張騰+王健+王春峰+仲學(xué)軍+史博文

摘 要 介紹一種車載風(fēng)力供電系統(tǒng)，利用汽車行駛時產(chǎn)生的風(fēng)能發(fā)電，由風(fēng)力發(fā)電機(jī)將風(fēng)能轉(zhuǎn)化為電能，經(jīng)交直流轉(zhuǎn)換并穩(wěn)壓后將電能儲存在蓄電池中，可為直流負(fù)載供電，亦可經(jīng)逆變器轉(zhuǎn)換后為交流負(fù)載供電。本系統(tǒng)開發(fā)利用了汽車產(chǎn)生的風(fēng)能，將對節(jié)能環(huán)保產(chǎn)生積極的影響。

關(guān)鍵詞 風(fēng)能；風(fēng)力發(fā)電機(jī)；車載供電

中圖分類號：TK89 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1671-7597（2014）10-0029-01

1 研制背景及意義

手機(jī)等電子產(chǎn)品已經(jīng)成為人們生活中不可或缺的部分，豐富的應(yīng)用給人們帶來休閑娛樂的同時，也使得手機(jī)電量越來越不夠用。尤其是對于乘坐汽車的長途旅客，手機(jī)是在車上打發(fā)時間的最好方式之一，但是有限的電量卻不能滿足長途旅行的需求，而現(xiàn)在絕大多數(shù)車上沒有安裝為手機(jī)等電子產(chǎn)品充電的接口。汽車上原有一套發(fā)電系統(tǒng)，但是，汽車上的各種儀器儀表都需要消耗電能，原有的發(fā)電系統(tǒng)無法提供更多的電能給手機(jī)供電。

風(fēng)能是新型能源，具有無污染、可在生的特點。近年來，國家大力提倡開發(fā)風(fēng)能，但是，目前對風(fēng)能的開發(fā)都集中在大型發(fā)電廠，小型風(fēng)力發(fā)電應(yīng)用很少。因此我們設(shè)計了一個利用風(fēng)力發(fā)電的車載輔助供電系統(tǒng)，將其安裝在汽車的前面，既不增加汽車迎風(fēng)面面積，又能夠利用風(fēng)力發(fā)電，解決車上電能短缺的問題。車載輔助供電系統(tǒng)主要涉及電學(xué)、磁學(xué)和力學(xué)等學(xué)科。

2 原理分析

2.1 系統(tǒng)流程圖

如圖1所示，輔助供電系統(tǒng)由風(fēng)力發(fā)電機(jī)、整流濾波穩(wěn)壓電路、蓄電池充電電路和逆變器組成。

圖1 輔助供電系統(tǒng)流程圖

風(fēng)力發(fā)電機(jī)將風(fēng)能轉(zhuǎn)化為電能，經(jīng)整流濾波穩(wěn)壓電路后，將交流電轉(zhuǎn)換為直流電，然后通過蓄電池充電電路將電能儲存在蓄電池中，直流負(fù)載可以直接由蓄電池供電，交流負(fù)載通過逆變器后將直流電轉(zhuǎn)換為交流電后供電?？刂齐娐犯鶕?jù)蓄電池的充電狀態(tài)控制風(fēng)力發(fā)電機(jī)，當(dāng)蓄電池電量不滿時，風(fēng)力發(fā)電機(jī)正常工作；當(dāng)蓄電池充滿電時，控制電路控制風(fēng)力發(fā)電機(jī)上的鎖定裝置使發(fā)電機(jī)停轉(zhuǎn)以保護(hù)電路。

2.2 工作原理

1）風(fēng)力發(fā)電機(jī)。風(fēng)力發(fā)電機(jī)[1]由葉片和交流發(fā)電機(jī)兩部分組成。葉片將風(fēng)能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能，并將機(jī)械能傳遞給交流發(fā)電機(jī)，發(fā)電機(jī)通過磁場將機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電能。風(fēng)能，即風(fēng)具有的動能。計上風(fēng)向風(fēng)速為，空氣密度為，則橫截面積為，長為的體積內(nèi)的風(fēng)能計算公式為

其中，

對上式求導(dǎo)即為風(fēng)功率

上式給出了風(fēng)功率，但是轉(zhuǎn)移到葉片上的能量會有一定的下降，其下降倍率為，根據(jù)Betz極限，的最大值為0.593。實際上，的最大值的取值范圍是0.25-0.45。

交流發(fā)電機(jī)[2]從葉片中獲得機(jī)械能，并將其轉(zhuǎn)化為電能。最終發(fā)電機(jī)的電功率為

以上從能量轉(zhuǎn)換的角度計算出了風(fēng)力發(fā)電機(jī)的輸出功率。接下來運(yùn)用電學(xué)來進(jìn)一步計算發(fā)電機(jī)的輸出特性[3]。

發(fā)電機(jī)的輸出頻率和電動勢為：

其中為磁極對數(shù)，為發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速，單位是。為每相電動勢峰值，為每相電動勢有效值，表示電角速度。

可以通過下式計算得出

其中，為繞組系數(shù)，為每相繞組的匝數(shù)，為每極的磁通，為電機(jī)結(jié)構(gòu)常數(shù)。

可見，發(fā)電機(jī)的輸出電壓的有效值與電機(jī)結(jié)構(gòu)常數(shù)、每極的磁通和轉(zhuǎn)速成正比。

2）整流濾波穩(wěn)壓電路。整流濾波電路由整流二極管和濾波電容及電感組成。整流電路是利用二極管的單向?qū)щ娦?，只有正向電壓能夠通過二極管，反向電壓被阻隔，將交流電轉(zhuǎn)變?yōu)槊}動的直流電。濾波電路是利用電容、電感的儲能作用，以平滑輸出電壓。

穩(wěn)壓電路的作用是保持輸出電壓的穩(wěn)定，使輸出電壓不隨電網(wǎng)電壓、負(fù)載和溫度的變化而變化，能夠使電路能夠通過充電電路平穩(wěn)的為蓄電池充電。本系統(tǒng)使用78012穩(wěn)壓集成塊，通過反饋電路實現(xiàn)了很好的穩(wěn)壓效果。

3）蓄電池充電電路。為了保護(hù)蓄電池，延長其使用壽命，充電過程分為維護(hù)充電、快速充電和限壓浮沖三種充電模式。

維護(hù)充電是當(dāng)電池電壓較低時（電壓低于9 V），充電電路工作在小電流充電狀態(tài)。隨著維護(hù)充電的持續(xù)，電池電壓逐漸升高，當(dāng)電池電壓超過9 V時，充電電路轉(zhuǎn)入大電流快速充電模式。在電池接近充滿電時，充電電路進(jìn)入限壓浮沖狀態(tài)充電電流由快速充電狀態(tài)下逐漸下將，至電池完全充足電后，充電電流僅為10～30 mA，用于補(bǔ)充電池因自放電而損失的電量。

4）負(fù)載。對于直流負(fù)載可以直接有蓄電池供電。如給手機(jī)充電，先用穩(wěn)壓電路進(jìn)行穩(wěn)壓。然后通過USB接口為手機(jī)供電。對于交流負(fù)載，要先經(jīng)逆變器將直流電轉(zhuǎn)換為交流電再給負(fù)載供電。

3 結(jié)論

本文介紹了車載風(fēng)能輔助供電系統(tǒng)，利用汽車行駛時產(chǎn)生的風(fēng)能發(fā)電，主要研究了整個供電系統(tǒng)的工作原理，而對于風(fēng)力發(fā)電機(jī)對汽車造成的阻礙問題，有待進(jìn)一步研究。本系統(tǒng)節(jié)能又環(huán)保，本系統(tǒng)的深入研究將有助于解決長途旅客充電困難以及環(huán)境保護(hù)等問題。

參考文獻(xiàn)

[1]Olimpo Anaya-Lara，Nick Jenkins，等.風(fēng)力發(fā)電的模擬與控制[M].徐政譯.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2011：2-5.

[2]周順榮.電機(jī)學(xué)[M].北京：科學(xué)出版社，2010：339-351.

[3]秦曾煌.電工學(xué)（上冊）[M].北京：高等教育出版社，2009：217-249.

作者簡介

張騰（1992-），江蘇徐州人，本科，主要從事電子研究工作。endprint

摘 要 介紹一種車載風(fēng)力供電系統(tǒng)，利用汽車行駛時產(chǎn)生的風(fēng)能發(fā)電，由風(fēng)力發(fā)電機(jī)將風(fēng)能轉(zhuǎn)化為電能，經(jīng)交直流轉(zhuǎn)換并穩(wěn)壓后將電能儲存在蓄電池中，可為直流負(fù)載供電，亦可經(jīng)逆變器轉(zhuǎn)換后為交流負(fù)載供電。本系統(tǒng)開發(fā)利用了汽車產(chǎn)生的風(fēng)能，將對節(jié)能環(huán)保產(chǎn)生積極的影響。

關(guān)鍵詞 風(fēng)能；風(fēng)力發(fā)電機(jī)；車載供電

中圖分類號：TK89 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1671-7597（2014）10-0029-01

1 研制背景及意義

手機(jī)等電子產(chǎn)品已經(jīng)成為人們生活中不可或缺的部分，豐富的應(yīng)用給人們帶來休閑娛樂的同時，也使得手機(jī)電量越來越不夠用。尤其是對于乘坐汽車的長途旅客，手機(jī)是在車上打發(fā)時間的最好方式之一，但是有限的電量卻不能滿足長途旅行的需求，而現(xiàn)在絕大多數(shù)車上沒有安裝為手機(jī)等電子產(chǎn)品充電的接口。汽車上原有一套發(fā)電系統(tǒng)，但是，汽車上的各種儀器儀表都需要消耗電能，原有的發(fā)電系統(tǒng)無法提供更多的電能給手機(jī)供電。

風(fēng)能是新型能源，具有無污染、可在生的特點。近年來，國家大力提倡開發(fā)風(fēng)能，但是，目前對風(fēng)能的開發(fā)都集中在大型發(fā)電廠，小型風(fēng)力發(fā)電應(yīng)用很少。因此我們設(shè)計了一個利用風(fēng)力發(fā)電的車載輔助供電系統(tǒng)，將其安裝在汽車的前面，既不增加汽車迎風(fēng)面面積，又能夠利用風(fēng)力發(fā)電，解決車上電能短缺的問題。車載輔助供電系統(tǒng)主要涉及電學(xué)、磁學(xué)和力學(xué)等學(xué)科。

2 原理分析

2.1 系統(tǒng)流程圖

如圖1所示，輔助供電系統(tǒng)由風(fēng)力發(fā)電機(jī)、整流濾波穩(wěn)壓電路、蓄電池充電電路和逆變器組成。

圖1 輔助供電系統(tǒng)流程圖

風(fēng)力發(fā)電機(jī)將風(fēng)能轉(zhuǎn)化為電能，經(jīng)整流濾波穩(wěn)壓電路后，將交流電轉(zhuǎn)換為直流電，然后通過蓄電池充電電路將電能儲存在蓄電池中，直流負(fù)載可以直接由蓄電池供電，交流負(fù)載通過逆變器后將直流電轉(zhuǎn)換為交流電后供電。控制電路根據(jù)蓄電池的充電狀態(tài)控制風(fēng)力發(fā)電機(jī)，當(dāng)蓄電池電量不滿時，風(fēng)力發(fā)電機(jī)正常工作；當(dāng)蓄電池充滿電時，控制電路控制風(fēng)力發(fā)電機(jī)上的鎖定裝置使發(fā)電機(jī)停轉(zhuǎn)以保護(hù)電路。

2.2 工作原理

1）風(fēng)力發(fā)電機(jī)。風(fēng)力發(fā)電機(jī)[1]由葉片和交流發(fā)電機(jī)兩部分組成。葉片將風(fēng)能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能，并將機(jī)械能傳遞給交流發(fā)電機(jī)，發(fā)電機(jī)通過磁場將機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電能。風(fēng)能，即風(fēng)具有的動能。計上風(fēng)向風(fēng)速為，空氣密度為，則橫截面積為，長為的體積內(nèi)的風(fēng)能計算公式為

其中，

對上式求導(dǎo)即為風(fēng)功率

上式給出了風(fēng)功率，但是轉(zhuǎn)移到葉片上的能量會有一定的下降，其下降倍率為，根據(jù)Betz極限，的最大值為0.593。實際上，的最大值的取值范圍是0.25-0.45。

交流發(fā)電機(jī)[2]從葉片中獲得機(jī)械能，并將其轉(zhuǎn)化為電能。最終發(fā)電機(jī)的電功率為

以上從能量轉(zhuǎn)換的角度計算出了風(fēng)力發(fā)電機(jī)的輸出功率。接下來運(yùn)用電學(xué)來進(jìn)一步計算發(fā)電機(jī)的輸出特性[3]。

發(fā)電機(jī)的輸出頻率和電動勢為：

其中為磁極對數(shù)，為發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速，單位是。為每相電動勢峰值，為每相電動勢有效值，表示電角速度。

可以通過下式計算得出

其中，為繞組系數(shù)，為每相繞組的匝數(shù)，為每極的磁通，為電機(jī)結(jié)構(gòu)常數(shù)。

可見，發(fā)電機(jī)的輸出電壓的有效值與電機(jī)結(jié)構(gòu)常數(shù)、每極的磁通和轉(zhuǎn)速成正比。

2）整流濾波穩(wěn)壓電路。整流濾波電路由整流二極管和濾波電容及電感組成。整流電路是利用二極管的單向?qū)щ娦?，只有正向電壓能夠通過二極管，反向電壓被阻隔，將交流電轉(zhuǎn)變?yōu)槊}動的直流電。濾波電路是利用電容、電感的儲能作用，以平滑輸出電壓。

穩(wěn)壓電路的作用是保持輸出電壓的穩(wěn)定，使輸出電壓不隨電網(wǎng)電壓、負(fù)載和溫度的變化而變化，能夠使電路能夠通過充電電路平穩(wěn)的為蓄電池充電。本系統(tǒng)使用78012穩(wěn)壓集成塊，通過反饋電路實現(xiàn)了很好的穩(wěn)壓效果。

3）蓄電池充電電路。為了保護(hù)蓄電池，延長其使用壽命，充電過程分為維護(hù)充電、快速充電和限壓浮沖三種充電模式。

維護(hù)充電是當(dāng)電池電壓較低時（電壓低于9 V），充電電路工作在小電流充電狀態(tài)。隨著維護(hù)充電的持續(xù)，電池電壓逐漸升高，當(dāng)電池電壓超過9 V時，充電電路轉(zhuǎn)入大電流快速充電模式。在電池接近充滿電時，充電電路進(jìn)入限壓浮沖狀態(tài)充電電流由快速充電狀態(tài)下逐漸下將，至電池完全充足電后，充電電流僅為10～30 mA，用于補(bǔ)充電池因自放電而損失的電量。

4）負(fù)載。對于直流負(fù)載可以直接有蓄電池供電。如給手機(jī)充電，先用穩(wěn)壓電路進(jìn)行穩(wěn)壓。然后通過USB接口為手機(jī)供電。對于交流負(fù)載，要先經(jīng)逆變器將直流電轉(zhuǎn)換為交流電再給負(fù)載供電。

3 結(jié)論

本文介紹了車載風(fēng)能輔助供電系統(tǒng)，利用汽車行駛時產(chǎn)生的風(fēng)能發(fā)電，主要研究了整個供電系統(tǒng)的工作原理，而對于風(fēng)力發(fā)電機(jī)對汽車造成的阻礙問題，有待進(jìn)一步研究。本系統(tǒng)節(jié)能又環(huán)保，本系統(tǒng)的深入研究將有助于解決長途旅客充電困難以及環(huán)境保護(hù)等問題。

參考文獻(xiàn)

[1]Olimpo Anaya-Lara，Nick Jenkins，等.風(fēng)力發(fā)電的模擬與控制[M].徐政譯.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2011：2-5.

[2]周順榮.電機(jī)學(xué)[M].北京：科學(xué)出版社，2010：339-351.

[3]秦曾煌.電工學(xué)（上冊）[M].北京：高等教育出版社，2009：217-249.

作者簡介

張騰（1992-），江蘇徐州人，本科，主要從事電子研究工作。endprint

摘 要 介紹一種車載風(fēng)力供電系統(tǒng)，利用汽車行駛時產(chǎn)生的風(fēng)能發(fā)電，由風(fēng)力發(fā)電機(jī)將風(fēng)能轉(zhuǎn)化為電能，經(jīng)交直流轉(zhuǎn)換并穩(wěn)壓后將電能儲存在蓄電池中，可為直流負(fù)載供電，亦可經(jīng)逆變器轉(zhuǎn)換后為交流負(fù)載供電。本系統(tǒng)開發(fā)利用了汽車產(chǎn)生的風(fēng)能，將對節(jié)能環(huán)保產(chǎn)生積極的影響。

關(guān)鍵詞 風(fēng)能；風(fēng)力發(fā)電機(jī)；車載供電

中圖分類號：TK89 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1671-7597（2014）10-0029-01

1 研制背景及意義

手機(jī)等電子產(chǎn)品已經(jīng)成為人們生活中不可或缺的部分，豐富的應(yīng)用給人們帶來休閑娛樂的同時，也使得手機(jī)電量越來越不夠用。尤其是對于乘坐汽車的長途旅客，手機(jī)是在車上打發(fā)時間的最好方式之一，但是有限的電量卻不能滿足長途旅行的需求，而現(xiàn)在絕大多數(shù)車上沒有安裝為手機(jī)等電子產(chǎn)品充電的接口。汽車上原有一套發(fā)電系統(tǒng)，但是，汽車上的各種儀器儀表都需要消耗電能，原有的發(fā)電系統(tǒng)無法提供更多的電能給手機(jī)供電。

風(fēng)能是新型能源，具有無污染、可在生的特點。近年來，國家大力提倡開發(fā)風(fēng)能，但是，目前對風(fēng)能的開發(fā)都集中在大型發(fā)電廠，小型風(fēng)力發(fā)電應(yīng)用很少。因此我們設(shè)計了一個利用風(fēng)力發(fā)電的車載輔助供電系統(tǒng)，將其安裝在汽車的前面，既不增加汽車迎風(fēng)面面積，又能夠利用風(fēng)力發(fā)電，解決車上電能短缺的問題。車載輔助供電系統(tǒng)主要涉及電學(xué)、磁學(xué)和力學(xué)等學(xué)科。

2 原理分析

2.1 系統(tǒng)流程圖

如圖1所示，輔助供電系統(tǒng)由風(fēng)力發(fā)電機(jī)、整流濾波穩(wěn)壓電路、蓄電池充電電路和逆變器組成。

圖1 輔助供電系統(tǒng)流程圖

風(fēng)力發(fā)電機(jī)將風(fēng)能轉(zhuǎn)化為電能，經(jīng)整流濾波穩(wěn)壓電路后，將交流電轉(zhuǎn)換為直流電，然后通過蓄電池充電電路將電能儲存在蓄電池中，直流負(fù)載可以直接由蓄電池供電，交流負(fù)載通過逆變器后將直流電轉(zhuǎn)換為交流電后供電?？刂齐娐犯鶕?jù)蓄電池的充電狀態(tài)控制風(fēng)力發(fā)電機(jī)，當(dāng)蓄電池電量不滿時，風(fēng)力發(fā)電機(jī)正常工作；當(dāng)蓄電池充滿電時，控制電路控制風(fēng)力發(fā)電機(jī)上的鎖定裝置使發(fā)電機(jī)停轉(zhuǎn)以保護(hù)電路。

2.2 工作原理

1）風(fēng)力發(fā)電機(jī)。風(fēng)力發(fā)電機(jī)[1]由葉片和交流發(fā)電機(jī)兩部分組成。葉片將風(fēng)能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能，并將機(jī)械能傳遞給交流發(fā)電機(jī)，發(fā)電機(jī)通過磁場將機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電能。風(fēng)能，即風(fēng)具有的動能。計上風(fēng)向風(fēng)速為，空氣密度為，則橫截面積為，長為的體積內(nèi)的風(fēng)能計算公式為

其中，

對上式求導(dǎo)即為風(fēng)功率

上式給出了風(fēng)功率，但是轉(zhuǎn)移到葉片上的能量會有一定的下降，其下降倍率為，根據(jù)Betz極限，的最大值為0.593。實際上，的最大值的取值范圍是0.25-0.45。

交流發(fā)電機(jī)[2]從葉片中獲得機(jī)械能，并將其轉(zhuǎn)化為電能。最終發(fā)電機(jī)的電功率為

以上從能量轉(zhuǎn)換的角度計算出了風(fēng)力發(fā)電機(jī)的輸出功率。接下來運(yùn)用電學(xué)來進(jìn)一步計算發(fā)電機(jī)的輸出特性[3]。

發(fā)電機(jī)的輸出頻率和電動勢為：

其中為磁極對數(shù)，為發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速，單位是。為每相電動勢峰值，為每相電動勢有效值，表示電角速度。

可以通過下式計算得出

其中，為繞組系數(shù)，為每相繞組的匝數(shù)，為每極的磁通，為電機(jī)結(jié)構(gòu)常數(shù)。

可見，發(fā)電機(jī)的輸出電壓的有效值與電機(jī)結(jié)構(gòu)常數(shù)、每極的磁通和轉(zhuǎn)速成正比。

2）整流濾波穩(wěn)壓電路。整流濾波電路由整流二極管和濾波電容及電感組成。整流電路是利用二極管的單向?qū)щ娦?，只有正向電壓能夠通過二極管，反向電壓被阻隔，將交流電轉(zhuǎn)變?yōu)槊}動的直流電。濾波電路是利用電容、電感的儲能作用，以平滑輸出電壓。

穩(wěn)壓電路的作用是保持輸出電壓的穩(wěn)定，使輸出電壓不隨電網(wǎng)電壓、負(fù)載和溫度的變化而變化，能夠使電路能夠通過充電電路平穩(wěn)的為蓄電池充電。本系統(tǒng)使用78012穩(wěn)壓集成塊，通過反饋電路實現(xiàn)了很好的穩(wěn)壓效果。

3）蓄電池充電電路。為了保護(hù)蓄電池，延長其使用壽命，充電過程分為維護(hù)充電、快速充電和限壓浮沖三種充電模式。

維護(hù)充電是當(dāng)電池電壓較低時（電壓低于9 V），充電電路工作在小電流充電狀態(tài)。隨著維護(hù)充電的持續(xù)，電池電壓逐漸升高，當(dāng)電池電壓超過9 V時，充電電路轉(zhuǎn)入大電流快速充電模式。在電池接近充滿電時，充電電路進(jìn)入限壓浮沖狀態(tài)充電電流由快速充電狀態(tài)下逐漸下將，至電池完全充足電后，充電電流僅為10～30 mA，用于補(bǔ)充電池因自放電而損失的電量。

4）負(fù)載。對于直流負(fù)載可以直接有蓄電池供電。如給手機(jī)充電，先用穩(wěn)壓電路進(jìn)行穩(wěn)壓。然后通過USB接口為手機(jī)供電。對于交流負(fù)載，要先經(jīng)逆變器將直流電轉(zhuǎn)換為交流電再給負(fù)載供電。

3 結(jié)論

本文介紹了車載風(fēng)能輔助供電系統(tǒng)，利用汽車行駛時產(chǎn)生的風(fēng)能發(fā)電，主要研究了整個供電系統(tǒng)的工作原理，而對于風(fēng)力發(fā)電機(jī)對汽車造成的阻礙問題，有待進(jìn)一步研究。本系統(tǒng)節(jié)能又環(huán)保，本系統(tǒng)的深入研究將有助于解決長途旅客充電困難以及環(huán)境保護(hù)等問題。

參考文獻(xiàn)

[1]Olimpo Anaya-Lara，Nick Jenkins，等.風(fēng)力發(fā)電的模擬與控制[M].徐政譯.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2011：2-5.

[2]周順榮.電機(jī)學(xué)[M].北京：科學(xué)出版社，2010：339-351.

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作者簡介

張騰（1992-），江蘇徐州人，本科，主要從事電子研究工作。endprint