基于碟刹的能量回收系统设计与研究

陈祥，曹汉清，魏宇峰，韦丽影

（1.江苏师范大学科文学院，江苏 徐州 221116；2.青岛大学电气工程学院，山东 青岛 266071）

0 引言

随着资源的枯竭和环境的恶化，资源的枯竭和科技的进步，电力驱动被认为是解决该问题的一个方法，电力节约也成为当今社会发展一个热门话题。杨若雪[1]将海水反渗透淡化中经常运用到的两种主要能量回收技术的结构原理进行阐述，并将通过相应能量回收装置运用在海水反渗透淡化工程的整体的能量消耗的成本与其进行比较，从而设计出海水反渗透淡化系统中的能量回收装置。孟莹梅[2]阐述尾气能量回收发电装置在汽车尾气中应用的价值，利用涡轮装置充分发挥汽车尾气的机械能，提出一些对于汽车尾气能量回收发电装置设计的建议。佘翔等三人[3]开发一款公交车制动排气降噪及能量回收装置，为节省开发成本和时间，构建基于AMESIM的公交车制动排气降噪及能量回收装置模型，用于仿真计算。苏慧超等三人[4]采用自主研发的一体式能量回收高压泵，并优化了装置设计，研制的一套适用于海岛、海上平台、船舶等特殊场合的小型海水淡化装置。周长明[5]利用相变换热原理，迅速将热源热量快速搬运到冷源，从而达到传热换热的目的，进行复杂气体能量回收装置的优化研究。段未等三人[6]提出一种泵驱动回路热管能量回收装置，用于回收公共建筑空调系统排风的能量，降低处理新风的能耗，并搭建实验平台，测试该装置在两种工况下的性能，分析工质质量流量、换热器换热面积和换热器迎面风速3种因素对装置换热量、温度效率和性能系数的影响，得出质量流量、换热面积和迎面风速的最优值。中国机电工业[7]由锡柴科技人员提出“能量回收系统”，针对如何回收各种热机没有被利用掉的部分能量，以燃机循环理论和机械结构为基础，具有简单可靠、高节能特点，开创了国内能量回收设计的先河。方辉[8]指出能量计量通过三种途径：优化产业结构，优先发展第三产业、高技术产业等低碳经济，降低单位GDP能耗;二是淘汰落后产能，关停生产工艺和装备水平落后的高耗能生产能力，降低GDP能耗;三是提高能源利用率，改进生产工艺、提高管理水平，通过节能降耗，降低单位产品能耗。实现科学节能。

装置分两种情况：一种是平时工作状态，刹车时工作，与碟刹一起运动，另一种是下坡状态，设置成常开，分两个挡位以收集能量。该装置利用磁生电模块辅助刹车，并将产生的电能用于电风扇、防盗器等的消耗。该装置在单车上以是否接入电路来确保是否作用，下坡时可自己控制恒定接入，也可在要刹车时拉动刹车把来接入电路；若电动车可以接入电流增强磁场来达到强力减速。故电动车有两挡。据计算，在单车正常行车一小时的情况下，可产生3~6KJ左右的能量，可供一部3W的电风扇使用约30分钟或者让在有大的上下坡的情况下达1小时以上。电动车则会更久，若推广到全国，估计每天可以节省千万以上度电。

1 设计方案

自行车一级刹车系统的电键开关和碟刹的刹车手把一起连接，拉动车闸，电键打开，碟片辅助装置接入电路，形成回路，产生电流并发挥刹车作用，如图1所示。

图1 一级刹车系统

而电动车的二级刹车系统则在按键两次才启动。按键一次时，作用同自行车的一级刹车系统，按键两次后，在一级的基础上接入电动车电源，产生更大的电磁场并产生更大刹车作用，如图2。

图2 二级刹车系统

该装置通过固定于车架上的发电模块来获得不规则的交变电，通过整流滤波升压模块将其转换成不规则的直流电，以便给超级电容供电，当超级电容在降压模块的直流输出电作用下并在充电模块的环境中开始充电工作之后，若电量已充满，则过载保护模块上的警示灯将会提醒使用者该装置已充满电，并开始自动放电。该装置通过对发电模块所产生的不规则交变电进行整流滤波升压成不规则的直流电，方便对其利用。所述电力图如图3所示。

图3 整流滤波升压电路

得到不规则直流电之后，将其输入超级电容，给超级电容进行充电。相关电路图如图4所示。

图4 降压充电电路

当超级电容充满电之后，警示灯会提醒使用电容储能已满，超级电容将会自动放电，达到过载保护的目的。相关电路图如图5所示。

图5 电容充电与过载保护电路

在自行车车身安装有夜间照明电路，该装置通过固定在车身龙头位置的按钮开关来达到控制该照明电路的目的。相关电路图如图6所示。

图6 照明电路

2 结语

装置利用磁生电的装置辅助刹车，减少刹车片的磨损，并将产生的电能用于电风扇或手机充电等。此装备可广泛用于利用碟刹为刹车装置的各类车辆，拥有广阔的市场。单车的碟刹发电装置还可利用充电宝保存，用于骑行时手机充电和其他用途，野外照明用电等，必要时可当作应急发电装置。该装置具有成本低，安装及结构简单的特点，并且可将在刹车过程中损失的能量加以利用，可以增加其续航力、提高舒适度，使之在市场上更有竞争力。可应用更强电磁感应强度的磁体，在验证的情况下安装多个类似的装置以提升利用率；利用新的电能收集装置，如利用直流电源变换器或者利用超级电容器；可以在电动车内安装小型的水平仪，利用51单片机控制在坡度倾斜达多少角度时打开开关，接入电路；可以利用滑动变阻器控制电磁铁接入电流的大小来实现精确控制。