风力发电技术应用到新能源电动汽车领域

杨长庆

摘 要：太阳能和风能是目前两种最具有发展前途的可再生清洁能源，发展工作可靠、效率高、成本低的风力发电装置成为我国和世界各国的追求。在当代工业发展不断壮大的背景下，汽车工业逐渐成为我国经济发展的支柱型产业之一。随着人们生活水平的提升，燃油汽车已然无法满足其对质量的追求，因而新能源电动汽车应运而生。为有效解决新能源电动汽车的供电、节能需求，本文在对汽车与风能发电加以概述的基础上，提出发电机的创新性设计，并尝试对电动汽车风力发电系统加以设想，旨在为业内同仁提供参考。

关键词：太阳能；风能；风力

中图分类号：U469.72 文献标识码：A 文章编号：1004-7344（2018）30-0152-01

引 言

风是空气流动的现象，空气有一定的质量，空气的流动具有一定的动能，就是可利用的风能，风能是清洁的、无污染的、取之不尽用之不竭的可再生能源。在常规能源面临严重短缺以及全人类对生态环境保护意识的提高双重压力下，风能将逐渐成为21世纪人类利用的主要能源。

1 风力发电与汽车风能

1.1 风力发电概述

风力发电，英文写作“wind power generation”，是指将风力作用下，将其动能转化为电能的一中过程，风能也成为近年来备受瞩目的可再生新能源之一。目前，风力发电主要流行于芬兰、丹麦等特殊气候国家。其主要工作原理为：在风力作用下，风车叶片产生旋转，同时利用增速机，将其旋转速度大幅度提升，借此带动发电机产生电力。由于风力发电不需要燃料，且无辐射、无空气污染，效果较好且可再生，因而备受世界人民喜爱[1]。

1.2 汽车与风能

早期汽车所使用的常规能源通常为汽油、柴油等，一方面该类资源面临枯竭，间接造成汽车使用成本逐渐上升；另一方面，随着人们环保意识的崛起，新能源的不断开发，致使新能源中的代表——风能，开始在各行各业暂露头角。

由于风的速度和方向是不断变化的，因而风能存在变化性和不稳定性，利用风能发电面临困难，但风能的变化是有规律可循的。随着风力发电技术研究的深入，发电装置的不断简化及创新，人们开始将风能与汽车相结合。试想，汽车高速行驶过程中，与流动空气摩擦形成具有一定方向性的风能，风速吹在与风速垂直的汽车表面形成风压，掌握风速与风压等风力资源的开发利用，具有极大经济价值[2]。

利用汽车高速行驶的风阻，通过风力涡轮机或风轮将获取的风能转换成旋转机械能驱动，通过专用发电机将风能转化成电能，实现持续稳定地向电动汽车蓄电池充电，以解决新能源电动汽车的电力自给自足。

2 风能发电机创新性设计

2.1 风能发电机现存问题

发电机是将风能收集的机械能变成电能，传统的发电机是按输入稳定的转距和转速设计的，无法适应风能输出的变化转距和转速，汽车风力发电机组必须保证其在各种行驶风况、气候条件下能够长期安全运行，还必须考虑湍流和其他极端风况。“双凸极直流发电机”为电动汽车风力发电专项设计定制[3]。

双凸极电机的相电动势波形很难达到正弦波，因而不易构成交流发电机，一般和二极管整流电路组合构成直流发电机，由于永磁双凸极电机磁场调节困难，常用电励磁双凸极式混合励磁双凸极电机与整流器构成汽车直流发电机。

2.2 电励磁双凸极直流发电机

电励磁双凸极直流发电机是近年来新兴起的一种发电机，与传统开关磁阻发电机相比，电励磁双凸极直流发电机有以下优势：①双凸极发电机转子上没有磁钢，没有线圈，仅由硅钢片叠压而成，结构简单可靠，制造方便，维护简单。②双凸极发电机的输出为二极管整流电路，通过励磁调节保持输出直流电压不因转速和负载太小而变，它的后接直接向蓄电池充电[4]。③双凸极发电机发电运行时，不需要多管功率电子变换器。由于它转子上没有永磁磁钢，没有鼠笼，消除了永磁同步电机和鼠笼感应电机的缺陷，在用作高转速、大功率汽车风力发电装置方面，比其它开关磁阻电机更可靠[5]。

3 电动汽车风力发电系统设想

3.1 工作状态

电动汽车风力发电系统有四种工作状态：①剩余风能向蓄电池充电，高速大风时，风力发电机输出功率大，除供给电动驱动系统，汽车环境控制系统和汽车舱门窗及制动系统、操纵机构等本地用户供电外，还有余量，多余电能向蓄电池充电；②风小或大风时，风力发电机不能输出功率，蓄电池直接向动力系统和本地用户供电；③风力发电机和蓄电池同时向动力驱动和本地用户供电；④风力发电机仅向蓄电池充电，不向其它或本地用户供电。

3.2 电动汽车直流电源系统设想

由于汽车风力发电机工作转速在宽广的范围内变化，必须有电压调节器和发电机配套使用，电压调节器的作用是通过调节电动机的励磁电流使电机输出电压保持不变，电动汽车风力直流发电机通常和蓄电池并联工作，在汽车起动时或发电机故障不能工作时，由蓄电池供电。同时，直流发电机还应有过电压、低电压、过电流和反向电流等保护电器，微处理器已将发电机的电压调节和故障保护电器合一为发电机控制器，于是电动汽车直流电源系统由：風力发电机、发电机控制器、蓄电池三部分构成。

在大型载重运输汽车上面，可以配置多台发电机：多台风力发电机并联工作时，电压调节器还具有发电机向并联均流的功能，多台相互独立的发电机控制器互为冗余，显著提高了电源的可靠性。多电汽车的特点是：用电能代替集中式液压、气压能，从而提高了汽车的可靠性、维护性，降低了机械设备重量和全周期费用。

4 结 论

不可否认，风力发电技术为世界经济发展产生了不容忽视的作用，进一步促进了我国乃至世界工业的发展。无论是从经济发展的角度，或是环境保护的角度，将风力发电技术应用于新能源电动汽车领域，其前景十分广阔。目前，新能源电动汽车尚处于开拓阶段，供电、节能等现状均亟待改善，本文中提及的电动汽车风力发电系统设想则可有效缓解相应问题，笔者愿和相关机构共同完成该项目的推广应用落地。

参考文献

[1]任清晨.风力发电机组工作原理和技术基础[M].机械工业出版社，2010.

[2]基拉什.太阳能光伏发电系统[M].机械工业出版社，2011.

[3]陈志辉.双凸极直流发电机结构与原理[M].上海科学技术出版社，2012.

[4]张新房，徐大平，柳亦兵，等.风力发电技术的发展及相关控制问题综述[J].华北电力技术，2005（5）：42～45.

[5]张 健，吴友华，姚丙雷，等.应用于新能源电动汽车的永磁辅助同步磁阻电机设计[J].电机与控制应用，2016，43（1）：77～82.

收稿日期：2018-9-18