隨著城市的快速擴(kuò)張發(fā)展，汽車早已走入了千家萬戶。北京的機(jī)動(dòng)車保有量超過530萬輛，每年消耗燃油700多萬噸。汽車給人帶來生活便利的同時(shí)，排放的尾氣也造成了大氣污染。來自環(huán)保部門的數(shù)據(jù)顯示，北京的大氣污染物PM2.5，有22%就來源于機(jī)動(dòng)車。
于是各種電動(dòng)汽車出現(xiàn)了，但它們也存在充電時(shí)間長、續(xù)航里程短等問題。有沒有一種汽車，既能夠滿足人們的出行需要，又能夠最大限度降低能耗呢?北京工業(yè)大學(xué)環(huán)境與能源工程學(xué)院汽車工程系的研究生占子奇和同學(xué)們一起，研發(fā)出了一輛綜合利用風(fēng)能、光能、電能的汽車，通過制動(dòng)能量回收等技術(shù)，可以節(jié)省近三成能耗。這輛“風(fēng)光電互補(bǔ)節(jié)能車”在該校科技節(jié)上獲得最佳人氣作品獎(jiǎng)，并參加了去年“諾貝爾獎(jiǎng)獲得者北京論壇”的展出，得到中外專家的一致好評。
創(chuàng)意展示：帶風(fēng)扇的“小QQ” 時(shí)速超60公里
記者近日在北工大環(huán)境與能源工程學(xué)院樓內(nèi)見到了這輛“風(fēng)光電互補(bǔ)節(jié)能車”。站在側(cè)后方看，這輛藍(lán)白色的車外觀、尺寸與小排量微型轎車無異，兩米多長，一米多高。標(biāo)準(zhǔn)輪胎，照明燈、轉(zhuǎn)向燈，反光鏡等一應(yīng)俱全。
“亮點(diǎn)在這里。”占子奇邊說邊領(lǐng)著記者走到車前方。只見車頭中間位置上裝了一個(gè)直徑約80厘米的螺旋槳風(fēng)扇，車頂部則覆蓋了一塊長1.2米，寬0.67米的太陽能面板，“除了蓄電池，這輛‘小QQ’的動(dòng)力就靠這兩個(gè)家伙了。”占子奇笑道。
打開車門，記者嘗試著坐進(jìn)車?yán)铩Ｅc普通轎車不同，這輛車的前排只有一個(gè)駕駛席座位，后排才是乘客區(qū)，因此方向盤就安裝在儀表臺的中間位置，兩側(cè)是空調(diào)的出風(fēng)口。 三人乘坐，不顯擁擠。
整臺車的燃料系統(tǒng)就在座位底下，4組12伏的電池塊，總質(zhì)量達(dá)100公斤。“風(fēng)能、太陽能產(chǎn)生的電都匯聚到這四塊電池里，它們能驅(qū)動(dòng)這臺“小QQ”跑到時(shí)速60公里以上。”占子奇說，去年諾貝爾獎(jiǎng)獲得者北京論壇在首都圖書館舉行“新材料與新能源”展，他直接駕駛這輛車從學(xué)校駛到首圖參加展出。
創(chuàng)意緣起：風(fēng)光電齊利用 既方便又互補(bǔ)
2011年，21歲的占子奇進(jìn)入北工大汽車工程系攻讀碩士研究生，師從馮能蓮教授。在學(xué)習(xí)中，他了解到，目前太陽能、風(fēng)能等新能源已經(jīng)開始得到應(yīng)用，但每一種新能源都有時(shí)間或者地域上的限制，“我一直在想，能不能將多種不同的新型能源綜合利用，設(shè)計(jì)出一臺車，最大程度實(shí)現(xiàn)能源的高效利用?”
2012年，馮教授獲得了一個(gè)國家自然科學(xué)基金的項(xiàng)目課題，正好可以開展這方面的研究。在導(dǎo)師的支持下，占子奇和同學(xué)們開始調(diào)研新能源車的研究現(xiàn)狀。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，目前國內(nèi)外純電動(dòng)車已經(jīng)開始推廣，少部分利用風(fēng)能、太陽能的概念車處于研發(fā)狀態(tài)，而綜合利用風(fēng)能、太陽能以及蓄電能的車幾乎沒有發(fā)現(xiàn)。
“風(fēng)能、太陽能都是廣泛存在于自然界的能源，易于采集。更重要的是，這兩種能源有互補(bǔ)性，晚上沒有太陽，卻依舊有風(fēng)，完全可以整合應(yīng)用，不能讓大自然的饋贈(zèng)白白浪費(fèi)。”占子奇說，他們于是決定設(shè)計(jì)一臺整合利用風(fēng)、光、電三種能源的車。
攻堅(jiān)克難：輪轂上裝電機(jī) 巧用剎車能量
2012年4月，占子奇和同學(xué)花數(shù)萬元在車廠訂了一臺小型電動(dòng)汽車。到貨后，研發(fā)正式開始。“不做不知道，做了嚇一跳，真的是困難重重。”占子奇回憶說，“把過去所有學(xué)過的知識用上都不夠!”于是大家一邊做研究，一邊瘋狂“補(bǔ)課”，請教老師，常常工作到半夜。
他們首先解決了太陽能和風(fēng)能兩大發(fā)電系統(tǒng)的選材問題：使用一塊覆蓋整個(gè)車頂?shù)膯尉Ч杼柲馨澹诙疽仓恍?個(gè)小時(shí)就能充滿一塊12伏特的電池，夏季因?yàn)楣庹諒?qiáng)則時(shí)間更短;輕巧又結(jié)實(shí)的加固玻璃鋼是風(fēng)電系統(tǒng)風(fēng)葉的最好材料，6片風(fēng)葉組成的風(fēng)扇在風(fēng)力驅(qū)動(dòng)下轉(zhuǎn)動(dòng)，產(chǎn)生電流，大約10小時(shí)充滿一塊12伏特的電池。
“很明顯，風(fēng)能和太陽能的發(fā)電效率完全不一樣，這就帶來全車四組電池電量不均的問題，在行車中很容易出現(xiàn)有的電池過度放電，有的電池放電不足。這樣既影響動(dòng)力輸出，也容易損壞電池。”占子奇說，他們通過研究攻關(guān)，設(shè)計(jì)出了一套電池均衡系統(tǒng)——通過一個(gè)超級電容平衡協(xié)調(diào)四塊電池的電量，“就像長江和鄱陽湖、洞庭湖互相調(diào)節(jié)水位。”
占子奇查閱資料發(fā)現(xiàn)，一輛汽車在城市道路行駛時(shí)，能耗的一半用在了剎車制動(dòng)過程中，“應(yīng)該盡可能利用起這部分能耗。”占子奇說，普通燃油車使用的是機(jī)械制動(dòng)，能耗只能白白流失，但電動(dòng)車使用的是電機(jī)制動(dòng)——電機(jī)向前轉(zhuǎn)推動(dòng)車輛向前運(yùn)行，電機(jī)反轉(zhuǎn)讓車輛制動(dòng)，反轉(zhuǎn)的過程也可以產(chǎn)生電能，“我們于是設(shè)計(jì)加裝了一套能量回收系統(tǒng)。”經(jīng)過測試顯示，未安裝回收系統(tǒng)的車在標(biāo)準(zhǔn)路況行駛1400秒后電池電量下降了30%，而安裝了回收系統(tǒng)的車行駛同樣時(shí)間，電池電量只下降了15%，剎車產(chǎn)生的能量被很好利用起來了。
此外，同學(xué)們還將電機(jī)裝在了車輪的輪轂里面，大大減少了普通電動(dòng)車電機(jī)傳導(dǎo)動(dòng)力到輪軸這一過程帶來的能耗流失，也增加了車輛的行駛靈活性。
未來完善：提高風(fēng)扇效率 期待全新材料
2013年4月，歷時(shí)一年研發(fā)的這臺“小QQ”終于完工。在綜合測試中，這臺“風(fēng)光電互補(bǔ)節(jié)能車”交出了滿意的答卷：總用電量480安時(shí)，外接電源充電占73%，剩下的27%電量都是由太陽能、風(fēng)能和車輛自身能量回收來實(shí)現(xiàn)。“這意味著使用這種車能省近三成電費(fèi)。”占子奇說。
占子奇也坦言，目前這臺節(jié)能車還存在一些有待改進(jìn)的問題。比如風(fēng)扇需要在風(fēng)速3米/秒以上時(shí)才能開始發(fā)電，而在大城市由于受到高樓阻擋等因素的制約，風(fēng)扇發(fā)電效率很低;此外風(fēng)扇露天裝在車頭位置既影響了美觀，也影響了整車的空氣動(dòng)力學(xué)結(jié)構(gòu)。“我們現(xiàn)在想的是能不能把風(fēng)扇裝進(jìn)車的前格柵里面。未來我們希望能將這種風(fēng)扇發(fā)電裝置安裝在渦輪增壓汽車的發(fā)動(dòng)機(jī)后部，利用增壓后的渦流氣體來增加風(fēng)扇的發(fā)電效率，這也是節(jié)能的有效手段。”
今年占子奇就將碩士畢業(yè)，不過他說自己對新能源車的研究探索不會(huì)止步。電動(dòng)車發(fā)展的最大瓶頸就是電池，無法承受長時(shí)間、高頻率的快速充放電，直接導(dǎo)致現(xiàn)在的電動(dòng)車充電時(shí)間過長、行駛里程較短。“或許人類需要找到一種新材料電池去替代現(xiàn)有的鋰、鎳氫、鉛酸。真有一天找到這種材料的那個(gè)人，就是當(dāng)之無愧的諾貝爾獎(jiǎng)獲得者。”
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