高速公路下坡行車發(fā)電系統(tǒng)

摘 要：本文公開了一種利用高速公路下坡行車進(jìn)行發(fā)電的磁電發(fā)電系統(tǒng)方法，屬于可重復(fù)利用的清潔能源系統(tǒng)。其結(jié)構(gòu)包括：車載磁極、路面嵌入磁極、路面嵌入閉合電路、整流器、逆變器、蓄電池。本發(fā)明采用了多組內(nèi)嵌在路面內(nèi)的磁極及閉合電路，當(dāng)車載磁極隨行車下坡運(yùn)動時(shí)，閉合線路磁通發(fā)生變化而進(jìn)行群控發(fā)電技術(shù)。從試驗(yàn)?zāi)M系統(tǒng)看，其發(fā)電效益高、效果好。

關(guān)鍵詞：高速公路 下坡行車 慣性 發(fā)電

中圖分類號：TM619文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A文章編號：1674-098X（2013）04（b）-0101-03

1 問題的提出

我國已成為世界第一能源生產(chǎn)大國，但能源供應(yīng)依然緊缺。到目前為止，我國電力裝機(jī)達(dá)11.4億kW；石油天然氣增長到1500億m3左右；水電裝機(jī)達(dá)到2.49億kW，居世界第一；風(fēng)電裝機(jī)達(dá)到6300萬kW，成為世界第一風(fēng)電大國，年發(fā)電量超過1000億kW時(shí)；光伏發(fā)電裝機(jī)達(dá)到700萬kW；核電在建機(jī)組30臺、3273萬kW，在建規(guī)模居世界第一，在役機(jī)組保持安全穩(wěn)定運(yùn)行。

1.1 山區(qū)高速公路坡陡且長，安全事故頻發(fā)

山區(qū)高速公路由于地形、地貌、地質(zhì)條件等因素的限制，在一些特殊困難路段不得不采用連續(xù)長下坡。對行車安全存在巨大的隱患。連續(xù)長下坡路段往往是重大、特大惡性交通事故的多發(fā)段。國家督辦治理的全國29處公路危險(xiǎn)路段就有16處屬于連續(xù)長下坡路段，高達(dá)55%，高速公路連續(xù)長下坡路段的行車安全是一個(gè)急需解決的問題。

以下是北京、福建、云南等幾個(gè)省市的高速公路連續(xù)長下坡路段歷時(shí)近四個(gè)月事故實(shí)地調(diào)查結(jié)果。北京八達(dá)嶺高速路55 km至49 km路段長下坡且彎多、超載車輛多，平均坡度3.82%，1998年11月以來，發(fā)生事故170余起，死43人，傷111人，進(jìn)京方向發(fā)生死亡事故64起；福建漳龍高速公路88 km至74 km路段14 km連續(xù)長下坡，極限彎極限坡，平均坡度3.35%，2004年12月28日全線開通至2006年2月，該路段發(fā)生的制動失效事故47起，死亡15人，傷20人；云南元墨高速公路247 km至220 km路段27 km連續(xù)長下坡，彎多，超載車輛多，平均坡度3.95%，2004年3月至2006年4月，共發(fā)生制動失效的失控事故133起，死34人，傷56人；云南嵩待二級公路113 km至123 km路段為全封閉二級公路，10 km連續(xù)長下坡，坡底為收費(fèi)站，超載車輛多，平均坡度3.917%，2004年12月至06年3月，共發(fā)生事故22起，死4人；云南通建高速公路6 km至24 km路段為18 km連續(xù)長下坡，2004年11月26日通車至2005年4月底，共發(fā)生交通事故32起，造成11人死亡，15人受傷。

1.2 高速公路下坡將成為坡道發(fā)電的重要來源

我國的高速公路里程總量大、高速公路上的行車密度高，為發(fā)電系統(tǒng)的應(yīng)用提供了巨大的舞臺。截止2010年底，全國已有高速公路總里程6.5萬km2，道路車流密度折算日均通過2.5萬～5.5萬小汽車，是普通公路平均數(shù)的18.6倍，行車速度60～120 km/h，讓奔馳在高速公路上的汽車，成為人類新型電能的發(fā)電工具，具有巨大的經(jīng)濟(jì)效益和社會效益。

根據(jù)資料收集和實(shí)地調(diào)查結(jié)果顯示，國內(nèi)比較典型的連續(xù)長下坡路段坡度、坡長的線形指標(biāo)如表1所示。

從表1可以看出，國內(nèi)幾條典型的連續(xù)長下坡路段坡長一般超過4 km，平均坡度大于3%，是發(fā)電系統(tǒng)安裝的理想場地。

1.3 高速公路下坡發(fā)電系統(tǒng)的應(yīng)用具有重要意義

利用在高速公路下坡道路上行使的汽車進(jìn)行發(fā)電，所發(fā)電量屬于可重復(fù)利用的清潔能源，是能源的循環(huán)利用。既有效地利用了行使在高速公路下坡道路上的汽車的慣性力，又有效地利用了汽車的勢能，通過閉合線路磁通量的變化發(fā)電，為用電場所供電；

為確保行車安全，高速公路長大下坡的綜合治理措施有設(shè)置反坡路段、設(shè)置避險(xiǎn)車道、強(qiáng)制休息區(qū)（服務(wù)區(qū)、停車區(qū)）和完善的交通安全設(shè)施（設(shè)置護(hù)欄、設(shè)置緊急出口、設(shè)置交通標(biāo)志），而下坡行車發(fā)電系統(tǒng)在發(fā)電的同時(shí)還能更進(jìn)一步地提高下坡道路上汽車的行車安全性，增加汽車行車阻力。車載磁極受電磁力的作用，可增加行車下坡阻力，減少汽車剎車片的磨損磨耗。

高速公路的長大下坡是發(fā)電系統(tǒng)安裝使用的最佳場所，而在我國東北和西部的山區(qū)修建高速公路不可避免的要出現(xiàn)長大下坡，這些地方常規(guī)交通也不發(fā)達(dá)，冬季天氣寒冷，道路結(jié)冰，所發(fā)電能既可以反哺道路用于給路面加熱消除冰滑，又可以就近給交通不發(fā)達(dá)的村民提供電能。

2 系統(tǒng)工作原理

如圖1所示，在磁鐵的兩極之間，放置一個(gè)由導(dǎo)線組成的矩形回路abcda，其中導(dǎo)線ab可以滑動，當(dāng)導(dǎo)線ab向右移動時(shí)，電流計(jì)的指針將向一方向偏轉(zhuǎn)；如使導(dǎo)線ab向左移動，則電流計(jì)的指針將向與上述相反的方向偏轉(zhuǎn)。線圈中產(chǎn)生電流，可以保持線圈不動，使線圈中的磁場發(fā)生變化而引起，也可以是磁場不變，使線圈在磁場中運(yùn)動而引起。當(dāng)通過一個(gè)閉合導(dǎo)電回路所圍面積的磁通量發(fā)生變化時(shí)，不管這種變化是什么原因引起的，回路中就有電流產(chǎn)生。

基于以上原理，我們可以讓磁鐵的某一極向某一個(gè)方向（如右向）以速度作直線運(yùn)動，如圖2所示。

同時(shí)假定線圈ad、ab的長度為，磁鐵在速度方向的長度為H，則當(dāng)向右運(yùn)動的磁鐵由左向右運(yùn)動時(shí)，線圈內(nèi)的磁通變化情況及電勢變化情況如圖3及式（1）、（2）所示。

（1）

（2）

式中：Φ —通過閉合線圈的磁通量，韋伯；

N—閉合線圈的匝數(shù)，匝；

—閉合線圈在運(yùn)動磁極方向的長度，米；

B—磁感應(yīng)強(qiáng)度，特斯拉。

基于以上理念，本發(fā)明將磁鐵固定在運(yùn)行于高速公路上的汽車后橋上或用磁鐵制作汽車上某大型構(gòu)件，當(dāng)汽車下坡運(yùn)行時(shí)磁鐵隨車運(yùn)動，使嵌固于下坡路面內(nèi)的另一個(gè)磁極及閉合線圈產(chǎn)生感生電動勢，在回路中生產(chǎn)電流，圖4所示。

該系統(tǒng)的技術(shù)要點(diǎn)如下：

①在高速公路下坡沿線路面內(nèi)適當(dāng)位置嵌入磁極閉合電路，當(dāng)車載磁極隨行車下坡運(yùn)動時(shí)，線路內(nèi)變化的磁通引起電動勢，在線路內(nèi)形成電流，充分利用行車慣性動能，又能增加行車下坡的阻力；

②利用速度開關(guān)能夠保證行車超出設(shè)計(jì)時(shí)速時(shí)，切斷發(fā)電系統(tǒng)電路，保證發(fā)電系統(tǒng)安全；

③由整流器利用變速恒幅技術(shù)將發(fā)電系統(tǒng)發(fā)出的交流電整流成幅值確定的直流電；

④利用蓄電池將間歇運(yùn)行行車得到的電能集中起來，形成可以利用的電能。

3 模型制作

為模擬汽車在高速公路下坡上行使發(fā)電系統(tǒng)，在實(shí)驗(yàn)室制作了一個(gè)小型發(fā)電系統(tǒng)，該系統(tǒng)照片如圖5所示。該小型發(fā)電系統(tǒng)的下坡道路路面用3 cm×30 cm×200 cm的紅松木板代替，木板與水平面的夾角為15°，在木板的下端開11 cm×16 cm的穿透孔，在與穿透孔相應(yīng)位置木板的側(cè)立面安裝用于布置電燈的小木槽，電燈為四個(gè)LED小燈泡和兩個(gè)二極管串聯(lián)，磁鐵為2.5 cm×10 cm×15 cm普通磁鐵兩塊，線圈為細(xì)銅質(zhì)漆包線，繞成約10 cm×15 cm的矩形，300匝，小車用玩具車替代，將小車內(nèi)掏空，用鐵絲將一塊磁鐵固定于小車底部，將線圈和另一塊磁鐵內(nèi)嵌于木板上開好的槽內(nèi)并在底部用薄木板封底，槽內(nèi)磁鐵的上表面用薄木板覆蓋，薄木板的上表面與松木板找平，負(fù)載LED燈和二極管串入線路中，此一切準(zhǔn)備就緒后，可以開始試驗(yàn)。試驗(yàn)時(shí)，分別將小車從遠(yuǎn)離木板內(nèi)磁鐵60 cm、80 cm、100、120 cm、140 cm的位置沿木板縱向自由下滑，試驗(yàn)表明，小車從以上5個(gè)點(diǎn)向下滑，負(fù)載的四個(gè)LED燈和兩個(gè)二極管均能發(fā)光；當(dāng)小車距木板內(nèi)磁鐵的滑行距離小于60 cm時(shí)，小車滑行到板內(nèi)磁鐵處將由于磁力的作用而停止，可見，下坡行車發(fā)電系統(tǒng)可用，且有利于下坡行車安全。

4 結(jié)語

高速公路下坡行車發(fā)電系統(tǒng)于2011年獲得國家實(shí)用新型專利，該系統(tǒng)是一種利用高速公路下坡行車進(jìn)行發(fā)電的磁電發(fā)電系統(tǒng)方法，屬于可重復(fù)利用的清潔能源系統(tǒng)。其結(jié)構(gòu)包括車載磁極、路面嵌入磁極、路面嵌入閉合電路、整流器、逆變器、蓄電池。它采用多組內(nèi)嵌在路面內(nèi)的磁極及閉合電路，當(dāng)車載磁極隨行車下坡運(yùn)動時(shí)，閉合線路磁通發(fā)生變化而進(jìn)行群控發(fā)電技術(shù)。從試驗(yàn)?zāi)M系統(tǒng)看，其發(fā)電效益高、效果好。該系統(tǒng)坡道資源豐富，它的進(jìn)一步研究開發(fā)和推廣，將有利于更進(jìn)一步地增加汽車行車阻力，減少汽車剎車片的磨損磨耗，提高下坡道路上汽車的行車安全性，冬季給路面加熱消除冰滑，又可以就近給交通不發(fā)達(dá)的村民提供電能，緩解國家能源供應(yīng)緊張的局面。

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