片风力发电机，固定在设计的三角支架上，然后用于家用轿车的车厢内，在实验场上对装置进行功率特性实验。整个过程需用万用电表测量不同工况下的电流电压，记录好相应的数据，再应用公式P=IU计算得出相对应的功率。该型号的风力发电机的启动风速为2m/s，车辆启动后，慢慢加速到一定的速度，待车速稳定，记录好初始数据，然后，汽车逐渐加速，直到车速达到120 km/h，获得最后一组数据。实验结束，将得到的实验数据进行处理分析，最终绘制出速度与输出功率和电流的关系图，分析验证风能利用的可行性。车速每提升10 km/h就记录一次万用表的示数。实验时，尽量选择晴朗无风的天气，以减小来自不同方向的风对实验数据产生的影响。

进行多次实验，取平均值，获得数据。整理后可以看出，随着车速的不断提高，风力发电机输出的电流不断增大，输出功率也随之增大。对于电动车，一度电可续航100 km左右。汽车安全速为60～120km/h。那么，通过电量计算公式，W=Pt=IUt，可知汽车使用本装置在城市道路上行驶1小时，利用风能可产生电0.21～0.29度，仅风力发电就可以多跑21～29公里。

3.3 数据处理与分析

4、结束语

新能源汽车虽然在节能和减排上具有无有伦比的先天优势，风能又是取之不尽，用之不竭的清洁能源，随着新能源技术的不断进步和成熟，新能源汽车必将代替传统的汽油车，走向千家万户。

（作者单位：南通航运职业技术学院）