浅谈风力发电在新能源电动车上的运用

邱学军

摘 要：风力发电，是利用风力带动风车叶片旋转将风能转化为电能的技术；。本文浅述风力发电技术在新能源电动汽车上的运用，从而增加续航，提高能源效率。

关键词：风力发电，电动汽车

引言

目前，新能源电动汽车受到了世界各国的大力推广，由中汽协发布的行业数据显示，2017年我国新能源汽车产销均接近80万辆，分别达到79.4万辆和77.7万辆，同比分别增长53.8%和53.3%，2017年新能源汽车产销已占据整体汽车市场的2.7%。[1]但由于电池容量条件的限制，解决电动汽车充电频繁、续航里程短、电池用量大且成本高昂等问题是新能源电动汽车面临的瓶颈，因此基于这些问题对电动汽车续航增程方式的多样化和方便性提出更多的思考。其中风力发电技术因其独有的便利性将应用到电动汽车上，代替部分能源的输出，可以有效承担电动汽车中蓄电池的部分负荷，从而提高续航能力，这对电动汽车发展具有重要的现实意义。

一.风力发电技术概述

1.风力发电系统总体结构及工作原理

风力发电是将风能转化为电能的技术。从能量转换的角度看，风力发电机组由两大部分组成：其一是风力机，它的功能是将风能转换为机械能；其二是发电机，它的功能是将机械能转换为电能[2]。

常规的小型风力发电机组多由感应发电机或永磁同步发电机加AC/DC变换器、蓄电池、逆变器组成[3]。风轮的转动驱动了发电机轴的旋转，带动永磁三相发电机发出三相交流电。风速的不断变化、忽大忽小，发电机发出的电流和电压也随着变化。发出的电经过控制器的整流，由交流电变成了具有一定电压的直流电，并向蓄电池进行充电。从蓄电池组输出的直流电，供给负载。

2. 风力发电机的电力变换装置

由于风能的随机性，发电机所发出电能的频率和电压都是不稳定的，以及蓄电池只能存储直流电能，无法为交流负载直接供电。因此，为了给负载提供稳定、高质量的电能和满足交流负载用电，需要在发电机和负载之间加入电力变换装置，这种电力变换装置主要由整流器、逆变器、蓄电池等组成[4][5]。

2.1 整流器

整流器的主要功能是对风力发电机输出的三相交流电进行整流，整流后的直流电经过控制器再对蓄电池进行充电。一般采用的都是三相桥式整流电路。在风电支路中整流器的另外一个重要的功能是，在外界风速过小或者基本没风的情况下，风力发电机的输出功率也较小，由于三相整流桥的二极管导通方向只能是由风力发电机的输出端到蓄电池，所以防止了蓄电池对风力发电机的反向供电。

根据风力发电系统的容量不同，整流器分为可控与不可控两种。可控整流器主要应用在功率较大的系统中，可以减小电感过大带来的体积大、损耗大等缺点；不可控整流器主要应用于小功率系统中。

2.2 逆变器

逆变器是在电力变换过程中经常使用到的一种电力电子装置，它的主要作用就是将蓄电池存储的或由整流桥输出的直流电转变为负载所能使用的交流电。目前独立运行小型风电系统的逆变器多数为电压型单相桥式逆变器。在风力发电中所使用的逆变器要求具有较高的效率，特别是轻载时的效率要高，这是因为风电发电系统经常运行在轻载状态。另外，由于输入的蓄电池电压随充、放电状态改变而变动较大，这就要求逆变器能在较大的直流电压变化范围内正常工作，而且要保证输出电压的稳定[6]。

逆变器按输人方式分为两种：

（1）直流输入型：逆变器输入端直接与电瓶连接的产品；

（2）交流输入型：逆变器输入端与风力发电机组的发电机交流输出端连接的产品，即控制、逆变一体化的产品。

逆变器的保护功能有：

（1）过充保护：当风速持续较高，蓄电池充电很足，蓄电池组电压超过额定电压1.25倍时，控制器停止向蓄电池充电，多余的电流流向卸荷器。

（2）过放保护：当风速长期较低，蓄电池充电不足，蓄电池组电压低于额定电压0.85倍时，逆变器停止工作，不再向外供电。当风速再增高，蓄电池组电压恢复到额定电压的1.1倍时，逆变器自动恢复工作、向外供电。

2.3蓄电池

在独立运行的小型风力发电系统中，广泛采用蓄电池作为蓄能装置。蓄电池的作用是当风力较强或负荷减小时，可以将来自风力发电机发出的电能中的一部分储存在蓄电池中，也就是向蓄电池充电。当风力较弱、无风或用电负荷增大时，储存在蓄电池中的电能向负荷供电，以补足风力发电机所发电能的不足，达到维持向负荷持续稳定供电的作用。

3.风力发电的分类

按照風力发电机风轮轴的位置分，可分为水平轴风力发电机和垂直轴风力发电机。

（1）水平轴风力发电机：水平轴风力发电机的风轮围绕一个水平轴旋转，风轮轴与风向平行，与旋转轴垂直，并与风轮的旋转平面成一角度（称为安装角）。风轮叶片数目为1～10片（大多为3片、5片、6片），它在高速运行时有较高的风能利用率，但启动时需要较高的风速。

（2）垂直轴风力发电机：垂直轴风力发电机的风轮围绕一个垂直轴旋转，风轮轴与风向垂直。其优点是可以接受来自任何方向的风，因而当风向改变时，无需对风。

二.车载风力发电风能利用依据

.风能利用计算公式：

大型水平轴风力发电机的风能利用率，绝大部分是由叶片设计方计算所得，一般在40%以上。这样计算所得的风能利用率的准确性很值得怀疑。对于小型水平轴风力发电机的风能利用率，中国空气动力研究与发展中心曾做过相关的风洞实验，实测的利用率在23%～29%；如果设定风电装置参数如表1，依据理论计算，汽车正常行驶在60km/h的状态下，其风轮最大能够达800r/min，如果选用600W的永磁直流发电机，其额定电压为12V；此部分电作为辅助装置电源足够使用，即降低了主电源的负荷，又达到了增强车辆续航能力的目的。[7]

但实现车载风力发电的装置有多种可选结构，如风轮前置于车头、放置于车顶或放在车尾，左右后侧翼等，而风轮的形状也有多种选择：轴流式、离心式、滚轮式等，甚至可安装多个风电装置，从而可更合理的利用风力发电技术，为电动汽车续航增程变得更有可靠性。

三、结论

新能源电动汽车的发展是一项非常复杂及漫长的系统工程，目前正处在快速发展阶段，许多国家更是根据自己发展的特点，通过在相关领域的研究与探索，形成了符合自己本国的发展趋势和思路，也反映出对将来新能源电动汽车发展模式的不同思考。本文以风力发电为对象，从风力发电原理、主要设定参数、进行了分析，从而浅谈风力发电在新能源电动汽车上的运用，以此减少电动汽车的能耗和增加电动汽车的续航里程。

参考文献：

[1]中汽协发布数据

[2]邓可蕴.户用小型风力发电机使用与维护[M].北京：农业出版社，2006.

[3]刘万琨.风能与风力发电技术[M].北京：化学工业出版社，2007.

[4]倪受元.风力发电讲座第一讲～第五讲[J].太阳能，2000（2～4），2001（l～3）.

[5]Tony Burton， David Sharpe， NICk Jenkins. Wind Enegry HnadBook[M]，2001.

[6]张兴，陈玲，杨淑英.离网型小型风力发电系统逆变器的控制[J].电力系统自动化.2008（23）：95-99.

[7]王然，电动汽车风力发电装置的设计[J].汽车维修2013.11