風力發電技術應用到新能源電動汽車領域

楊長慶

摘 要：太陽能和風能是目前兩種最具有發展前途的可再生清潔能源，發展工作可靠、效率高、成本低的風力發電裝置成為我國和世界各國的追求。在當代工業發展不斷壯大的背景下，汽車工業逐漸成為我國經濟發展的支柱型產業之一。隨著人們生活水平的提升，燃油汽車已然無法滿足其對質量的追求，因而新能源電動汽車應運而生。為有效解決新能源電動汽車的供電、節能需求，本文在對汽車與風能發電加以概述的基礎上，提出發電機的創新性設計，并嘗試對電動汽車風力發電系統加以設想，旨在為業內同仁提供參考。

關鍵詞：太陽能；風能；風力

中圖分類號：U469.72 文獻標識碼：A 文章編號：1004-7344（2018）30-0152-01

引 言

風是空氣流動的現象，空氣有一定的質量，空氣的流動具有一定的動能，就是可利用的風能，風能是清潔的、無污染的、取之不盡用之不竭的可再生能源。在常規能源面臨嚴重短缺以及全人類對生態環境保護意識的提高雙重壓力下，風能將逐漸成為21世紀人類利用的主要能源。

1 風力發電與汽車風能

1.1 風力發電概述

風力發電，英文寫作“wind power generation”，是指將風力作用下，將其動能轉化為電能的一中過程，風能也成為近年來備受矚目的可再生新能源之一。目前，風力發電主要流行于芬蘭、丹麥等特殊氣候國家。其主要工作原理為：在風力作用下，風車葉片產生旋轉，同時利用增速機，將其旋轉速度大幅度提升，借此帶動發電機產生電力。由于風力發電不需要燃料，且無輻射、無空氣污染，效果較好且可再生，因而備受世界人民喜愛[1]。

1.2 汽車與風能

早期汽車所使用的常規能源通常為汽油、柴油等，一方面該類資源面臨枯竭，間接造成汽車使用成本逐漸上升；另一方面，隨著人們環保意識的崛起，新能源的不斷開發，致使新能源中的代表——風能，開始在各行各業暫露頭角。

由于風的速度和方向是不斷變化的，因而風能存在變化性和不穩定性，利用風能發電面臨困難，但風能的變化是有規律可循的。隨著風力發電技術研究的深入，發電裝置的不斷簡化及創新，人們開始將風能與汽車相結合。試想，汽車高速行駛過程中，與流動空氣摩擦形成具有一定方向性的風能，風速吹在與風速垂直的汽車表面形成風壓，掌握風速與風壓等風力資源的開發利用，具有極大經濟價值[2]。

利用汽車高速行駛的風阻，通過風力渦輪機或風輪將獲取的風能轉換成旋轉機械能驅動，通過專用發電機將風能轉化成電能，實現持續穩定地向電動汽車蓄電池充電，以解決新能源電動汽車的電力自給自足。

2 風能發電機創新性設計

2.1 風能發電機現存問題

發電機是將風能收集的機械能變成電能，傳統的發電機是按輸入穩定的轉距和轉速設計的，無法適應風能輸出的變化轉距和轉速，汽車風力發電機組必須保證其在各種行駛風況、氣候條件下能夠長期安全運行，還必須考慮湍流和其他極端風況?！半p凸極直流發電機”為電動汽車風力發電專項設計定制[3]。

雙凸極電機的相電動勢波形很難達到正弦波，因而不易構成交流發電機，一般和二極管整流電路組合構成直流發電機，由于永磁雙凸極電機磁場調節困難，常用電勵磁雙凸極式混合勵磁雙凸極電機與整流器構成汽車直流發電機。

2.2 電勵磁雙凸極直流發電機

電勵磁雙凸極直流發電機是近年來新興起的一種發電機，與傳統開關磁阻發電機相比，電勵磁雙凸極直流發電機有以下優勢：①雙凸極發電機轉子上沒有磁鋼，沒有線圈，僅由硅鋼片疊壓而成，結構簡單可靠，制造方便，維護簡單。②雙凸極發電機的輸出為二極管整流電路，通過勵磁調節保持輸出直流電壓不因轉速和負載太小而變，它的后接直接向蓄電池充電[4]。③雙凸極發電機發電運行時，不需要多管功率電子變換器。由于它轉子上沒有永磁磁鋼，沒有鼠籠，消除了永磁同步電機和鼠籠感應電機的缺陷，在用作高轉速、大功率汽車風力發電裝置方面，比其它開關磁阻電機更可靠[5]。

3 電動汽車風力發電系統設想

3.1 工作狀態

電動汽車風力發電系統有四種工作狀態：①剩余風能向蓄電池充電，高速大風時，風力發電機輸出功率大，除供給電動驅動系統，汽車環境控制系統和汽車艙門窗及制動系統、操縱機構等本地用戶供電外，還有余量，多余電能向蓄電池充電；②風小或大風時，風力發電機不能輸出功率，蓄電池直接向動力系統和本地用戶供電；③風力發電機和蓄電池同時向動力驅動和本地用戶供電；④風力發電機僅向蓄電池充電，不向其它或本地用戶供電。

3.2 電動汽車直流電源系統設想

由于汽車風力發電機工作轉速在寬廣的范圍內變化，必須有電壓調節器和發電機配套使用，電壓調節器的作用是通過調節電動機的勵磁電流使電機輸出電壓保持不變，電動汽車風力直流發電機通常和蓄電池并聯工作，在汽車起動時或發電機故障不能工作時，由蓄電池供電。同時，直流發電機還應有過電壓、低電壓、過電流和反向電流等保護電器，微處理器已將發電機的電壓調節和故障保護電器合一為發電機控制器，于是電動汽車直流電源系統由：風力發電機、發電機控制器、蓄電池三部分構成。

在大型載重運輸汽車上面，可以配置多臺發電機：多臺風力發電機并聯工作時，電壓調節器還具有發電機向并聯均流的功能，多臺相互獨立的發電機控制器互為冗余，顯著提高了電源的可靠性。多電汽車的特點是：用電能代替集中式液壓、氣壓能，從而提高了汽車的可靠性、維護性，降低了機械設備重量和全周期費用。

4 結 論

不可否認，風力發電技術為世界經濟發展產生了不容忽視的作用，進一步促進了我國乃至世界工業的發展。無論是從經濟發展的角度，或是環境保護的角度，將風力發電技術應用于新能源電動汽車領域，其前景十分廣闊。目前，新能源電動汽車尚處于開拓階段，供電、節能等現狀均亟待改善，本文中提及的電動汽車風力發電系統設想則可有效緩解相應問題，筆者愿和相關機構共同完成該項目的推廣應用落地。

參考文獻

[1]任清晨.風力發電機組工作原理和技術基礎[M].機械工業出版社，2010.

[2]基拉什.太陽能光伏發電系統[M].機械工業出版社，2011.

[3]陳志輝.雙凸極直流發電機結構與原理[M].上?？茖W技術出版社，2012.

[4]張新房，徐大平，柳亦兵，等.風力發電技術的發展及相關控制問題綜述[J].華北電力技術，2005（5）：42～45.

[5]張 健，吳友華，姚丙雷，等.應用于新能源電動汽車的永磁輔助同步磁阻電機設計[J].電機與控制應用，2016，43（1）：77～82.

收稿日期：2018-9-18