汽车顶置式车载涵道气流耦合风能回收发电系统及方法与流程

本发明涉及风力发电，具体涉及汽车顶置式车载涵道气流耦合风能回收发电系统及方法。

背景技术：

1、传统柴油重型牵引车作为干线运输主力车型，其存在燃油成本居高不下、 油价波动吞噬运输利润、年度维保体系繁琐、发动机大修概率高、尾气排放与环保年检压力大、尿素系统故障率高、整车运营综合成本不可控等缺陷。

2、当前国内50吨级重型纯电牵引卡车已进入规模化商用阶段，纯电牵引卡车若能替代传统柴油重卡，能够大大减少碳排放。而现阶段市面上的纯电动重卡，虽然解决了碳排放问题，但是，存在高速续航严重衰减、长途完全无法运营、极度依赖公共充电桩、充电等待时间长、干线时效性差、电池大倍率快充衰减快、电池更换成本高昂等致命短板，无法真正实现全国干线常态化运营，只能局限于短途场内、倒短、城区限行区域内使用，无法替代柴油重卡长途主力地位。

3、涵道式涡轮发电技术用于风力发电逐渐在发展，例如：cn120946510b-涵道双涡轮增压式风车，其通过叶片式转动结构和涵道进行结构改进，实现了位于前端的涡轮风扇带动后端的涡轮风扇转动，以提高风能利用率。

4、现有技术中，存在将涵道涡轮发电装置用于火车、船舶等载体的技术，如cn121408140a-基于火车车载的涵道式气流耦合风能回收发电系统及方法，以及cn121993353b-涵道多级涡轮增压式风车发电装置及应用，但是，还没有将涵道涡轮发电装置用于汽车的技术。

技术实现思路

1、本发明的目的在于提供汽车顶置式车载涵道气流耦合风能回收发电系统及方法，通过将涵道涡轮发电装置安装在纯电半挂牵引车头顶部，实现汽车行驶过程发电，以作为纯电半挂牵引卡车行驶过程中的电能补充，以减少车辆长途运输过程中的补给次数、增加车辆续航、降低运营能耗成本。

2、本发明通过下述技术方案实现：

3、汽车顶置式车载涵道气流耦合风能回收发电系统，包括：

4、涵道涡轮发电装置，其包括顺次连接的前级涵道、耦合连接段和后级涵道，前级涵道和后级涵道内均分别设置有至少两级涡轮，且前级涵道和后级涵道均采用文丘里结构；

5、支撑组件，其设置有多个，分别用于支撑前级涵道和后级涵道；

6、减震安装座，用于安装在牵引车车头顶部，支撑组件的底部固定在减震安装座上；

7、导流组件，设置在后级涵道的后端，用于将后级涵道排出的气流引导出后级涵道与货箱之间的间隙，导流组件至少包括两个导流板，多个导流板呈上下布置，导流板的第一迎风面在货箱宽度方向形成导流面，导流板的内部形成导流腔，导流腔在货箱宽度方向的两端均设置有出口，导流板的内侧壁设置有与导流腔连通的通槽，相邻两个导流板之间设置多个引流板，引流板用于将相邻两个导流板之间的风流引导至通槽处并引入导流腔内。

8、由于本发明的涵道涡轮发电装置的安装位置为牵引车车头顶部即驾驶室的顶部，依赖于汽车行驶过程中产生的风流导入涵道涡轮发电装置进行发电作为汽车的电能补充，涵道涡轮发电装置在发电的过程同样会产生阻力，阻力导致汽车行驶过程中能耗增加，而发电产生的能量与消耗的能量的差值越大，涵道涡轮发电装置在汽车行驶过程中净能量越大，带来的收益也越大，本发明正是为了尽可能提高汽车行驶过程中的净能量，需要尽可能提高涵道涡轮发电装置的发电效率。

9、首先，本发明的前级涵道和后级涵道内均分别设置有至少两级涡轮，相比只设置一级涡轮，能够提高发电效率。且文丘里效应加速气流，动压提升，增强推动涡轮做功的能力，进一步提高发电效率。

10、其次，本发明涵道涡轮发电装置包括顺次连接的前级涵道、耦合连接段和后级涵道，即本发明的涵道涡轮发电装置通过耦合连接段串联两个涵道，相比直接将两个涵道串联，能够提高涵道涡轮发电装置的发电效率。原因在于：

11、普通多级串联风机效率极低的根源是：一级尾流高湍流、高旋流、气流无序，二级几乎无法做功；而本发明在两个涵道之间通过耦合连接段串联，耦合连接段可有效平复尾流、衰减涡流、恢复流场均匀度，让无序废流变有序可用风能，使第二级涵道稳定保持较高的风能回收效率，实现同一气流梯次二次高效发电。

12、在本发明的模拟运行案例中，耦合连接段的长度为750mm，前级涵道的长度为3.48m，后级涵道的长度为2.736m，实现了后级涵道的稳定保持60%的风能回收效率。涵道的最大直径控制在2m左右，本发明的设计符合国家机动车运行安全及尺寸标准gb1589-2016规定：半挂牵引车头最大允许长度12m，半挂牵引车头最大允许宽度为2.55m，最大允许高度为4m，通过控制涵道涡轮发电装置的直径以及减震安装座和支撑组件的高度，即可满足国家机动车运行安全及尺寸标准gb1589-2016规定。

13、本发明的基本运行原理为：

14、在车辆投入运营前，先从外部电网将电池充满。车辆行驶时，电池释放电能驱动牵引电机，推动车辆前进，由此产生相对气流；涵道涡轮发电装置捕获气流能量分级发电，电能不断回充进牵引车头配置的电池包。电包在这里的角色是能量中转站与缓冲储能池：电池放电→驱动车辆行驶→产生相对风→前级涵道第一次取能→耦合段流场重整→后级涵道第二次取能→发电回充电池包。能量最初来源于电网充电，本发明的发电系统只是回收复用一部分已经消耗散失的能量，并不能无中生有产生能量。以实现高速行驶下能够显著减少外部补电次数，但永远做不到无限续航。

15、由于本发明的涵道涡轮发电装置的安装位置为驾驶室的顶部，为了降低噪音和震动，本发明设置了减震安装座，通过减震安装座将涵道涡轮发电装置安装在驾驶室的顶部，能够实现减震。

16、由于国家机动车运行安全及尺寸标准gb1589-2016规定：半挂牵引车的最大允许高度为4m，即货箱的高度最高可达4m，因此，会导致从涵道涡轮发电装置尾端排放的气流冲击在货箱上，存在以下问题：

17、1）涵道涡轮发电装置导出的气流具有较大的流速，流速较大的气流直接冲击在货箱侧壁，会在货箱前方形成驻点高压区，不仅产生巨大的压差阻力，还会引发剧烈的湍流和振动；不仅会对货箱造成损伤，且剧烈的湍流和振动会反馈至涵道涡轮发电装置，影响到涵道涡轮发电装置的发电效率；

18、2）直接冲击货箱的高速气流会产生强烈的冲击噪声和宽带湍流噪。

19、本发明通过在后级涵道的后端设置导流组件，利用导流组件将后级涵道导出的高速气流导出后级涵道与货箱之间的间隙并引导至货箱两侧，大幅降低箱体所受的气动冲击和阻力，且能够避免形成驻点高压区导致的湍流和振动，保持涵道涡轮发电装置的发电效率。

20、本发明的导流组件采用了二级导流，分别为导流板导流和引流板导流，本发明的导流板的第一迎风面在货箱宽度方向形成连续的导流面，相当于在货箱前方构建了一个气动整流罩。气流被平滑地导向货箱两侧，绕过货箱正面，从而大幅减小货箱所受的正压阻力；

21、多个导流板呈上下布置，形成多个平行通道。气流在通过多个导流板时被分割和转向，一部分直接通过导流板导出，另一部分进入通道内，而不是一次性剧烈偏转。这种导流能有效防止气流在导流板的导流面剧烈撞击、分离，保持风流的附壁性，使出口流场更加均匀；而相邻两个导流板之间设置多个引流板，这些引流板将导流板间的气流主动引导至通槽处进入导流腔，能够确保气流沿着导流板的第一迎风面和导流腔导出后级涵道与货箱之间的间隙并引导至货箱两侧，相比整块的导流板，能够提高导流效率。

22、由于后级涵道导出的气流速度较大，如果采用整块板作为导流组件，对整块板的导流组件在风流方向的厚度有要求，厚度过小极易发生颤振，过大则过于笨重，本发明的上述结构的导流组件能够实现对后级涵道导出的高速气流进行切割，分流，降低颤振风险。

23、综上，通过将涵道涡轮发电装置安装在纯电半挂牵引车头顶部，实现汽车行驶过程发电，以作为纯电半挂牵引卡车行驶过程中的电能补充，以减少车辆长途运输过程中的补给次数、增加车辆续航、降低运营能耗成本，并且，根据将涵道涡轮发电装置安装位置的特点，设计了减震安装座和导流组件。

24、另外，本发明的前端和后端是相对于汽车行驶过程中的风流而言。

25、本发明的发电系统基于伽利略相对运动原理、伯努利流体动力学原理和文丘里流体效应实现：

26、伽利略相对运动原理：物体匀速直线运动，等价于物体静止、环境流体反向匀速冲击物体。车辆在高速公路80-90km/h常态化巡航行驶时，自然无风、静风环境下，车体与大气流体形成稳定高速相对运动，持续产生高强度、高流速、稳定定向的迎面风场。

27、伯努利流体动力学原理：气流进入密闭标准涵道腔体后，严格遵循伯努利流体能量守恒定律：在理 想不可压缩定常流动中，流体动能、压力能、势能相互转化且总能量守恒。在涵道变截面流道内，气流流速升高则静压降低，流速降低则静压回升，通过流道结构精准约束、规整气流流场，彻底消除开放式风场常见的紊流、乱流、涡流、气流分离现象，使进入涡轮工作面的气流流速均匀、风压稳定、流向一致，大幅提升风能机械能转化效率，保证发电过程平稳、持续、高效、无冲击、无损耗。

28、文丘里流体效应：加速气流，动压提升，增强推动涡轮做功的能力，进一步提高发电效率

29、在一种优选方式中，引流板的第二迎风面置于导流板的第一迎风面的后端，引流板与导流板的连接处位于通槽后端。

30、上述设置能够实现气流先进入两个导流板之间的间隙，然后沿着引流板的第二迎风面引导至导流腔内，以提高引流板的导流效果，避免在导流板和引流板交接处形成紊流。

31、在一种优选方式中，多个引流板至少布置成两排，同一排中的相邻两个引流板之间具有间隙，相邻两排之间的引流板交错布置，每排引流板与导流面具有相同的形状。

32、后一排的引流板能够在宽度方向上覆盖前一排相邻两个引流板之间的间隙。

33、本发明采用了若干交错布置的引流板，相比单块板，具有以下优势：1）交错布置使气流在多个通道中被反复分割、重组，能有效打散大尺度涡流，出口流场更均匀；2）每块板独立引导，可在箱体表面形成多个贴附流区，附壁效果更充分；3）间隙被分割为多个小通道，每个通道的收缩-扩张效应更平缓，压差阻力更小；4）每块板尺寸小，刚度高，不易变形；5）多块小板固有频率高，不易发生气动弹性颤振；6）、载荷分散到多块板上，单板受力小。

34、由于后级涵道导出的气流速度较大，如果采用整块板极易发生颤振，本发明采用了若干交错布置的引流板，能够解决该技术问题。

35、在一种优选方式中，引流板与通槽一一对应。

36、在一种优选方式中，引流板的第二迎风面在高度方向的中部向着迎风一侧凸出使第二迎风面形成弧形面，更利于将两个导流板之间的风流引导至通槽处。

37、在一种优选方式中，导流板的第一迎风面在高度方向的中部向着迎风一侧凸出使第一迎风面形成弧形面，利于降低第一迎风面的阻力，既能实现导流板将一部分风流引导至货箱两侧，又能更好实现风流分割，使部分风流进入两个导流板之间的间隙被引流板引导进入导流腔内。

38、在一种优选方式中，导流面在宽度方向包括中间凸起部和侧向引流部，侧向引流部位于中间凸起部的两侧，侧向引流部的曲率半径大于中间凸起部的曲率半径，中间凸起部和侧向引流部之间平滑过渡。该结构能够更好的实现将风流引导至货箱两侧。

39、在一种优选方式中，导流板的第一迎风面与第一背风面具有相同形状。利于降低导流板的重量。

40、本发明的第一背风面为与第一迎风面相对的一面，上述设置使导流板的整体轮廓与第一迎风面相同，在实现导流板将风流引导至货箱两侧的同时能够降低导流板的重量，利于实现整个风能回收发电系统的轻量化。轻量化能够降低重量，降低汽车行驶过程中的能耗。

41、在一种优选方式中，导流组件固定于减震安装座上。

42、在一种优选方式中，导流组件通过滑动调节组件与减震安装座连接，滑动调节组件的顶部用于支撑固定导流组件，滑动调节组件的底部滑动设置于减震安装座上，以实现导流组件在风流方向上的直线位移。

43、本发明通过设置的滑动调节组件调节导流组件在风流方向上的直线位移，能够根据实际情况调节导流组件的位置，当不需要使用时（例如在搬运减震安装座和涵道涡轮发电装置的过程中），可将导流组件移动至靠近涵道涡轮发电装置一侧，缩短减震安装座的长度；当需要导流时，根据货箱的实际宽度以及间隙等调节导流组件的位置，在实现将风流引导至货箱两侧的同时尽可能使导流组件远离涵道涡轮发电装置，利于降低风流撞击在第一迎风面上的速度，有利于实现快速导流。

44、在一种优选方式中，滑动调节组件至少包括一个滑块，滑块上设置有连接支撑板，连接支撑板与导流面具有相同形状，连接支撑板上设置有用于连接导流组件的支撑杆。

45、而发明的上述设置是基于导流板的形状进行设置，利于在导流板的对应位置布置支撑杆，提高滑动调节组件对导流板的支撑稳定性。

46、在一种优选方式中，支撑杆为伸缩件。可对导流组件的高度进行微调，能够更好的安装导流组件。

47、在一种优选方式中，连接支撑板上至少设置有3个支撑杆，至少在连接支撑板宽度方向的中部设置一个支撑杆，且至少在宽度方向的两侧各设置一个支撑杆。

48、以上布置具有较佳的支撑稳定性。

49、在一种优选方式中，减震安装座包括底座，底座上设置有若干用于与牵引车车头顶部连接的安装孔，底座的下端面设置有若干支腿和若干减震器，若干支腿和若干减震器均与牵引车车头顶部接触。

50、本发明的减震器为现有技术，具体可以是弹簧减震器或气浮式减震器。

51、本发明通过在底座的下端面设置减震器能够实现减震安装座的减震功能，降低驾驶室顶部的振动和噪音。

52、在一种优选方式中，底座的上端面向下凹陷形成若干用于固定支撑组件的插槽，插槽的底部设置有弹性垫。

53、本发明的弹性垫与减震器自上而下形成二级减震，能够提高减震安装座的减震效果。

54、在一种优选方式中，插槽的底部沿着插槽的宽度或径向扩展使插槽的底部形成缓冲腔，缓冲腔内设置有弹性垫，弹性垫的上端面设置有用于插入支撑组件的凹槽。

55、上述设置的弹性垫能够对插入支撑组件的底部进行包裹，不仅能够对插入支撑组件的底部进行减震，且能够对部分侧面的振动进行吸收，提高弹性垫的减震效果。

56、在一种优选方式中，插槽内沿着插槽的宽度或径向扩展形成减震腔，减震腔内设置有横向缓冲件，当支撑组件插入插槽内后，横向缓冲件的一端与支撑组件接触。

57、本发明的横向缓冲件可以是弹簧减震结构或是硅胶柱等现有弹性件，本发明的横向缓冲件、弹性垫与减震器自上而下形成三级减震，能够进一步提高减震安装座的减震效果。

58、在一种优选方式中，减震腔内沿着周向均匀布置有多个横向缓冲件，横向缓冲件与减震腔的顶部和底部之间均具有间隙。

59、本发明的上述设置不仅可以通过横向缓冲件吸收振动能量并将能量传递到底座上，实现减震，且减震腔内的空腔部分也能实现吸收能量，提高减震效果。

60、在一种优选方式中，支腿和减震器与底座活动连接。以实现根据驾驶室顶部的具体结构对支腿和减震器的长度进行微调，以确保底座与驾驶室顶部平行安装后，支腿和减震器均可以与驾驶室顶部接触，以分别实现支撑和减震作用。

61、在一种优选方式中，支撑组件包括弧形支撑板和支撑柱，弧形支撑板内壁与前级涵道或后级涵道外壁紧贴，用于支撑固定前级涵道或后级涵道，支撑柱一端与弧形支撑板连接，另一端与减震安装座连接。

62、在一种优选方式中，支撑柱的外壁设置有固定连接板，固定连接板上设置有多个通孔，固定连接板通过通孔与螺栓的配合实现与减震安装座的连接。

63、固定连接板具体可以是设置在支撑柱外壁的环形板。在环形板的周向上均匀布置至少4个通孔。

64、在一种优选方式中，弧形支撑板的外壁设置有多个支撑柱，多个支撑柱至少布置成一排，每排均沿着弧形支撑板的周向布置，且每排设置有3个支撑柱。

65、在一种优选方式中，弧形支撑板的内壁设置有弹性片，弹性片具体可以采用橡胶制成的弧形片。

66、在一种优选方式中，前级涵道包括涵道和转轴，转轴通过机翼型支架转动设置于涵道中心轴向；转轴的尾端通过万向节与发电机连接；转轴上沿着风流方向依次设置有一级涡轮和二级涡轮，发电机通过电缆与牵引车车头自带的电池包电连接；

67、后级涵道与前级涵道具有相同结构。

68、本发明上述设置的涵道式风车不仅利用一级涡轮和二级涡轮，提高风能利用率，且通过机翼型支架固定转轴，能降低风流在涵道内的阻力，利于提高风能利用率。

69、并且，本发明的涵道涡轮发电装置安装于电动牵引车驾驶室顶部，牵引车车头自身安装有用于提供电能的电池包。

70、现有的电动牵引车是通过沿途的充电桩对电池包进行充电，然后用于汽车行驶过程中消耗，而利用充电桩对电池包进行充电通常速度较快，为快充，对电池包的损耗相对较大。

71、而本发明通过在电动牵引车驾驶室顶部安装可利用风能进行发电的涵道涡轮发电装置，在汽车行驶过程中即可进行发电，并同步将发的电能存储在电池包内，该过程中慢充，对电池包的损耗相对较小，即本发明在汽车行驶过程中利用涵道涡轮发电装置所发电量可作为汽车行驶过程中的电能补充，能够减少利用充电桩充电的次数，利于保护电池包。

72、在一种优选方式中，后级涵道的长度小于前级涵道的长度。

73、后级涵道进行能量转化后，直接排放气流，且大部分气流在前级涵道内被利用，可适当降低后级涵道的长度，也能满足剩余风能的利用。上述设置可降低涵道涡轮发电装置的整体长度。

74、在一种优选方式中，转轴上在一级涡轮和二级涡轮之间设置有多个短叶涡轮，短叶涡轮的叶片相对于一级涡轮和二级涡轮的叶片更短，以进一步提高风能利用率。

75、在一个优选方式中，涵道内壁在一级涡轮的前端设置有第一环形导流块，第一环形导流块的径向厚度自风流风向呈逐渐增大的趋势，且第一环形导流块的最大厚度大于第一环形导流块的叶片与涵道内壁之间的间隙。

76、在一个优选方式中，涵道内壁在二级涡轮的前端设置有第二环形导流块，第二环形导流块的径向厚度自风流风向呈逐渐增大的趋势，且第二环形导流块的最大厚度大于第二环形导流块的叶片与涵道内壁之间的间隙。

77、本发明的第一环形导流块和第二环形导流块的设置，能够降低风流进入涵道内壁与涡轮叶片之间的间隙，允许适当增大涡轮与涵道内壁之间的间隙，从而降低加工精度要求及制造成本。

78、并且，本发明的第一环形导流块的设置能够引导风流平滑进入第一收缩段；减少因内径产生的紊流。

79、在一种优选方式中，涵道沿着风流方向依次包括第一整流段、第一收缩段和第一扩散段，第一整流段的内径大于第一扩散段的内径，一级涡轮设置在第一整流段内，二级涡轮设置在第一扩散段的前端。

80、即本发明的涵道采用标准三段式文丘里结构，依次为第一整流段、第一收缩段、第一扩散段，其中，第一整流段用于梳理紊乱来流，打散大尺度涡旋，削平速度尖峰，使气流均匀平顺进入涵道内部；第一收缩段的流通截面收窄，利用文丘里效应加速气流，动压提升，增强推动涡轮做功的能力；第一扩散段内流速降低，一部分动能转化为静压，实现第一次静压恢复，同时降低涵道自身的气动损失。

81、即本发明通过将涵道设置为变径结构，利于风流在涵道内进行加速，提高了风能利用率。

82、优选地，为了降低系统的整体重量，所使用的减震安装座和导流组件优选采用满足结构稳定性要求的轻质材料制成，例如：航空铝合金等。

83、如上述汽车顶置式车载涵道气流耦合风能回收发电系统的使用方法，包括如下步骤：

84、s1、将安装有导流组件的减震安装座安装在牵引车车头顶部，确保减震安装座的四周不凸出于牵引车车头顶部；

85、s2、将支撑组件固定在减震安装座上；

86、s3、将涵道涡轮发电装置安装在支撑组件上；

87、s4、待被牵引的车架与牵引车车头连接，并安装有货箱后，调节导流组件在风流方向上的相对位置，使导流组件远离涵道涡轮发电装置，以实现导流组件将涵道涡轮发电装置排出的气流导出涵道涡轮发电装置与货箱之间的间隙，并引导至货箱宽度方向的两侧。

88、本发明与现有技术相比，具有如下的优点和有益效果：

89、1、本发明基于将涵道涡轮发电装置安装位置的特点以及发电的风流来源以及汽车行驶阻力等因素，采用了由顺次连接的前级涵道、耦合连接段和后级涵道的涵道涡轮发电装置进行发电，并且对前级涵道和后级涵道的结构进行设计，前级涵道和后级涵道内均分别设置有至少两级涡轮，且前级涵道和后级涵道均采用文丘里结构，以尽可能提高涵道涡轮发电装置的发电效率，进而提高汽车行驶过程中净能量，以用于补充汽车行驶过程中能耗，降低充电次数，本发明设置了减震安装座进行减震，并且，通过设置的导流组件，导流组件通过上下布置的多块导流板，相邻两个导流板之间设置有引流板，通过导流板的第一迎风面将一部分风流导出后级涵道与货箱之间的间隙并引导至货箱宽度方向的两侧，通过引流板将相邻两个导流板之间的气流引入导流腔内，提高导流效率，最终将气流有序地引导出后级涵道与货箱之间的间隙，避免气流在间隙内堆积形成湍流和振动，能够避免货箱前端形成驻点高压区，不仅产生巨大的压差阻力，还会引发剧烈的湍流和振动。

90、2、本发明的减震安装座通过横向缓冲件、减震器和弹性垫实现了自上而下的多级减震，且横向缓冲件和减震腔的设置实现了水平方向的减震缓冲，进而实现了减震安装座不同维度的减震，提高了减震效果。

91、3、本发明的滑动调节组件能够实现对导流组件在风流方向的直线位移，通过调节导流组件的位置，可以实现在不使用时将其调节至驾驶室顶部，使用时再根据需要调节至后级涵道与货箱之间的不同位置，以实现将后级涵道与货箱之间的气流引导至货箱两侧。