風力發電技術在新能源電動汽車中的應用

鄭偉　張慶華

摘 要：風力發電行業和電動汽車行業，都是近年的新興產業，因其緩解能源緊張、減少環境污染等優勢，受到世界各國的廣泛重視。但兩者在發展過程中均暴露出各類缺陷，風電的利用率、電動汽車的續航能力等問題的解決都迫在眉睫。將風力發電技術與電動汽車結合，希望可以互補不足，最大化利用兩者的價值。

關鍵詞：風力發電;電動汽車;能源利用

1 研究背景

風能取之不盡，用之不竭，是具有巨大利用價值的新型清潔環保能源。1888年，世界第一臺風力發電機誕生以來，經過一個多世紀的發展，風力發電技術已愈加成熟。2017年，我國風電市場公開招標量達27.20GW，2018年上升至33.50GW，2019年已高達68.3829GW，超過2017年和2018年的總和。目前，風電累計裝機容量超過21005萬千瓦，在電源總裝機中比重達到10.4%。由此可見，風力發電技術突飛猛進的發展趨勢以及市場對風能技術的認可和對風電設備日益旺盛的需求。

目前，風電行業的發展主要集中于中大型并網風力發電站，分散式風電的開發力度比較薄弱。而陸上風電即將全面步入平價時代，能源發展“十三五”規劃提出，風電實行補貼退坡機制，自2021年1月1日起，新核準的陸上風電項目將全面實現平價上網。在這種情況下，分散式風電開發的優勢則逐漸凸顯，對分散式風力發電設備的發展便是一次重大機遇。若將小型風力發電機安裝應用在新能源電動汽車中，即是分散式風力發電技術的一次創新突破，又具有節能環保的重大意義。

2 車載風力發電機的設計

汽車工業在最近幾十年中有突飛猛進的發展，對交通運輸、經濟建設以及人們的生活質量都有顯著的提高。但發展汽車工業的同時也造成了不可再生化石能源的大量消耗和有害氣 體排放等諸多問題。在這樣的大背景下，綠色環保的新能源電動汽車便逐漸出現在人們的視野之中。雖然電動汽車有節能、低噪聲、低震動等優點，但其續航能力以及不完善的充電設施卻一直備受詬病，如何提高電動汽車的續航能力，改善充電條件，對電動汽車行業的發展有著重要的意義。

新能源電動汽車，以電力作為能源，以蓄電池作為儲能元件，向電機提供電力，驅動汽車行駛，隨著蓄電池中電能的消耗，需要周期性向蓄電池充電以補充電能。電動汽車相對于傳統汽車而言，采用的電控系統在結構上簡化了機械傳動系統，節省了汽車內部空間，為安裝車載發電機提供了必要的空間條件。車載風力發電機產生的電能即可供車內電子設備使用，也可對蓄電池充電，可以在一定程度上延長蓄電池的充電周期，減少充電次數。

風力發電機經過多年的發展，目前結構各異，種類繁多，選擇何種類型、何種功率的風力發電機作為車載使用是至關重要的一步。風力發電機按旋轉軸分類，可以分為水平軸風力發電機和垂直軸風力發電機。其中水平軸風力發電機最為常見，中、大型風力發電站普遍使用此類型的發電機，水平軸風力發電機具有風能利用率高的優點，但其占用空間較大、控制調節系統復雜，不適用于在汽車中安裝使用。而垂直軸風力發電機具有占用空間小、可多角度受風、啟動風速小、維修保養簡單等優勢，故考慮采用垂直軸風力發電機作為車載風力發電機（表1）。

同時，在垂直軸風力發電機的基礎上結合磁懸浮技術，用磁力軸承代替傳統機械軸承，極大減小了旋轉過程中產生的機械摩擦力，進而可以一定程度上降低車載垂直軸風力發電機在發電過程中對汽車行駛產生的阻力。采用磁懸浮技術的車載垂直軸風力發電機還具有微風便可以啟動發電的優勢，只要風速達到1m/s，便能啟動發電，相較普通風力發電機而言，明顯降低了啟動風速。故汽車在低速行駛中也可發電，甚至在戶外停車狀態下，仍然可以通過較小的氣流發電，大大降低了發電風速條件的限制，延長了發電時間。此外，磁懸浮垂直軸風力發電機采用鋁合金等輕型金屬作為制造材料，同型號下質量更輕，發電效率更高（表2）。

本研究中，計劃在新能源電動汽車前端進氣格柵后安裝一臺功率為50W的磁懸浮垂直軸風力發電機，車載發電機的具體參數見表1。此車載發電機雖然功率比較小，但旋轉空間小，重量輕，適合在汽車中安裝使用。并且由于磁懸浮技術的優勢，可以做到發電機長時間工作，故功率雖小，但發電效果比較可觀。

3 風能參數計算

其中E表示氣流動能，w表示風壓力。

假設一團空氣垂直通過橫截面積為S的平面，則單位時間通過該平面的空氣質量m=vsρ，標準狀態下ρ=1.2928kg/m3。代入上式得

由此可見，風能以風速的三次方倍增加，風壓力以風速的二次方倍增加。以單位面積（1m2）為標準，按不同風速進行測量，計算得到以下不同數據（表3）。

實際情況下，風經過葉片后的風速不可能降為零，也就是說經過風輪掃略面積的氣流不可能將所有能量傳遞給風輪，風輪只能接收到其中一部分能量。

其中，cp表示風能利用系數，P表示風輪輸出功率，A表示風輪的掃略面積。根據貝茨定律，cp最大為59.3%。但在現實中，風力發電機受到各種條件、因素的制約，根本無法達到cpmax。風力發電機的發電效率不僅受到cp的制約，同時還與機械傳動效率等因素有關（表4）。

4 結束語

我國對風、光等清潔能源的開發力度逐年增加，代替傳統化石能源發電的效果愈加顯著，可再生能源的時代即將到來。

風力發電技術與新能源電動汽車的成功結合，一方面延長了電動汽車的充電周期和行駛里程，增強續航能力;另一方面，積極響應國家政策，提高能源利用率，做到節能環保;同時又大力推動了分布式離網型風力發電行業的發展，是能源供給側和需求側的結構調整，具有一舉三得的效果。

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