车载行李箱前置风力发电装置的原理与设计

朱星光　刘畅

【摘要】我们所熟知的车载风力发电装置是当车辆在行驶过程中借助风力推动发电机转动，使得发电机中的转子切割磁感线来产生电能，并将电能储存起来以备不时之需。然而目前常见的一些车载风力发电机存在着很多的问题-影响车子本身的美观，甚至影响车子的性能等问题，所以一直不能够被大众所接受。本文则将车载风力发电机与车顶行李箱结合起来，因为安装车顶行李箱本身就会影响到车子的性能，使车子在运行中受到的风阻增大，从而增加燃料的消耗。所以在车顶行李箱前面加装一个风力发电装置，从而使这部分被浪费掉的能量能有一部分被回收，以达到节能的目的。

【关键词】车载风力发电装置  车载行李箱  节能  户外旅行

风能作为一种取之不尽用之不竭的可再生能源，在其被人们利用转化为电能时，不会产生二氧化碳等化学物质，从而避免对大自然造成环境污染，是一种真正的清洁能源。随着经济的发展，很多城市的生活节奏加快，很多人期盼着在假期时间能够放松一下，减缓工作和生活中的压力，因此选择开车外出旅行的人越来越多，旅行中人们难免需要更换衣物，停车拍照，甚至在野外搭帐篷居住。

因此需要携带的装备很多，而目前市面上的大多数车子后备箱的容量都很有限，并不能盛放下车主的所有东西，因此很多有长途旅行需求的车主都会选择在车顶加装一个车载行李箱，然而加装车载行李箱之后会增加汽车的风阻，进而使得了汽车在长途旅行中燃料的消耗变多。

此时若在车载行李箱之前加装一个车载风力发电装置便可以回收一部分被浪费掉的能量，而回收来的能量可以用来给手机、笔记本以及摄像机等用电设备充电。

一、现阶段人们户外旅行时对于能源的需求

1.长途旅行的普遍化

由于生活质量的不断提高，很多人在繁忙的工作之余都会选择一段短途或长途旅行来放松自己，我们经常可以在短视频平台看到诸如此类的自驾行，经过在短视频平台的宣传，使得越来越多的人有了对于这种自由自在的自驾游的向往。随之而来的问题便是在进行自驾旅行中人们对于能源需求，在户外荒无人烟的地方如发生通信设备电量不足的情况，又不幸的遇到汽车故障，恐怕是每个自驾旅行的人不想遇到的噩梦，因此可见多一份能源保证是多么的重要。

2.可以获取能源的渠道

目前我们可以通过携带充电电池、太阳能充电器等装置来获取能源。但是充电电池面临着重量过大、占用储物空间以及储存的能源有限等问题;而对于太阳能充电器，虽然可以持续的获取能源，但是在阴天有雨等恶劣的没有阳光的天气情况下便不能使用。但对于车载式风力发电装置，不但不占用车内本就寸土寸金的空间，而且还有着可以随时随地获取的优点。因此对于外出旅行的人们装备车载式风力发电装置是十分重要的。

二、该装置的设计方案

1.该装置的发电过程

如图1所示，装置在汽车以一定速度行驶的情况下开始运行通过风轮将风产生的阻力风力转化为驱动风轮运动的动能，依靠风轮带动风轮中心的发电机发电，在经过整流电路整流之后，电能便可被存储到车顶行李箱前端的电池中，可供用电设备使用，实现了由风能到机械能，机械能到电能的能量转变的过程。

2.装置的构成

本装置主要由四大大部分组成：风扇、发电机、整流线路以及藏在车顶行李箱前部的电池。除此之外在车顶行李箱内部还设有用来给各种用电设备充电的USB接口。

三、该装置各项结构的选择和优化

1.风扇叶片的选择

风扇作为风力发电装置中吸收风能的部件，在装置中起到了尤为重要的作用。其中叶片的强度、长宽比例、叶片的安装角度、攻角以及叶片的数量都对风扇本身是否能够最大效率的吸收风能产生了重要的影响。在众多叶片翼型中，本设计最终选择NACA2412型叶片翼型，如图2所示：

由于车载行李箱的前部面积的限制，所以本设计中选择长度为70mm，宽度为25mm，厚度为1mm的叶片来组成叶轮;风扇的叶片根据数量可分为少叶片和多叶片两种类型，其中少叶片的风扇可以实现高速旋转，由于三叶片的风扇具有运行平稳、对其他构件影响较小的优点，故本设计中选用三叶片的风扇，其叶片布置如图3所示：

对于叶片的材料，为了使叶片能够承受车辆高速行驶中强大的风阻，本设计采用高碳钢的材料，由于高碳钢材料的剪切应力有十几兆帕，足以应对车辆行驶过程中的风阻;

2.发电机的选择

发电机作为将风能转化为电能的主要机械部件，当风力吹动风扇转动便可带动发电机中的转子运动，从而产生电能。发电机的种类可以分为交流发电机和直流发电机两种，考虑到直流发电机在旋转时由于会有摩擦，所以会造成很大的能量损耗，且由于车辆在运行中速度并不是固定不变的，所以风扇转动的速度也不是固定的，也会产生不稳定的电流;对于交流发电机，不仅有着造价便宜，性能稳定等优点，并且其在发电的过程中能量损耗较少，所以本设计中采用交流发电机。发电机根据相数又可以分为单相和三相，但单相电机没有启动转矩，且噪音较大;而三相发电机具有启动电流小，结构简单，不容易出现故障等优点，故选择三相交流发电机。

通过计算最大风能来选择发电机功率：

根据计算，可采用额定功率为100W，12V的三相交流发电机。

3.整流线路以及电池的选择

整流电路作为车载风力发电装置中的不可或缺一环，其中的整流元器件的選择也显得尤为重要。根据材料的不同，常见的整流元器件有二极管和晶闸管，由于晶闸管可以在电池充满电时关闭整流电路，以保护电池的安全;而二极管在电池充满之后依旧开放整流电路，极大可能会对电池造成损坏，所以二极管只能用于普通的整流电路，故车载风力发电装置中选用晶闸管作为整流元器件，而为了使能耗的损失降到最小，本装置的整流的电路选择桥式全波整流电路进行整流，如图4所示：

电池是车载风力发电装置中的储能元件，根据电池材质的不同可分为铅酸蓄电池、镍氢电池和锂电池[7]。镍氢电池常用于电动车，其放电密度与其所处环境有很大的关系，而作为车载风力发电装置的电池，可能会处于温度较低的环境，此时镍氢电池的放电将会受到影响;对于锂电池，目前多用于手机电池，只能用于小电流放电，且造价较为昂贵;而铅酸蓄电池有着成本低廉，可靠性高，对环境依赖性小等优点，所以适合用于车载风力发电装置。

四、结论

本文以小型车载风力发电机为研究对象。从目前的市场需求、设计方案和装置中构件的选择三个方面进行了分析，初步设计了一种风力发电装置与车顶行李箱结合工作的小型发电装置，为有长途旅行需求的人们提供了可靠得保证

参考文献：

[1]陈锋，郭雨薇，陈萌.浅析车载风力发电装置的设计构想 [J].纳税，2017（29）：161.

[2]王超.基于汽车风速的风电系统的研究[D].北京：北京交通大学，2014：1-90.

[3]赵丹平.风力发电机组叶片模型气动载荷研究[D].呼和浩特：内蒙古农业大学，2009：1-122

[4]周延.车载小型风力发电系统在电动车中的应用[J].江西电力，2013（03）：55-57.

[5]刘杰.风光互补微电网为电动汽车无线充电研究[D].天津：天津工业大学，2015：1-66.

[6]王然.电动汽车风力发电装置的设计[J].新视野，2013（11）：6-7.

[7]刘越.探析储能技术在风力发电系统中的应用[J].电子测试，2019（04）：91-92.

作者简介：朱星光（1997.10-），男，汉族，山东聊城人，学士，研究方向：制冷，风力发电。