CN105351150B - 一种汽车集风发电装置及其控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种汽车集风发电装置，集风系统，其包括集风帘布及集风筒，所述集风帘布与所述集风筒可拆卸的连接，所述集风筒内安装具有调节进风面积的调节风道挡板；活动套圈，其与所述集风帘布一端连接，所述活动套圈上有连杆，其通过连线与制动踏板连接，所述连杆能够带动所述活动套圈轴向运动；风扇，其安装在所述集风筒后端，所述风扇与所述汽车发电机连为一体；控制器，其与所述调节风道挡板及制动踏板相连，通过测定所述风扇叶片的切入风速以及车速进行调节进风面积。本发明还公开了一种汽车集风发电控制方法。本发明具有新颖高效、结构简单、可改变集气量、风能转化效率稳定高效等特点。

Description

一种汽车集风发电装置及其控制方法

技术领域

本发明涉及汽车技术领域的一种节能发电装置，具体涉及一种汽车集风发电装置及其控制方法。

背景技术

汽车节能减排对于环境保护具有重要意义，现有的用于汽车节能的发电技术有太阳能电池、汽车尾气热电发电、风能发电等。

风力发电是把风的动能转为电能，风能作为一种清洁的可再生能源，越来越受到世界各国的重视，其蕴量巨大，全球的风能约为2.74×109MW，其中可利用的风能为2×107MW，比地球上可开发利用的水能总量还要大10倍。

如果能在汽车中安装汽车集风装置，利用自然界的风能发电，具有以下优势：汽车在静止时，即可对自然界的风能加以利用；汽车在正常行驶时，汽车与空气相互对流，汽车只要保持正常行驶状态，就会产生更大的风能能够利用；这种风能源不需要运输和储存，也不需要像自然风能发电厂那样建设与风能发电配套一系列设施；对于汽车用户而言，这种风能源具有“零成本”使用的特点，能为用户节约资金，同时，无论汽车静止行驶与否，自然界的中的风能是取之不尽用之不竭的，通过源源不断的将风能转化为平稳的电能，并且使这种转化功率平稳输出也是现在可研究的方向之一。

发明内容

本发明设计开发了一种汽车集风发电装置，目的是解决现有技术中，汽车不能对风能加以利用的问题，本发明还设计开发了一种汽车集风发电控制方法，目的是解决对风能的风能转化效率不能维持稳定的问题。本发明具有新颖高效、结构简单、可改变集气量、风能转化效率稳定高效等特点。

本发明提供的技术方案为：

一种汽车集风发电装置，包括：

集风系统，其包括集风帘布及集风筒，所述集风帘布与所述集风筒可拆卸的连接，所述集风筒内安装具有调节进风面积的调节风道挡板；

活动套圈，其与所述集风帘布一端连接，所述活动套圈上有连杆，其通过连线与制动踏板连接，所述连杆能够带动所述活动套圈轴向运动；

风扇，其安装在所述集风筒后端，所述风扇与所述汽车发电机连为一体；

控制器，其能够控制所述调节风道挡板，根据接收风速、车速以及通过风能转化效率进行调节所述集风筒的实际进风面积。

优选的是，还包括：集风筒固定支架，其可拆卸的安装在所述汽车的散热器两侧。

优选的是，所述集风系统还包括：集风帘布支架，其与所述集风帘布固定连接。

优选的是，所述集风系统还包括：定位垫圈，所述集风筒中部设置垫肩，垫肩后侧开有凹槽，其用于套上所述定位垫圈，使所述集风筒固定在所述集风筒固定支架上。

优选的是，所述活动套圈沿圆周均匀分布多个通孔，所述集风筒固定支架沿圆周均匀固定连接多个弹簧滑杆，所述弹簧滑杆分别一一对应通过所述通孔；以及

还包括拉伸弹簧，其安装在所述活动套圈及所述集风筒固定支架之间，套在所述弹簧滑杆上。

一种汽车集风发电控制方法，包括如下步骤：

步骤一：控制器接收传感器检测的车速V_t及风速V_W，当V_t＞40时，控制器开始调节风道挡板对集风筒的实际进风面积；

步骤二：计算较优进风面积：

其中，f(V_t)＝-0.0001V_t ²+0.0204V_t+0.7324，η_M满足条件η₁＜η_M＜η₂，V_Ver＝V_W×|cosα|；

其中，ρ为空气密度，R_W为风扇叶片的长度，V_Ver为风扇叶片的切入风速，α为实际风向与集风筒长度方向的夹角，η_M为风能转化效率，V_t为车速，A为校正因子，S为集风筒内较优进风面积，P₀为发电功率，η₁,η₂为维持稳定风能转化效率区间的端点值，π为圆周率，B为常数。

优选的是，当控制器接收到V_Ver＞V_W′时，控制器控制风道挡板关闭集风筒的进风口，其中，V_Ver＝V_W×|cosα|，V_W为风速，V_Ver为风扇叶片的切入风速，α为实际风向与集风筒长度方向的夹角，V_W′为设定调节风道挡板关闭时的风速数值。

优选的是，所述步骤二中，V_t范围为40＜V_t＜120。

优选的是，所述步骤二中，当汽车进行减速制动时，f(V_t)＝-0.0001V_t ²+0.0163V_t+0.4684，η_M满足条件η₁′＜η_M＜η₂′，V_t为车速，η₁′,η₂′为维持稳定风能转化效率区间的端点值。

本发明所述的有益效果：

1、集风发电装置占用空间比较小，且具体尺寸可以根据汽车集气格栅大小调整，如轿车等小车型可用较小的集风发电装置，而客车或货车等大车型可用较大的集风发电装置，从而提升发电效率；

2、本发明的汽车集风发电装置具有新颖高效、结构简单、可改变集气量的特点。它安装在汽车散热器两侧，汽车正常行驶时，气流流速较快，经过集风筒，吹动风扇转动，进而带动发电机工作发电；汽车减速制动时，制动踏板通过连线拉动活动套圈轴向运动，拉开集风帘布的同时，集风帘布支架爪张开呈喇叭状，此时虽然气流流速变慢，但集风筒呈渐缩管形状，使气流加速吹动风扇转动，进而带动发电机工作发电，并保证了所述装置的发电效率；

3、本发明的汽车集风发电控制方法，通过调节集风筒内的调节风道挡板使集风筒的实际进风面积可控制，根据行驶车速及风扇的切入风速的不同能够使本汽车集风发电装置在一定范围内使风能转化效率稳定，并且在汽车制动减速时也能够维持风能转化效率的稳定性，从而实现能源转化最大化的同时保持了稳定性；同时，在风扇的切入风速过大时，能够通过调节风道挡板使集风筒内的进风口强制关闭，从而对风扇及本发明的汽车集风发电装置进行保护。

附图说明

图1是本发明所述的集风发电装置在汽车正常行驶时工作的主视图；

图2是本发明所述的集风发电装置在汽车正常行驶时工作的左视图；

图3是本发明所述的集风发电装置在汽车减速制动时工作的主视图；

图4是本发明所述的集风发电装置在汽车减速制动时工作的左视图；

图5是本发明所述的集风发电装置中集风帘布支架和集风筒螺旋连接，并在集风筒套上定位垫圈后，整体结构的局部剖视图；

图6是本发明所述的集风发电装置中风扇和发电机连接后的主视图；

图7是本发明所述的集风发电装置中风扇和发电机连接后的右视图；

图8是本发明所述的集风发电装置中集风帘布支架的主视图；

图9是本发明所述的集风发电装置中集风帘布支架的右视图；

图10是本发明所述的集风发电装置中集风筒的主视图；

图11是本发明所述的集风发电装置中集风筒的右视图；

图12是本发明所述的集风发电装置中活动套圈的主视图；

图13是本发明所述的集风发电装置中集风筒固定支架的主视图；

图14是本发明所述的集风筒内实际进风面积不可自动调节的风能转化效率与车速的关系曲线图；

图15是本发明所述的集风筒内实际进风面积可自动调节的风能转化效率与车速的关系曲线图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步的详细说明，以令本领域技术人员参照说明书文字能够据以实施。

如图1、图2、图3、图4、图6、图7及图13所示，本发明提供了一种汽车集风发电装置，其整体为圆柱状结构，包括集风系统、活动套圈110及风扇190；其中，集风系统包括集风帘布120及集风筒180，集风帘布120与集风筒180可拆卸的连接；活动套圈110与集风帘布120一端连接，活动套圈110上有连杆，用以带动活动套圈110的轴向运动，活动套圈110通过连线与制动踏板连接，驾驶员在踩下制动踏板时能带动活动套圈110运动，并且运动随制动踏板行程的增大而增大；风扇190安装布置在集风筒180后端，即出风口正后方，同样固定在车架上，风扇190与汽车发电机200通过花键连为一体，当气流吹动风扇转动时带动发电机200转动，进而发电；其中，本发明所提供的集风发电装置可拆卸的固定安装在汽车的散热器两侧的车架上，其目的是既不妨碍汽车发动机散热，又使汽车行驶时气流正常流进所述装置，风扇190及发电机200同样固定在散热器旁的车架上。

在另一种实施例中，汽车集风发电装置中还包括：集风筒固定支架160，集风发电装置通过集风筒固定支架160四周均匀分布的4个耳板可拆卸的固定安装在汽车的散热器两侧。

在另一种实施例中，如图5、图8、图9、图10及图11所示，集风系统中还包括：集风帘布支架130，其与集风帘布120通过类似雨伞的方式固定连接，集风帘布120另一端与活动套圈110连接，集风帘布支架130底部为内螺纹基座，与集风筒180之间通过螺纹连接，活动套圈110先套进集风帘布支架130，再将集风帘布支架130旋在集风筒180上。

在另一种实施例中，如图5、图8、图9、图10及图11所示，集风系统中还包括：定位垫圈170，其中，集风筒180前段有外螺纹，中部设置垫肩用以卡在集风筒固定支架160上，垫肩后侧开有凹槽，其用于套上定位垫圈170，使集风筒180完全固定在集风筒固定支架160上，而集风筒固定支架160通过耳板与汽车车身固连。

在另一种实施例中，活动套圈110沿圆周四周均匀分布多个通孔，集风筒固定支架160沿圆周四周均匀焊接多个弹簧滑杆140，弹簧滑杆140分别一一对应通过通孔；还包括拉伸弹簧150，其安装在活动套圈110及集风筒固定支架160之间，套在弹簧滑杆140上；其中，滑杆长度不能与集风帘布120张开时有干涉，用以定位拉伸弹簧150及活动套圈110与集风筒固定支架160之间的位置，以使活动套圈110与集风筒固定支架160之间只有轴向滑动，滑动行程从集风帘布支架130底部到弹簧滑杆140近边缘，利用拉伸弹簧150的弹簧弹力能够使活动套圈110与集风筒固定支架160能恢复到初始位置，进而调节集风帘布120开合状态；在本实施例中，活动套圈110四周均匀开4个通孔，集风筒固定支架160四周均匀焊连4个弹簧滑杆140。

在另一种实施例中，为了使集风帘布支架130的支架爪能被周向压缩以及恢复弧度形状，支架爪材料采用有弹性的金属薄片。

在另一种实施例中，集风帘布120采用锯齿状结构，可以压缩及拉伸，且压缩后不会占用太大圆截面面积而妨碍气流流入。

在另一种实施例中，如图12所示，活动套圈110为圆环状结构，上下两端对称设置连杆，用以连线能拉动其做轴向运动，四周均匀开4个通孔用以通过弹簧滑杆140。

本发明所述的汽车集风发电装置的工作方式有两种：

第一种，汽车正常行驶时：

如图1、图2所示，汽车正常行驶时，活动套圈110在拉伸弹簧150的作用下与集风筒固定支架160处于初始位置，即此时集风帘布120处于未张开状态，此时集风面积为集风筒180圆截面，气流经过集风筒180，吹动后方风扇190转动，进而带动发电机200工作发电。

第二种，汽车减速制动时：

如图3、图4所示，汽车减速制动时，驾驶员踩下制动踏板，通过连线拉动活动套圈110的连杆克服拉伸弹簧150的弹力向集风筒固定支架160方向运动，同时拉开集风帘布120，此时集风帘布支架130的支架爪张开，进一步撑起集风帘布120，此时集风圆截面直径较初始状态扩大，集风面积成平方扩大，并且整个集风筒呈渐缩管形状，使气流加速吹动后方风扇190转动，进而带动发电机200工作发电，保证了发电效率。

即汽车正常行驶时，集风气流流量小，但相对速度快；汽车减速制动时，集风气体相对速度慢，但气流流量大并被加速；通过此方式，可以保证本发明的集风发电装置的发电效率。

本发明还提供了一种汽车集风装置的控制方法，在集风筒180内部安装具有调节进风面积的圆形调节风道挡板，其能够绕轴旋转，旋转轴过圆形风道挡板几何中心，圆形风道挡板能够完全关闭集风筒的进风口，控制器能够通过步进电机控制圆形调节风道挡板角度，并且汽车集风装置中还具有能够检测车速V_t以及风速V_W的传感器与控制器电联接，包括如下步骤：

步骤一：控制器接收传感器检测的车速V_t及风速V_W，当控制器接收到V_t＞40时，控制器开始调节风道挡板对集风筒的实际进风面积进行调节；

步骤二：通过实验进行经验总结得到汽车集风发电装置在车速V_t的范围为40＜V_t＜120时的风能转化效率η_M经验公式为进而得出集风筒180的较优进风面积S，其中，f(V_t)＝-0.0001V_t ²+0.0204V_t+0.7324，η_M满足条件η₁＜η_M＜η₂，V_Ver＝V_W×|cosα|；由于风能转化效率η_M与车速V_t和风速V_W之间非简单的线性关系，随着行驶车速V_t和风速V_W的增加，风能转化效率η_M不是一直稳定增加的状态，当控制器监测到行驶车速V_t＞40时，控制器启动对集风筒内的调节风道挡板的调节控制，对进风口的实际进风面积进行调节，使η_M能够满足条件η₁＜η_M＜η₂，从而得出较优进风面积S，进而使风能转化效率能够保持稳定在一定的范围区间内，η₁,η₂为维持稳定风能转化效率区间的端点值，η_M为风能转化效率；其中，ρ为空气密度，单位为kg/m³，R_W为风扇叶片的长度，单位为m，V_W为风速，单位为m/s，V_Ver为风扇叶片的切入风速，单位为m/s，α为实际风向与集风筒长度方向的夹角，V_t为车速，单位为km/h，P₀为发电功率，单位为k_w，A为校正因子，单位为(s·m)^-1，S为集风筒内较优进风面积，单位为m²，π为圆周率，B为常数；在本实施例中，A＝3.8327，η₁＝0.35，η₂＝0.49，并且在本实施例中，假定集风筒长度方向的风速即为风扇叶片的切入风速，B∈(16.9,17.5)。

在另一种实施例中，当控制器接收到V_Ver＞V_W′时，控制器控制调节风道挡板关闭集风筒的进风口，V_Ver＝V_W×|cosα|，从而对风扇190及本发明的汽车集风发电装置进行有效的保护；其中，V_W为风速，单位为m/s，V_Ver为风扇叶片的切入风速，单位为m/s，α为实际风向与集风筒长度方向的夹角，V_W′为设定调节风道挡板关闭集风筒进风口时的风速数值，m/s；在本实施例中，V_W′＝13.8。

在另一种实施例中，在步骤二中，控制器与制动踏板相连，当驾驶员踩下制动踏板，汽车进行减速制动时，通过实验进行经验总结得到f(V_t)＝-0.0001V_t ²+0.0163V_t+0.4684，当控制器监测到驾驶员踩下制动踏板，控制器启动对集风筒内的调节风道挡板对集风筒的实际进风面积进行调节，使η_M满足条件η₁′＜η_M＜η₂′，η₁′,η₂′为维持稳定风能转化效率区间的端点值；在本实施例中，η₁′＝0.29，η₂′＝0.46。

对比例

如图14所示为集风筒内实际进风面积不可自动调节的风能转化效率与车速的关系曲线图，如图15所示为集风筒内实际进风面积可自动调节的风能转化效率与车速的关系曲线图；在本对比例中，图14为S＝0.0389，P₀＝14.6时风能转化效率与车速的关系曲线图，当对集风筒180的实际进风面积不能够进行调节时，风能转化效率不能够维持在一个较高功率的稳定的范围内，但通过图15的对比能够清晰的看出，当车速稳定在一个范围内时，通过使用控制器控制调节风道挡板，对集风筒内实际进风面积进行调节，在设定控制风能转化效率的调节区间的条件下，使风能转化效率η_M能够稳定在一定范围区间内，在本实施例中，η_M的稳定区间为0.38≤η_M≤0.44。

尽管本发明的实施方案已公开如上，但其并不仅仅限于说明书和实施方式中所列运用，它完全可以被适用于各种适合本发明的领域，对于熟悉本领域的人员而言，可容易地实现另外的修改，因此在不背离权利要求及等同范围所限定的一般概念下，本发明并不限于特定的细节和这里示出与描述的图例。

Claims (9)

1.一种汽车集风发电装置，其特征在于，包括：

集风系统，其包括集风帘布及集风筒，所述集风帘布与所述集风筒可拆卸的连接，所述集风筒内安装具有调节进风面积的调节风道挡板；

活动套圈，其与所述集风帘布一端连接，所述活动套圈上有连杆，其通过连线与制动踏板连接，所述连杆能够带动所述活动套圈轴向运动；

风扇，其安装在所述集风筒后端，所述风扇与所述汽车发电机连为一体；

控制器，其能够控制所述调节风道挡板，根据接收风速、车速以及通过风能转化效率进行调节所述集风筒的实际进风面积。

2.如权利要求1所述的汽车集风发电装置，其特征在于，还包括：集风筒固定支架，其可拆卸的安装在所述汽车的散热器两侧。

3.如权利要求1或2所述的汽车集风发电装置，其特征在于，所述集风系统还包括：集风帘布支架，其与所述集风帘布固定连接。

4.如权利要求3所述的汽车集风发电装置，其特征在于，所述集风系统还包括：定位垫圈，所述集风筒中部设置垫肩，垫肩后侧开有凹槽，其用于套上所述定位垫圈，使所述集风筒固定在所述集风筒固定支架上。

5.如权利要求4所述的汽车集风发电装置，其特征在于，所述活动套圈沿圆周均匀分布多个通孔，所述集风筒固定支架沿圆周均匀固定连接多个弹簧滑杆，所述弹簧滑杆分别一一对应通过所述通孔；以及

还包括拉伸弹簧，其安装在所述活动套圈及所述集风筒固定支架之间，套在所述弹簧滑杆上。

6.一种汽车集风发电控制方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤一：控制器接收传感器检测的车速V_t及风速V_W，当V_t＞40时，控制器开始调节风道挡板对集风筒的实际进风面积；

步骤二：计算较优进风面积：

其中，

f(V_t)＝-0.0001V_t ²+0.0204V_t+0.7324，η_M满足条件η₁＜η_M＜η₂，

V_Ver＝V_W×|cosα|；

其中，ρ为空气密度，R_W为风扇叶片的长度，V_Ver为风扇叶片的切入风速，α为实际风向与集风筒长度方向的夹角，η_M为风能转化效率，V_t为车速，A为校正因子，S为集风筒内较优进风面积，P₀为发电功率，η₁,η₂为维持稳定风能转化效率区间的端点值，π为圆周率，B为常数；车速V_t的单位为km/h。

7.如权利要求6所述的汽车集风发电控制方法，其特征在于，当控制器接收到V_Ver＞V_W′时，控制器控制风道挡板关闭集风筒的进风口，其中，V_Ver＝V_W×|cosα|，V_W为风速，V_Ver为风扇叶片的切入风速，α为实际风向与集风筒长度方向的夹角，V_W′为设定调节风道挡板关闭时的风速数值。

8.如权利要求7所述的汽车集风发电控制方法，其特征在于，所述步骤二中，V_t范围为40＜V_t＜120，车速V_t的单位为km/h。

9.如权利要求6-8中任一项所述的汽车集风发电控制方法，其特征在于，所述步骤二中，当汽车进行减速制动时，f(V_t)＝-0.0001V_t ²+0.0163V_t+0.4684，η_M满足条件η₁′＜η_M＜η₂′，V_t为车速，η₁′,η₂′为维持稳定风能转化效率区间的端点值。