陆地交通工具装备自发电装置的探讨

陈子龙 谯 航 温佳鑫 王 哲 黄培雨

（西华大学汽车与交通学院，四川成都610039）

0 引言

中国未来对绿色能源的战略定位：2020年前后，绿色能源占到能源消费的15%左右，战略定位是替代能源；2030年前后，绿色能源占到能源消费的25%左右，战略定位是主流能源；2050年前后，绿色能源占到能源消费的40%左右，战略定位是主导能源。由此可见，绿色能源在当代社会中的需求越来越大。目前的陆地交通工具主要包括汽车、火车以及非机动车辆，而非机动车辆主要包括电动车和自行车，现阶段陆地交通工具中的发电装置主要收集以下几类能源：

1 太阳能

太阳能的收集一般采用太阳能发电板配合蓄电池的结构，其技术较为成熟，因此应用范围较广泛。

1.1 太阳能在汽车中的应用

随着电动汽车的普及，目前汽车的发展已经从内燃机驱动逐渐向电机驱动方式过渡，而电机驱动意味着汽车上必须携带供电用蓄电池，因此利用相关的设备进行发电，以延长电动汽车的行驶里程是一种常见的做法，即在汽车车身覆盖件的外表面上增设太阳能发电板，然后将太阳能发电板产生的电能经整流、升压等处理后存储进蓄电池中。目前大多数电动汽车仅在车顶位置放置太阳能电池板，这是因为车顶的光照强度最大，且车顶部分较为平坦，可以使用较为廉价的单晶硅或多晶硅太阳能发电板。为了提高发电效率，未来的发展方向主要有两个方面，一个是提高太阳能电池板的发电功率，另一个是加大太阳能电池板的覆盖面积。目前，随着柔性太阳能发电板的普及，太阳能发电板已经可以制作成较为复杂的拱形或带有弧度的薄膜形状，这样就可以极大地提高太阳能电池板的覆盖面积，例如在发动机盖、行李箱盖甚至车门门板、前后翼子板的外侧也可以铺设柔性太阳能发电板，从而大大提高发电效率，这也可以看做是电动汽车未来的一个再生电能供电方向。

1.2 太阳能在非机动车辆中的应用

目前大规模普及的共享单车中，由于单车的控制系统和GPS导航装置等电子设备需要长时间供电，且需求的电量较少，因此通常在单车前方或后方设置一块太阳能发电板用来为电子设备提供电能，但由于太阳能发电板的面积较小，因此仅用于电子设备供电，并未用于提供动力。未来可尝试在单车或电动车顶设置挡雨棚，挡雨棚上增设太阳能发电板，以提高发电量，或者在单车车架、前后挡泥板上增设柔性太阳能电池板，以进一步提高发电量，从而实现为电动车蓄电池提供能量，或将人力单车改造成为可以自发电的太阳能式电动车。

2 动能再生能量

2.1 动能再生能量原理

汽车或火车制动时依靠的是制动系统，而制动系统的制动原理是将汽车行驶时的动能通过刹车盘与刹车片之间的摩擦转化为热能后散失在空气中，这样的制动方式使得汽车的动能无法进行有效的利用，

2.2 动能再生能量在交通工具中的应用

目前很多电动汽车均设置了制动能量回收装置，例如丰田普锐斯、宝马5系混动车型、特斯拉Model S等车型均设置了这样的装置，其原理是在汽车的驱动半轴上增设一个发电机，驾驶员发出制动指令时，发电机开始工作并将半轴的动能重新转化为电能进行储存。目前的高速动车组车辆中也装备了该装置，如CRH2、CRH3型动车组转向架轮对的车轴上均设置了动力回收装置，有效提高了能量利用率。

而在非机动车辆中，该装置并未普及，例如大部分品牌的电动车和几乎所有自行车均未装备制动回收装置。不过，随着电机微型化、电池重量的减小，未来在非机动车辆中具备大范围推广制动能量回收装置的潜力，这也是未来非机动车辆新型技术的一个发展方向，具有广阔的市场前景。

3 振动发电能量

3.1 振动发电原理

目前的发电装置中，振动发电装置的研制或产品越来越多，其主要包括压电式发电装置及永磁体往复振动式发电装置。振动发电机指一种利用电磁感应原理，把振动机械能转变为电能的设备，最传统的做法是使用一块悬挂的磁铁，发电机通过电磁感应来完成能量转换，电磁感应则是通过将线圈放置在一个变化的磁场中产生。2007年，英国南安普顿大学的一个研究小组就已经开发出了如同方糖大小的振动发电机，并且试图将其用于工业领域的传感器上，例如煤矿、油田、化工厂或其他类似恶劣环境下的监控设备等等。他们甚至还计划将这种发电机进一步微型化之后植入人体，为那些需要长时间供电的医疗设备提供电力，只是这些都尚未商业化。

3.2 振动发电装置的应用情况

例如压电式发电装置可以制作成地板，铺设在火车过道或公交车过道中，利用行人的行走进行发电，也可以做成手环形状，作为公交车扶手；而永磁体往复振动式发电装置可以安装在火车或汽车的减振装置，主要是液压筒式减振器上，使减振器的减振效果由永磁体发电时的阻力提供，这样也可以充分利用交通工具中的振动能量。但是现阶段利用振动发电的装置大多数仍处于研制或方案设计阶段，少部分已有产品价格昂贵，还未能进行大范围推广或普及，而由于其发电效果较好，还可以吸收多余的振动，因此振动发电装置是未来交通工具可以进行尝试的一种较好的发电方式。

4 结语

目前在电动汽车和高速动车组中已经普及了制动能量回收装置，未来可以通过增设太阳能发电和振动发电装置的方式，提高电动汽车和高速动车组的能源利用效率；共享单车和部分电动车上装设了太阳能发电装置，未来可以考虑在共享单车和电动车上增设微型制动能量回收装置，或增加太阳能发电板的面积，以提高发电能力。由以上叙述还可看出，目前多种交通工具均只有少量的发电装置或没有安装发电装置，因此在交通工具中增设发电装置的方案是未来交通新技术一个较好的发展方向。