风力发电技术在新能源电动汽车中的应用

郑伟　张庆华

摘 要：风力发电行业和电动汽车行业，都是近年的新兴产业，因其缓解能源紧张、减少环境污染等优势，受到世界各国的广泛重视。但两者在发展过程中均暴露出各类缺陷，风电的利用率、电动汽车的续航能力等问题的解决都迫在眉睫。将风力发电技术与电动汽车结合，希望可以互补不足，最大化利用两者的价值。

关键词：风力发电;电动汽车;能源利用

1 研究背景

风能取之不尽，用之不竭，是具有巨大利用价值的新型清洁环保能源。1888年，世界第一台风力发电机诞生以来，经过一个多世纪的发展，风力发电技术已愈加成熟。2017年，我国风电市场公开招标量达27.20GW，2018年上升至33.50GW，2019年已高达68.3829GW，超过2017年和2018年的总和。目前，风电累计装机容量超过21005万千瓦，在电源总装机中比重达到10.4%。由此可见，风力发电技术突飞猛进的发展趋势以及市场对风能技术的认可和对风电设备日益旺盛的需求。

目前，风电行业的发展主要集中于中大型并网风力发电站，分散式风电的开发力度比较薄弱。而陆上风电即将全面步入平价时代，能源发展“十三五”规划提出，风电实行补贴退坡机制，自2021年1月1日起，新核准的陆上风电项目将全面实现平价上网。在这种情况下，分散式风电开发的优势则逐渐凸显，对分散式风力发电设备的发展便是一次重大机遇。若将小型风力发电机安装应用在新能源电动汽车中，即是分散式风力发电技术的一次创新突破，又具有节能环保的重大意义。

2 车载风力发电机的设计

汽车工业在最近几十年中有突飞猛进的发展，对交通运输、经济建设以及人们的生活质量都有显著的提高。但发展汽车工业的同时也造成了不可再生化石能源的大量消耗和有害气 体排放等诸多问题。在这样的大背景下，绿色环保的新能源电动汽车便逐渐出现在人们的视野之中。虽然电动汽车有节能、低噪声、低震动等优点，但其续航能力以及不完善的充电设施却一直备受诟病，如何提高电动汽车的续航能力，改善充电条件，对电动汽车行业的发展有着重要的意义。

新能源电动汽车，以电力作为能源，以蓄电池作为储能元件，向电机提供电力，驱动汽车行驶，随着蓄电池中电能的消耗，需要周期性向蓄电池充电以补充电能。电动汽车相对于传统汽车而言，采用的电控系统在结构上简化了机械传动系统，节省了汽车内部空间，为安装车载发电机提供了必要的空间条件。车载风力发电机产生的电能即可供车内电子设备使用，也可对蓄电池充电，可以在一定程度上延长蓄电池的充电周期，减少充电次数。

风力发电机经过多年的发展，目前结构各异，种类繁多，选择何种类型、何种功率的风力发电机作为车载使用是至关重要的一步。风力发电机按旋转轴分类，可以分为水平轴风力发电机和垂直轴风力发电机。其中水平轴风力发电机最为常见，中、大型风力发电站普遍使用此类型的发电机，水平轴风力发电机具有风能利用率高的优点，但其占用空间较大、控制调节系统复杂，不适用于在汽车中安装使用。而垂直轴风力发电机具有占用空间小、可多角度受风、启动风速小、维修保养简单等优势，故考虑采用垂直轴风力发电机作为车载风力发电机（表1）。

同时，在垂直轴风力发电机的基础上结合磁悬浮技术，用磁力轴承代替传统机械轴承，极大减小了旋转过程中产生的机械摩擦力，进而可以一定程度上降低车载垂直轴风力发电机在发电过程中对汽车行驶产生的阻力。采用磁悬浮技术的车载垂直轴风力发电机还具有微风便可以启动发电的优势，只要风速达到1m/s，便能启动发电，相较普通风力发电机而言，明显降低了启动风速。故汽车在低速行驶中也可发电，甚至在户外停车状态下，仍然可以通过较小的气流发电，大大降低了发电风速条件的限制，延长了发电时间。此外，磁悬浮垂直轴风力发电机采用铝合金等轻型金属作为制造材料，同型号下质量更轻，发电效率更高（表2）。

本研究中，計划在新能源电动汽车前端进气格栅后安装一台功率为50W的磁悬浮垂直轴风力发电机，车载发电机的具体参数见表1。此车载发电机虽然功率比较小，但旋转空间小，重量轻，适合在汽车中安装使用。并且由于磁悬浮技术的优势，可以做到发电机长时间工作，故功率虽小，但发电效果比较可观。

3 风能参数计算

其中E表示气流动能，w表示风压力。

假设一团空气垂直通过横截面积为S的平面，则单位时间通过该平面的空气质量m=vsρ，标准状态下ρ=1.2928kg/m3。代入上式得

由此可见，风能以风速的三次方倍增加，风压力以风速的二次方倍增加。以单位面积（1m2）为标准，按不同风速进行测量，计算得到以下不同数据（表3）。

实际情况下，风经过叶片后的风速不可能降为零，也就是说经过风轮扫略面积的气流不可能将所有能量传递给风轮，风轮只能接收到其中一部分能量。

其中，cp表示风能利用系数，P表示风轮输出功率，A表示风轮的扫略面积。根据贝茨定律，cp最大为59.3%。但在现实中，风力发电机受到各种条件、因素的制约，根本无法达到cpmax。风力发电机的发电效率不仅受到cp的制约，同时还与机械传动效率等因素有关（表4）。

4 结束语

我国对风、光等清洁能源的开发力度逐年增加，代替传统化石能源发电的效果愈加显著，可再生能源的时代即将到来。

风力发电技术与新能源电动汽车的成功结合，一方面延长了电动汽车的充电周期和行驶里程，增强续航能力;另一方面，积极响应国家政策，提高能源利用率，做到节能环保;同时又大力推动了分布式离网型风力发电行业的发展，是能源供给侧和需求侧的结构调整，具有一举三得的效果。

参考文献：

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