CN102132037B - 安装在汽车上的风力发电机组 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及运输技术领域，尤其涉及驱动汽车和卡车的机械结构，其在机车车辆(电测的、机车、车厢、客货车等)、地铁、有轨电车、无轨电车、水传播运输、航空运输以及区域性的发电站中可以作为公交、摩托车、电动车中的一个驱动结构。本发明的改进点在于进气气流产生电能，然后电能驱动车辆的车轮，于是在车辆的运动中产生一个结合了空气动力学的发电机组(CAPP)。该发电机组CAPP的空气单位产生的能量质量不低于所需能量的50％，足够驱动车轮进行均匀地直线运动。动力发电机组CAPP的结构与现代标准的车轮能平滑地组合，电动车和设有混合动力发电机组的发电机组中的发电机组明显能提高其技术和环境性能。

Description

安装在汽车上的风力发电机组
技术领域
本发明涉及交通技术领域，尤其涉及驱动汽车和卡车的发电机组，其可以在机车车辆(电测的、机车、车厢、客货车等)、地铁、有轨电车、无轨电车、水传播运输、航空运输以及区域性的发电站中可以作为公交、摩托车、电动车中的一个驱动结构。
技术背景
根据世界卫生组织(WHO)的数据，汽车是对环境污染的主要来源之一。它消耗超过90％所生产的石油产品。有人尝试采用不同的方法来减少汽车的燃油消耗量。其中一种方法主要是在汽车上的发电装置通过空气的流动动能来产生电能。通过这种方式获得的电能，可以用于存储在附加的充电器内(蓄电池，蓄电池组等)和/或的用于汽车的运行。
所知道的汽车发电装置的结构是使前端空气流动来产生电能，美国专利7147069B2，时间2006年12月12日中提出这种结构。
所给出的发电装置的空气动力学部分，被安装在汽车的前端和沿其两侧，是以迎面而来的空气进行发电机通风管的动能转化成电能来消耗。它是通过里面放置有风轮的，相对于汽车纵轴方向即垂直于它的运动的横向和纵向两个方向的轴旋转的空气单元的形式来实现。每个风轮是叶片转子的形式存在，但这些叶片已经不是平坦的，但它们是凸面和凹面的。当汽车运动时迎面来的空气驱动叶片并使它们旋转，即生成所说的电能。叶片的形状是通过这样一种方式选择的，通过有利于迎面而来的空气流动驱动叶片运行的空气阻力所生产电能尽可能最大化(凹面)，以及反向驱动叶片运行的空气阻力尽可能最小化，也就是说，它比平面的空气阻力更小(凸面)。
其意思是说通过改良所述结构的空气动力特性和应用具有电能值更高性能的风轮叶片，通过迎面而来的空气流动，可增加大约一倍半或两部于无空气动力学部分的规模，这是通过实验和工程研究证实了的。因此，汽车的运行速度在50至70公里/小时(转动摩擦阻力系数K等于0.05)时，生成的电功率值大约在2至2.5KW每1平方米空气单元入口部分的面积。
已知的发电装置的产生能力是8至10％的功率(Nel.)，1吨重量汽车的均匀直线运行所必要的功率(Nreq.)，即
1Nel.＝0，INreg。
电能的进一步扩大，通过迎面而来的空气流动来发电，没有对空气单元进口截面尺寸的扩大，将会提高发电装置效率系数，车辆的空气动力开发成效以提供一个碳氢化合物和其他燃料消耗量的减少。
风轮叶片的高性能的改善和改进，可依照所给出的结构来实现，即轴的旋转方向垂直于车辆运动的方向，但是不能排除迎面而来的空气流动对风轮叶片的反向影响，因此，基本上不能增加发电量。
排除空气流动的反向运动使风轮叶片低效运动是合理的，它可以通过对风轮的旋转轴的变化手段来实现。所给出的技术解决方案从时间1986年3月26日美国专利号3374849中了解，其原型已实现。
所给出的发电装置的空气动力学部分，被安装在汽车的里面，是以迎面而来的空气进行发电机通风管的动能转化成电能来消耗。它是通过里面放置有四个风轮，沿着汽车的纵向方向即平行于汽车运动方面的轴旋转的空气单元的形式来实现。每个风轮以气动叶片形式牢牢地固定在轴上，即连接到发电机轴上。当汽车运行时迎面而来的空气流动穿过风轮的叶片，在其表面产生空气动力直接使其向一侧旋转，即产生所说的电能。所给出的结构允许排除风轮叶片的低效率的运动。
当车辆运动速度小时(直到15至20公里/小时)和第一个风轮开始流向旋转时在其背后存在无用的下降气速，它对风轮的周围气流有微弱的影响。风轮之间的距离相当于一个或更确切的说比半径多时，当它沿着足够长度的空气动力单元空气混合气体通道运行时，它有助于使空气流动处于平缓水平。当增大车辆运行的速度时(超过20公里/小时)，空气流动在第一个风轮后面得到一个稳定的下降气流(见《Теория и расчет авиационных лопаточных машин》332页)，在第二个风轮周围和接下来的风轮都具有下降的气流，并显著的降低叶片的起动性能，于是在这方面对它们不利，流风轮和第二轮周围发生与下列向下洗，并显着降低叶片的起重性能，使他们不利于提高空气动力来定向的使风轮旋转。由于所有的风轮都是紧紧的固定在轴上，即使第一风轮运转令人满意的效果，而且有更多合适的环流绕流模式可显著减小由于第二个风轮和其后面接下来风轮的空气动力叶片的起动性能降低的影响，但是风轮间巨大的距离扩大了发电装置空气单元的液压损耗值。所有的缺点使具有纵向风轮的发电装置的主要优点化为零，而且使得结果就是通过迎面而来的空气流动动量转化为电能的效率是处于非常低的水平。
为了提高电能，有必要对所述结构的发电装置进行改进，这将显著地降低其空气动力机构的空气混合气体通道和相应的液压损耗值。同时消除空气流动的下降气流带来的空气最佳偏航引起的所有风轮的空气动力叶片影响是必须的，为了增大他们起动能量。所给出的结构改进将扩大发电装置效率系数和增加车辆的利用效益。
发明内容
本发明的一方面包括对一种发电机组的改进，它与公知技术的不同点在于它是利用进气气流来形成动力学能量，然后产生相对高效的电能，它可以：
●降低烃和其它级别原料，以及不低于两倍能量的消耗；
●压缩排出气体和危险试剂的排放；
●减小对大气的能量影响。
为了解决上述问题，本发明提供了一种修改后的发电机组，其结构符合空气动力学原理，该发电机组可以降低液压损耗，为风轮的空气动力学叶桨提供了最佳的绕纵轴的进气环流绕流。本发明对结构进行的修改可以使所产生的电能值增加数倍，同时却不用扩大发电机组中空气动力学部件入口的面积。
为此在所设计的发电机组的空气气体通道中，风轮之间的间距明显减小，这是通过使其轴向和径向间隔间的缝隙最小化来实现的。为了消除风轮前后附近处气流的下洗，本发明还安装了引导(导直)空气动力学叶片。
因此，本发明公开的发电机组包括一个与车辆推进装置相连的发动机和一个空气动力学结构，该结构包括至少一个设有叶桨的风轮，它是由进气气流产生的能量来驱动的，然后利用与之相连的发电机来产生电能，并将电能传递给车辆推进装置，所述的风轮附近安装了若干个利用进气气流为风轮形成一个最佳角度环流绕流的引导叶片和若干个在叶桨后面的导直叶片，于是一个风轮的导直叶片使其它风轮的引导叶片紧随其后。
使进气气流的角度最优化地与风轮叶桨相匹配，是为了获得最大化的空气动力学升力，使进气气流接触风轮叶桨时所产生的电能增加。
所述的车辆发电机组优选是由导直叶片驱动的，这些叶片是绕其纵轴转动的。
所述的引导叶片设有角度，使进气气流适于转动风轮，从而获得最大化的空气动力学升力，使进气气流接触风轮叶桨时所产生的电能增加。进气气流碰撞本发明的发电机组的一个空气单元和固定安装的引导叶片时，会产生一个必需的角度，从而与风轮的动力学叶桨形成一个最佳的匹配。在风轮叶桨的环流绕流之上，会形成一个气压差，如根据公知的空气动力学升力原理，使风轮的转面定向，使其转动(见《Aвиационные двигатели》B.A.Mосква.1964г.[2]第127页)。如上文所述，本发明包括两个或两个以上的风轮，第二风轮上固定安装的引导叶片同时也是第一风轮的导直叶片，其中气流会产生一个必要的方向和一个优选的与第二风轮中空气动力学叶桨相匹配的角度，使其空气动力学升力定向在风轮转动的侧面等等。所述发电机组(组合的空气动力学发电机组-CPAA)中空气单元的其中一个风轮，其轴上牢牢地固定了一个发电机，其根据公知的方向通过转动来发电。所产生的能量是分布在前端的电动机和介入车辆运动的后车轮之间。
于是在这种车辆发电单元中，引导叶片和风轮叶桨的剖面上均设有一个凸面，凸起气体动力的弧形风板。
这种设置可以在发电机轴上将动能转化为力矩，使得风轮可以获利最大化的升力来实现弯曲。
在所述的车辆发电单元中，优选由一个符合气体动学和几形学的弯曲来驱动的。
所述的一个符合气体动学和几形学的弯曲使沿线的所有风轮叶桨的间距能产生最大可能的空气动力学升力，从而使发电机的轴向扭矩最大化。
于是在这种车辆发电单元中，所述的进气气流是通过受控剖面上一个空气入口进入空气动力学结构的。
它使风轮以优选的模式运行，从而在车辆以各种速度运行时，都能产生最大化的电能。
所述车辆发电单元中空气动力学结构的受控剖面可以将其大小降低为0。
所述空气动力学结构的受控剖面在发电机中发电单元的产能没有经济效益时，可以使发电单元能进行优选的运行，此时其发动机的速度很小(0-20km/h)或超过100km/h。
此外，所述车辆发电单元中空气动力学结构的受控剖面可以将其废阻力降低为0。
将空气入口处受控剖面的废阻力降低为0可以在发电机中发电单元的产能没有经济效益时，使车辆发电单元运动的速度最大化。
如上所述，在这种车辆发电机组中，优选将所述的风轮是设置在相互邻近的位置处，它们之间的轴向和径向间距均为一个最小化的缝隙。
这能降低车辆运动时进气气流运动过程中空气气体通道和液压损耗。
优选在车辆发电单元中发电机至少与一个蓄电池相连，而蓄电池与所述的车辆推进装置相连。
这种设置使得发电单元无论在何种车辆运行速度下都能保持稳定高效的运行，因为所产生的多余电能将会储存在电池中，在需要时再提供给推进设备来完成驱动。
当汽车向下运动时，能量的损耗大幅下降时，进气气流的动能在空气单元中转化为一种电能，然后储存在一个蓄电池中，当剧烈的能源消耗降低，动能传入的空气流动，空气中成电能单位交谈，存储在蓄电池中，类似于带有氢化物发电机组的汽车恢复制动器(丰田普瑞斯，福特Escape，雷克萨斯RX 40Oh等)，增加其容量。当汽车向上运动时，能量的损耗增加，于是储存在电池中的电能就可以供给车轮的运行，使能量能作为一个整体来较好地保存。
如果不要求将进气气流的动能转化为电能，可以通过减小发电机组CAPP中空气动力学部分的入口截面面积，使其完全关闭，使需要进入到空气单元中的空气气流降低，从而使车辆空气动力学阻力降低或者除去。
附图说明
下面将结合附图，利用实施例来进一步详细说明本发明，其中：
图1是设有发电机组CAPP的汽车的侧视图；
图2是设有发电机组CAPP的汽车的俯视图；
图3是设有发电机组CAPP的汽车的主视图；
图4所示的是发电机组CAPP的主要轮廓和主要的结构元件；
图5是发电机组CAPP中空气单元的侧视图；
图6所示的是空气单元中风轮的主要轮廓和结构；
图7所示的是风轮中空气动力学叶桨的主要轮廓；
图8是汽车的俯视图，图中局部剖视了空气单元。
具体实施方式
汽车1中使用的发电机组CAPP包括一个空气动力学部分，该部分在本实施例中为空气单元2，它固定在汽车1前端的前车盖中。运行时进气气流通过受控百叶窗3进入到空气单元2中。汽车的前车盖中还设有一个前轮电动机4和一个内燃机5，它们通过一个混合传送器6与发生器7和空气单元2分别相连，它们的协调操作是由发电机组CAPP控制单元8来控制的。在汽车1中间的下部安装了一个高伏电池9，它与邻近车轮的电动机10相连。敞开的百叶窗3后设有一个进气气流的入口，它固定地安装了引导叶片和空气单元2中风轮13的空气动力学叶桨12。气流通过出气孔14排出到空气单元2的外面，或者是通过在吸入区或内燃机5中用于空气燃料混合的入口上喷出的方式排出。空气单元2中风轮13的数量和大小是根据发电机组结构的常规大小与汽车技术性能比来确定的。在汽车1的结构中设有发电机组，包括五个风轮的空气单元2，它可以在空气单元2中位于轴16上第一和第五风轮13之间的内侧设置一个发电机15。空气单元2中每个风轮13的结构都是彼此相同的，只是几何参数不同。
所述的汽车发电机组CAPP是按下述方式运行的。
当电池9完全放电时，内燃机5开始以公知的方式让汽车1发动(内燃机可以是气动，柴油机，气体发动机，它可以是利用生物燃料来运行的)。
当速度上升时(从35-40Km/h)，进气气流通过敞开的百叶窗3穿过引导叶片11，其中它获得一个进入的确定角度，并以该角度穿过风轮13的空气动力学叶桨12。当空气动力学叶桨12上形成空气动力学升力，被引导到风轮13的转动面后，进气气流的动能在风轮13的轴上被转化为一种转动机械能，其中风轮13的轴与发电机的轴16相连。同样地，气流通过其它风轮的引导叶片穿过并牢牢地碰撞在轴16上驱动轴16。在这个连接中，进气气流的动能穿过空气单元2的每个风轮，在轴16上转化为转动机械能，然后通过公知的方式变成电能。
当汽车1匀速直线运动时，发动机5通过混合传送器6将能量传送到车轮和发生器7之间，然后驱动前轮电动机4和附近的车轮10。如果需要用发生器7给电池9充电，一方面会使它的能量过量，而另一方面由进气气流的动能运行的空气单元2从发电机15中输出一种电能给电池9，然后传给电动机4和10。
发电机组CAPP的控制单元8可以达到与汽车雷克萨斯RX 40Oh中混合发电机组的控制单元相似的最大化的能量分布。
发电机组CAPP将进气气流的动能高效地转化为用于驱动汽车的电能，从而可以用各种供能总数的方式从根本上减少所需的产能，但是即：
-利用内燃机(它们可以是气动，柴油机，气体发动机，也可以是利用生物燃料来运行的等等)
-利用直流电电动机，交流电电动机，混合电动机等
-利用燃料电动机，电化学发生器等
-利用各种组合中的氢气发动机
-利用原子能发动机等。
通过各种供能总数方式的能量发生器的特定限制可以利用进气气流形式的可再生能源来高效地产生电能，较之公知的发电机组，它能显著地提高发电机组CAPP的效率，减小汽车对各种燃料的需要。
一个计算和实验部分进一步充分说明发电机组CAPP较之公知的类似发电机组及系统的能量平衡和有效性。随后，根据设有类似纵向引导风桨轮(见494，[2])的涡轮型轴向叶桨的实验室自然测试结果可知，在发电机组CAPP3的改进过程中，当气流为50-70Km/h(14-20m/s)时产生的电能值有一个重要的14-16kw/1M2的风轮区。
为了检测一个实施中的能量平衡，以便我们可以分析均匀性，重1吨，速度为58km/h的汽车进行直线运行，其转动摩擦的阻力系统k为0.05。根据主要的物理定理(见《
Figure BPA00001251742300081
учебник физикн》，т.1Ландсберг Γ.C.，Москва，1967г.[4]第206页)，运行所需的供能为：
Nreq.＝Fgen.V，
其中：Fgen.是一个运行阻力常数
V是一个运行速度。
Fgen.Ffr.+Xaer.，
其中：Ffr.＝mk＝490(N)是转动摩擦的阻力，
Xaer.是运行的一个空气动力学阻力(见“Основы азродинамики”，Кокунина Л.X.，Москва：Транспорт，1982.[5]第49页)。
Xaer.＝Xaut.+Xpp.
其中：Xaer.是未安装发电机组CAPP的汽车的空气动力学阻力：
Xaut.＝Cx aut. Saut.(ρV2/2)＝94(N)，
其中：Cx aut.＝0，3是汽车的寄生阻力系数(它类似于大型飞机机身)，
      Saut.＝2M2是汽车截面的面积(一个最大中截面)，
      ρ＝1,225KΓ/M2是空气密度。
Xpp.是发电机组CAPP中空气动力学部分(空气单元)的空气动力学阻力：
Xpp.＝Cxpp.Sa.u.(ρV2/2)＝91(N)，
其中：Cxpp.＝1，16是发电机组CAPP中空气动力学部分(空气单元)的寄生阻力系数(它与一块位于气流交点的平板相似)，
Sa.u.＝0,5M2是空气单元横截面的面积(百叶窗横截面的面积)，
ρ＝1,225KΓ/M3是空气密度。
与装有发电机组CAPP的汽车进行均匀直线运行时所需供能相比，为：
Nreq.＝Fgen.V＝(Ffr.+Xaut.+Xpp.)V＝
＝(490+94+91)16＝10800(W)＝11KW.
因此，汽车1进行均匀直线运行时所需的值为Nreq.＝11kW，发电机组CAPP的空气单元中设有一个截面积0.5m2的入口，CAPP可以产生7KW，并且它能产生均匀直线运行所需供能的65％左右，例如：
Nel.＝0.65Nreq.
将发电机组CAPP应用到铁路的交通方式中(机车，电动火车等)，它能有效地达到一个明显更高的量：
Nel.＝0.95Nreq.
即显著地减小了转动摩擦系数(五倍到十倍)，存在很长的直线性水平的铁轨。
在所有利用电能的铁路运输的电力总量充足供给中，发电机组CAPP从进气气流中额外产生的电能可以在铁路交通制动中通过接触电极传送到主要的电线，类似与利用公知的方式产生具恢复力的电能。这样通过接触电极它可以将发电机组产生的电能传送到城市电力交通中其利用的电线(有轨电车，无轨电车，地铁等)。
将本发明的发电机组CAPP结合公知的供电组应用可以通过将进气气流的动能转化为电能，这些电能用于供给交通运输，使交通运输中各种燃料和能量的消耗量降低。例如，该电厂宣布联合开发的CAPP与已知的力量聚集允许收缩显着的燃料和交通能源消耗的各种对传入的气流的动能转化的有效手段帮助到电能为交通运输提供手段。例如，发电机组CAPP结合汽油，柴油，另一个发动机，使用碳氢化合物原料或其它生物燃料一起使用，可以降低至少两倍的消耗量。
将发电机组CAPP与混合动力机组结合使用，类似于丰田普瑞斯，福特Escape，雷克萨斯RX 40Oh等，这些汽车的燃料消耗量已经比其普通模式降低三至四倍，但是没有它们在应用时没有能降低到1.5-2倍。
发电机组CAPP在电动机中结合各种电车进行应用，可以使电动机沿直线以平均交通速度(50-70km/h)运行时，其运行半径至少增加3-4倍。
当发电机组CAPP应用在铁路交通和城市电力交通(长途电气火车，大城市电气火车等)时，是将进气气流的动能转化为电能，它可以产生明显的放电，重新分配给其它电线的用户。
工业应用
使用本发明的发电机组CAPP可以获利新型汽车，其有利于生态，且可以改变现有交通系统的规则。汽车每运输一吨货物1千米，能使成本降低2倍左右，如果是铁路可以降低3-4倍，而且它能减少运输成本和交通产品的关税。本发明的发电机组为交通工具产生电能时是使用可再生能源(进气气流)，大大减小了燃料对碳氢化合物的所有依赖。
但是，本发明的发电机组在交通工具中的实例中所具有的优点都是基于生态考虑的，它减少了一氧化碳，二氧化碳和有害排放量，并减少了热量对大气的影响，它更有利于减小温室效应，从整体上改善生态。

Claims (6)

1.一种车辆发电机组，其包括一个与车辆推进装置相连的发动机和一个空气动力学结构，该结构包括至少一个设有叶桨的风轮，它是由进气气流产生的能量来驱动的，然后利用与之相连的发电机来产生电能，并将电能传递给车辆推进装置，其特征在于，所述的进气气流是通过受控剖面上一个空气入口进入空气动力学结构的，所述空气动力学结构的受控剖面可以将其大小降低为0，所述的风轮附近安装了若干个利用进气气流为风轮形成一个最佳角度环流绕流的引导叶片和若干个在叶桨后面的导直叶片，于是一个风轮的导直叶片使其它风轮的引导叶片紧随其后。
2.如权利要求1所述的车辆发电机组，其特征在于引导叶片是绕其纵轴转动的。
3.如权利要求1所述的车辆发电机组，其特征在于所述的引导叶片和风轮叶桨的剖面上均设有空气动力学的剖面。
4.如权利要求1所述的车辆发电机组，其特征在于所述空气动力学结构的受控剖面可以将其废阻力降低为0。
5.如权利要求1所述的车辆发电机组，其特征在于所述的风轮是设置在相互邻近的位置处，它们之间的轴向和径向间距均为一个最小化的缝隙。
6.如权利要求1所述的车辆发电机组，其特征在于所述的发电机至少与一个蓄电池相连，而蓄电池与所述的车辆推进装置相连。
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