城市快速路噪聲發(fā)電隔聲墻

胡明浩 劉洋 董斌鑫 孫少錚 梁垚

摘 要：城市中車流量的增加帶來了道路上噪聲的巨增。指示牌、測速儀。紅綠燈等道路輔助設(shè)備對(duì)于電量的要求比較低，噪聲產(chǎn)生的電能可以為此類設(shè)備進(jìn)行供電?？陀^上，噪聲產(chǎn)生的電能隨車流量的影響較大，所以借助風(fēng)能、太陽能輔助供電。我們要以噪聲發(fā)電為主體，建設(shè)現(xiàn)代城市道路綜合發(fā)電系統(tǒng)。

關(guān)鍵詞：噪聲發(fā)電；隔音墻；城市快速路

隨著社會(huì)的繁雜，越來越離不開能源。中國傳動(dòng)的燒煤供能帶來了嚴(yán)重的大氣污染，開發(fā)新能源，特別是以風(fēng)能、太陽能、溫差能為代表的可再生能源成為重要的研究課題。噪聲作為一種機(jī)械波，蘊(yùn)含著可被人們所利用的能源。

1 現(xiàn)狀分析

據(jù)統(tǒng)計(jì)據(jù)統(tǒng)計(jì)鄭州市7個(gè)中心城區(qū)晝間道路交通噪音等效聲級(jí)加權(quán)平均值69.4dB為道路交通噪聲強(qiáng)度等級(jí)為二級(jí)。干道晝間等效聲級(jí)最高值為77.7dB。由此可見噪音對(duì)我們生活有很大影響。可以發(fā)現(xiàn)當(dāng)噪聲沖擊隔音屏?xí)r，會(huì)讓隔音屏產(chǎn)生輕微的振動(dòng)，并產(chǎn)生危害性更大的次聲波，最后能夠轉(zhuǎn)化為動(dòng)能。這種動(dòng)能可以推動(dòng)后續(xù)的電機(jī)運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生電能。噪聲的發(fā)電裝置可以與隔音屏連接在一起，更好的收集噪音能，為道路的基本的LED指示燈供電。

2 隔音墻方案設(shè)計(jì)

2.1 機(jī)械部分

傳統(tǒng)的公路聲屏障其由金屬百葉或者金屬篩網(wǎng)孔構(gòu)成，大多數(shù)的聲屏障都選用吸聲和隔聲混合型，對(duì)道路噪聲的產(chǎn)生和傳遞特征有針對(duì)性地控制，如汽車與道路摩擦聲或機(jī)車與軌道摩擦聲在道路下部，聲音有通過屏體上部繞射的特征，所以在設(shè)計(jì)上采用上下吸聲，中間隔聲的結(jié)構(gòu)，這樣可以有效地減弱噪聲的繞射；聲屏障的中間使用透明的反射型隔聲板，能有效地中斷聲波的傳播途徑；同時(shí)也為司機(jī)和居民提供一個(gè)開闊的視野環(huán)境。

2.1.1 噪音發(fā)電部分

聲音發(fā)電有電磁式和壓電式兩種。電磁式基于法拉第電磁感應(yīng)原理，噪聲帶動(dòng)導(dǎo)體線圈運(yùn)動(dòng)切割磁感線，產(chǎn)生感應(yīng)電流。壓電式基于壓電材料，當(dāng)噪聲壓力導(dǎo)致壓電材料發(fā)生形變時(shí)，材料兩極會(huì)產(chǎn)生電勢差。壓電轉(zhuǎn)換的優(yōu)點(diǎn)在于結(jié)構(gòu)簡單、無電磁干擾、加工制作容易，同時(shí)占用面積小、集成化程度高。綜合來看，壓電式能量收集選用壓電多晶陶瓷材料。該設(shè)計(jì)從技術(shù)上可以實(shí)現(xiàn)噪聲能量的收集、轉(zhuǎn)化、利用功能。缺點(diǎn)在于轉(zhuǎn)換效率低，對(duì)于強(qiáng)度較低的噪聲能量收集能力較低。所以，在壓電陶瓷發(fā)電片外需要將能量放大，同時(shí)又不能將聲音擴(kuò)散出去，所以采用亥姆霍茲共鳴腔結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)將環(huán)境噪聲收集。

2.1.2 風(fēng)力發(fā)電部分

本設(shè)計(jì)采用圓筒形風(fēng)力發(fā)電裝置，裝置上下有兩個(gè)風(fēng)力發(fā)電機(jī)，中間由帶有燃?xì)廨啓C(jī)渦輪降低三套發(fā)電裝置連接同一套蓄形葉片運(yùn)動(dòng)進(jìn)而切割磁感線進(jìn)行發(fā)電，公路上汽車產(chǎn)生的風(fēng)主要分布在車身高度位置，所以我們將風(fēng)力發(fā)電裝置布置在離地一米左右的位置，最大可能地收集風(fēng)能。并且考慮到隔音屏障的實(shí)用性，風(fēng)力發(fā)電裝置間隔稍大，中間采透明板材連接，防止阻礙司機(jī)的視線以及阻止噪音的通過。

2.1.3 太陽能發(fā)電部分

利用太陽能發(fā)電有兩大類型，一類是太陽光發(fā)電（亦稱太陽能光發(fā)電），另一類是太陽熱發(fā)電（亦稱太陽能熱發(fā)電）。光伏發(fā)電是利用太陽能級(jí)半導(dǎo)體電子器件有效地吸收太陽光輻射能，并使之轉(zhuǎn)變成電能的直接發(fā)電方式，是當(dāng)今太陽光發(fā)電的主流，我們就采用普通的光伏太陽能發(fā)電板，降低成本。將太陽能電池板安裝于隔音帶的上方，合理傾斜一定角度，同時(shí)還可為下方的噪音發(fā)電、風(fēng)力發(fā)電裝置“遮風(fēng)擋雨”，還可將電子電路做在電池板的下方，方便固定同時(shí)起到保護(hù)作用。

2.2 控制部分

系統(tǒng)工作原理采用太陽能發(fā)電、壓電式發(fā)電、電磁切割式發(fā)電等產(chǎn)生的電能通常是毫安、毫伏級(jí)的，我們要做的就是對(duì)這種電能進(jìn)行存儲(chǔ)，該方案可在不借助外部電源對(duì)系統(tǒng)供電的前提下，將這種微弱電能兩級(jí)增強(qiáng)放大后通過調(diào)制電路使系統(tǒng)輸出端達(dá)到4.2V、355mA穩(wěn)定的電能，實(shí)現(xiàn)向蓄電池充電。系統(tǒng)由輸入端輸入微弱電能，利用儲(chǔ)能電感儲(chǔ)能密度大的特點(diǎn)，可使電流強(qiáng)度迅速提高10倍以上，電能也隨之增加，完成第一階段的中間儲(chǔ)能；利用超級(jí)電容高功率密度的特性，將儲(chǔ)能線圈放出的電能暫時(shí)存儲(chǔ)在超級(jí)電容組，進(jìn)行電能逐步積聚，完成第二階段中間，儲(chǔ)存在電容里，當(dāng)電容的電能達(dá)到一定值時(shí)，采用PWM調(diào)制電路對(duì)電容進(jìn)行電能穩(wěn)定釋放，最后進(jìn)通過充電電路將電能最終存儲(chǔ)在蓄電池中。

2.3 電能質(zhì)量監(jiān)控

基于物聯(lián)網(wǎng)的電能質(zhì)量監(jiān)測系統(tǒng)，實(shí)時(shí)采集微電網(wǎng)運(yùn)行數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)微電網(wǎng)內(nèi)設(shè)備狀態(tài)和電能質(zhì)量實(shí)時(shí)監(jiān)控，異常數(shù)據(jù)現(xiàn)地決策。通過網(wǎng)頁和移動(dòng)APP，可以實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互的功能。網(wǎng)頁方面，接收Web服務(wù)器的數(shù)據(jù)，將發(fā)電的實(shí)時(shí)信息顯示在網(wǎng)頁上，并要將電壓信息用曲線圖的方式實(shí)時(shí)畫在網(wǎng)頁上。使用Android客戶端把服務(wù)器電壓、電流等微電網(wǎng)信息即時(shí)進(jìn)行顯示，出現(xiàn)問題即可進(jìn)行及時(shí)警報(bào)。

3 方案評(píng)價(jià)

將城市交通中的噪聲污染消除，并進(jìn)行轉(zhuǎn)化，使其變廢為寶，用于交通基礎(chǔ)設(shè)施的供電，有利于建設(shè)智慧城市；將多種自然界的能量匯集在一起，形成綜合發(fā)電體系。傳統(tǒng)的發(fā)電裝置基本是單獨(dú)一種能源，會(huì)因?yàn)椴煌瑫r(shí)間、不同地點(diǎn)的差異而影響整體的發(fā)電效果。本設(shè)計(jì)綜合了各種清潔能源的優(yōu)點(diǎn)，將能源產(chǎn)生時(shí)間，地點(diǎn)進(jìn)行互補(bǔ)，確保確保交通用電的穩(wěn)定。

參考文獻(xiàn)

[1]韓旭.淺析噪聲發(fā)電[J].應(yīng)用能源技術(shù)，2014（5）14-16.

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