摘要：本课题在已研制出的一种新型自行车车载除霾装置基础上[1]（一种新型自行车车载除霾装置系统，将人骑车时产生的机械能利用发电机转化为电能，从而驱动除霾装置净化大气）进行了结构优化和功能完善，经分析测试，取得了一定的成果。
相比之前的装置，主要进行了以下改进：
1.采用两种发电方式（骑行人力做功发电+太阳能发电）供电以外，增配了蓄电池，保证供电的稳定可靠。
2、运用粉尘传感器、风速传感器等传感装置确定自行车车身周围空气参数，使用（ANSYS）FLUENT软件进行流体仿真，找到最佳除霾位置。
3、将除霾装置成功地模块化、便携化，融发电与除霾为一体，改进装置外观设计，并进行了成本和经济效益分析。
本课题涉及到电力电子学科、机械学科、可视化空气动力学、经济学等多个学科，理论上和实践上都得到了可靠的验证，并有着较好的经济效益与实用价值。
关键词：骑行发电，大气除霾，电力电子，节能减排
课题背景及意义
雾霾问题依然严重，我们联想到当今炙手可热的共享单车，致力于寻找一种可持续又简便的、既节能减排又保护环境的方法。
我们通过实验研制的一种新型自行车车载除霾装置系统，在之前的设计方案，已经证实了项目的实用性以及可行性，因此在这基础上，为更好地让产品投入市场批量化生产和使用，我们做了各方面改进和功能完善，最终形成了闭环系统，让每一辆共享单车都能成为一个移动的除霾器。
系统组成与工作流程
改进装置采用分层设计，主要分为以下三个模块：
（1）能量采集模块：轮胎处的摩电机和太阳能电池板
（2）电能转换模块：电力电子电路
（3）通风除霾模块：送风除霾
骑行者蹬脚踏板时，带动发电机，输出10V左右不稳定的交流电.经整流变为电压脉动的直流电，输入到直流稳压斩波器[2]，从而输出幅值稳定在12V的直流电。随后直流电直接供给负离子发生器进行除霾。天气良好的条件下，配备的光伏板可以代替磨电机工作，经过电力电子变换供能给负离子发生器。
骑行过程中不同骑行姿势下的后背各位置风速仿真图[3]
自行车前进过程中，风穿过骑行者是一种常见的湍流现象，湍流是一种高度复杂的三维非稳态、带旋转的不规则流动。我们查阅文献，研究了流动可视化和计算流体动力学（CFD）探索循环的空气动力学，从中选择了基于有限元法的ANSYS FLUENT软件仿真效果图，模拟了三个不同位置骑自行车者周围的气流。发现无论是从侧边看过去还是从后面看过去，座椅后侧的涡流最小，横流速度很小。而这恰恰是我们选择合适安装点的必要要求。
通风除霾模块
采用能够发出高浓度负离子，高效凝结吸附PM2.5等微粒的负离子发生器，低功耗、体积小、雾霾颗粒用活性炭收集。我们评估了装置吸收微粒的效率，发现如果按照常规的骑行速度（15km/h），高于其吸附负离子的风速要求，因此我们对管道通腔采用渐扩喷口，设计使进口面积小，出口面积大，使通道内的气压逐步降低、进而降低风速，在空气总量不变的同时，更便于雾霾微粒的吸收。
装置外形设计
除霾装置放置于自行车后座，要求保证一定的牢固可靠性、不至于过重、过大，具有一定的便携性。为此我们设计了一款简单轻巧、功能丰富、包裹性好的外形装置。
装置外形侧视图与立体展开图
如图所示我们的装置分为两层，上层坚固封闭、防水防颠，用以放置电力电子及相关器件。上层尾部上方安装光伏板，用以补充电源。下层为圆弧状构造，形成半封闭气室空腔，用以安装除霾器接口。其中，下层迎风面用以进风，尾部亦有开口，用于净化后空气逸出通道。圆弧构造适合防水排水，保证电子器材安全可靠工作。
可行性分析
1.除霾效果检验；在密闭空间内充有浓度为673（单位： ）的烟雾，我们进行除霾效果实验，经过短短15秒时间，负离子发生器将浓度降低至11，满足我们国家对于空气质量等级优的标准。（注：我国空气质量等级优的标准为：日均浓度值35）根据模拟数据拟合得到除霾效率达到60%的概率约为80.37%，这满足了设计要求。
2.成本预估：我们购买低成本的元件进行组装，整套设备总计不到100元，具有很大的经济优势，而且任何一个自行车可以轻易安装。而且，装置可以自行扩容，如增加太阳能电池板、更换不同功率的电机、蓄电池等等。
小结
该产品已经完成硬件部分和大部分软件部分，同时目前我们正在设计手机APP，把自行车的车速、除霾量收集，排名并反馈给用户，显示在APP上，真正达到全民齐力除霾！前期成本评估表明，该套装置成本低、可靠性好、功能新颖，具有一定的市场推广价值！相信设计的这一款体现绿色环保理念的新型车载除霾装置能够深受大众欢迎！
参考文献：
[1]余少琪 . 一种自行车车载除霾装置的研制及分析.2018年4月
[2]王兆安 . 电力电子技术（第五版）[J] 机械工业出版社. 2009年7月
[3]https：//www.simscale.com/blog/2017/07/cycling-aerodynamics/
论文作者:余少琪
论文发表刊物:《电力设备》2018年第20期
论文发表时间:2018/11/13
标签：装置论文; 自行车论文; 负离子论文; 风速论文; 发生器论文; 直流电论文; 模块论文; 《电力设备》2018年第20期论文;