新型加热及制冷除雾霾智能头盔
摘 要：本项目为新型加热及制冷除雾霾摩托车头盔系统，此系统利用摩托车尾气余热发电，还有通过切割磁感线供能，环保节能。创新性将摩托车迎面吹过的风，经过过滤，加热或者制冷处理，输送至头盔，为头盔提供舒适的温度。并且通过手机app提前设定温度，智能维持头盔内部温度及风量大小，保障驾驶安全。
关键词：除雾霾；余热发电；发电机；节能减排；自动化控制
中图分类号：TM61 文献标志码：A 文章编号：2095-2945（2017）36-0009-02
1 研制背景及意义
众所周知，节约资源和保护环境是我国的基本国策，我国能源消费总量极其庞大，节能减排形势极其严峻。特别是车辆的能源利用率相当的低，燃油燃烧的能量大约50%通过热量散失，其中大部分又通过高温的尾气排出，不仅污染环境而且提高周围温度。对于摩托车驾驶人员来讲，夏季炎热，骑行中极易中暑。冬季骑行更是一种煎熬。
2 设计方案
2.1 半导体温差发电系统
该系统是利用摩托车排气筒高温与环境空气的低温将热能转换为电能的发电装置。由于它的特性，它不需要产生化学反应并且机械装置固定，使用寿命长，无任何噪音，体积重量小，磨损小。所以对本装置很实用。
我们采用的半导体温差发电片的尺寸是45mm×45mm×5mm，共有126对PN结，具有耐高温特性，靠近排气筒的热端稳定工作温度可以达200℃以上，理论能够承受的最高温度为370℃。
2.1.1 设计STM串并矩阵与稳压充电电路实现给蓄电池充电
温差发电装置产生的是直流电，由于产生的电是不稳定的直流电，只有让负载的阻抗与电源等效内阻匹配，才能让电源的输出功率达到最大值。因此为了提高STM的效率，外接负载也要与STM组成的矩阵的等效内阻达到匹配。我们设计了12V/7A的蓄电池充电STM串并矩阵和与稳压电路和二阶段恒流限压式充电来保护电路。
2.1.2 温差发电模块串并矩阵
根据实际数据，测量得到稳压电路与充电电路给蓄电池充电时其等效输入内阻为5～12？赘。单个STM的等效内阻约为6～8？赘，所以最后采用了三组并联的半导体温差发电矩阵。最后给蓄电池充电的功率基本上与STM矩阵匹配了，约为4W。
2.1.3 安装方法
我们将20块左右温差发电片用导热硅胶粘贴在尾气排气筒上，增加对尾气温度的利用率。将冷热装置系统安装在摩托车前端的车翼骨架上，装置把处理过的空气通过软管送至头盔。
2.2 切割磁感线发电系统
本文采用了一种切割磁感线的摩托车发电设备，主要是将一圈强磁铁固定在车轮辐条上，在摩托车行驶中通过磁铁切割磁感线产生电流，对蓄电池源源不断充电。该装置是一种无摩擦发电方式，不会磨损轮胎，几乎不产生阻力，给我们的装置提供辅助电力。
2.2.1 发电效率分析
磁感应强度B=E/LV，其中为感应电动势，可用万用表测出；L为切割磁感线的线圈长度，可以通过测量线圈的电阻R和截面积S，由公式L=RS/ρ计算得出；V为线圈切割磁感线的速度，给定不同的速度V，测出不同直径线圈下产生的感应电动势E，可得出不同直径线圈下产生的磁感应强度。通过比较不同直径线圈下产生的电压、电流和功率，选择最合适的线圈直径。由于感应电动势E与磁感应强度B、线圈长度L、切割速度V成正比，所以可以根据骑车人的情况，调整相应的参数，从而提高发电效率。
2.2.2 冲放电装置
（1）整流模块
由于线圈切割磁感应线速度的大小和方向是随时间周期性变化的，因此电流也随时间作周期性变化，所以需要使用整流桥把交流电转换为直流电，把安装的3线圈分别连接在3个整流桥上，然后把整流桥输出的直流电串联起来进入稳压模块。
（2）稳压模块
由于摩托车的速度是不勻速的，所以通过整流桥后的电压不稳定，不能直接供蓄电池使用，需要通过稳压模块后才能给蓄电池充电，进而供用电器使用。稳压模块是非隔离降压恒流、恒压模块，其中输入电压为6-36V，输出电压为连续可调（4-26V），转换效率为82%。
（3）实验结果分析
在相同速度下，利用万用表测试不同直径线圈通过整流、稳压后的电压、电流和功率的值，经过对比选择更加合适的线圈。由于实验设备原因，系统以30km/h的骑行速度进行了实验验证。由于实际生活中摩托车骑行速度更快，所以电压、功率更高。
2.2.3 稳压电路
无论是由温差发电装置还是切割磁感线装置进行发电，得到的电压都是不稳定的，所以必须通过一组稳压装置将断续的直流电源转化为可以给制冷加热装置持续保障的电源。由于每块温差发电片的效率比较低，可在串联所有电源后的线路中接入三相稳压电路或者稳压芯片LM2577215，这样既能保护电路又可以为系统提供一个安全的电源。完成最终额定输出12V/3A。
2.2.4 蓄电池充电保护电路
对于该系统来说，必须考虑的就是对摩托车原有蓄电池的保护，由于蓄电池工作原理很大程度上的限制了其使用寿命。蓄电池的充放电的方式就是其中影响因素之一，充放电的不稳定严重的破坏其内部的化学反应，不充分的化学反应产生有害物质，致使蓄电池效率低下。为了解决这一问题，我们只需从充电的角度去衡量就可以。首先充电前必须安装稳压装置，我们采用二阶段恒流限压式给蓄电池充电，可以保持对蓄电池工作的合理性。其次就是尽量保持恒压、恒流的状态。
2.3 过滤空气，制冷与加热备装置
本装置的最终电力来自摩托车上面的蓄电池，本设备安装在摩托车上，摩托车高速行驶时吹过的风吹入装置前的风扇，将风高速的导入过滤装置，利用电除尘活性炭等一系列装置，将雾霾空气中大量尘埃过滤干净，然后导入半导体制冷器或者加热器。最后传入头盔，本装置体积较小不会影响摩托车的结构。并且可以调节温度，过滤空气，制冷与加热设备与头盔连接的轻型管道：由于管道较长在骑行过程中会摇摆不定造成车手驾驶困难。本管道上面会有固定装备将管道固定在车手衣服上提高安全系数。
2.4 头盔结构
车手安全的最后保障，本头盔采用较为封闭的头盔，避免外部雾霾空气流入，并且保持头盔内部温度，由于是处理好的风通过管道输送至头盔，所以不会产生较大安全问题。输送管道与头盔为可拆卸式，提供设备的灵活性。为避免风直接吹上车手的头部，造成车手过冷或过热的不适。在头盔外壳与内部内层之间安装重量较低且无异味的管道，里面通入处理好的空气。管道开出几个小孔吹出风为整个头盔加热或降温。并且为了避免头盔内外温差造成挡风玻璃形成露珠影响视线，将风一部分持续吹向玻璃使露珠形成不了。最后管道的末端开在车手嘴鼻附近，提供清新的空气最后与车手呼出废气排出头盔外部。
3 创新点及展望
我们利用摩托车尾气大量的热量节能环保，通过切割磁感线方式产生的电能也能为设备持续提供能量，加入除雾霾装置更是有利于摩托车车手的健康。
能源问题已经是全世界关注的一个焦点问题，而本系统的设计正是迎合了节能的需求，并且对环境无害。该作品现可用于摩托车，具有良好的节能效果。经过进一步的开发及改造，可以将此作品应用到大量摩托车中。
参考文献：
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