公路隧道風(fēng)能利用初探

高曉培

摘? ? 要：隨著傳統(tǒng)化石能源的日漸枯竭，人們逐漸將目光轉(zhuǎn)移到以風(fēng)能等可再生能源為主的能源利用結(jié)構(gòu)上來。它們相比傳統(tǒng)能源，具備清潔、廉價、可持續(xù)等優(yōu)點。目前，可再生能源在各種公共基礎(chǔ)設(shè)施中已經(jīng)得到大量應(yīng)用。本文將對包含太陽能電池板、小型風(fēng)力發(fā)電機、儲能電池和路燈這四種設(shè)備的微型電力系統(tǒng)進行建模分析，獲得其運行狀況，評估將風(fēng)能應(yīng)用于道路路燈系統(tǒng)的可行性。

關(guān)鍵詞：風(fēng)能;微型電力系統(tǒng);仿真分析

1? 引言

在能源結(jié)構(gòu)重心逐步向清潔能源轉(zhuǎn)移的過程中，我國大量的公共基礎(chǔ)設(shè)施成為了新能源的首批探索者與使用者，一方面，這有助于獲得經(jīng)驗，促進技術(shù)進步，另一方面，也對廣大居民用戶作出了表率，號召大家使用清潔能源。高速公路作為基礎(chǔ)設(shè)施的重要組成部分，已經(jīng)成為使用可再生能源的先行者。探討風(fēng)能在高速公路機電系統(tǒng)供電中的應(yīng)用，作為公路正常供電部分的有益補充，有著積極的技術(shù)和經(jīng)濟意義。

2? 風(fēng)能道路照明系統(tǒng)的理論建模

傳統(tǒng)的道路照明系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，通過鋪設(shè)電纜，使用傳統(tǒng)電網(wǎng)中電能對路燈供電，其運行狀態(tài)較為簡單，當(dāng)電源開關(guān)打開時，路燈從電纜獲取電能，電源開關(guān)關(guān)閉時，整條線路斷開，而架設(shè)電纜、燈具的費用加上電網(wǎng)電費，使得傳統(tǒng)路燈的使用成本居高不下，且維護費時費力。為了解決這些問題，我們可以引入風(fēng)能和太陽能為照明燈具供電，這樣路燈系統(tǒng)既不依賴外界電網(wǎng)，也無需鋪設(shè)電纜，就能實現(xiàn)自持運行，從而使得運營成本大幅下降。據(jù)此可知，該照明系統(tǒng)主要包括四個模塊，分別是太陽能電池板、風(fēng)力發(fā)電機、儲能電池和燈具。假設(shè)全天24h中，白天日照持續(xù)時間為6：00至18：00，而路燈一般工作時間為18：00至次日6：00。由于太陽能電池板只能在白天接受日光產(chǎn)生電能，而路燈只需在晚上打開照明，因此其發(fā)電時間段內(nèi)無需直接將電能供給路燈使用，需要先將其產(chǎn)生電能充入蓄電池。風(fēng)力發(fā)電機的工作時間不受日照時間限制，僅受區(qū)域風(fēng)力作用時間影響，因此其可以在全天任意時段工作，其產(chǎn)生的電能既可以存入蓄電池中，也可以直接供給路燈使用。蓄電池接受來自風(fēng)力發(fā)電機和太陽能電池板的產(chǎn)生的電能，并在合適的時間段對電燈進行供電。在不考慮運營期設(shè)備折舊和運行損耗的情況下，該系統(tǒng)的建設(shè)期投資成本即為項目的總成本。顯然，總成本由蓄電池、太陽能電池板、風(fēng)力發(fā)電機、燈具決定，不妨認為太陽能電池板和風(fēng)力發(fā)電機的成本與其各自輸出功率呈正比關(guān)系，而蓄電池的成本則與它能存儲的電量呈正比關(guān)系，即太陽能電池板和風(fēng)力發(fā)電機的最大輸出功率越大，其對應(yīng)的設(shè)備造價就越高，蓄電池的工作容量越大，其對應(yīng)造價也越高。

3? 隧道中風(fēng)力發(fā)電可行性分析

由于公路隧道中要安裝照明燈具、通風(fēng)、消防設(shè)備以及標(biāo)志、標(biāo)牌等其他附屬設(shè)施，所以安裝風(fēng)力發(fā)電機，選擇隧道兩側(cè)邊墻的空間作為安裝部位較為合適。公路隧道有足夠的空間安裝風(fēng)力發(fā)電機，且不影響車輛的運行和隧道的通風(fēng)。以隧道三心圓斷面為例，擬定風(fēng)力發(fā)電機布局方案?？紤]臺階的寬度大約為0.8m，為了不影響車輛的正常通行要保證風(fēng)輪外緣不超出臺階邊界，所以選取風(fēng)輪的回轉(zhuǎn)半徑為0.4m。與此同時為了充分利用隧道中的風(fēng)能，采用梅花形布局，每個斷面可布4個～6個回轉(zhuǎn)半徑為0.4m的風(fēng)力發(fā)電機，每個風(fēng)力發(fā)電機的受風(fēng)面積：

S=πR2=3.14×0.4×0.4m2=0.5024m2

通過查閱資料和分析，風(fēng)能計算公式為：

P=1/2ρsv3

式中：

ρ——空氣密度;

s——截面面積;

v——風(fēng)速。

這里取偏小轉(zhuǎn)換系Cp=0.3。因目前有關(guān)小型風(fēng)力發(fā)電機的發(fā)電功率計算，還沒引起普遍關(guān)注，缺少相關(guān)資料。本文的計算是按中大型風(fēng)力發(fā)電機的理論計算的，存在計算誤差;小型風(fēng)力發(fā)電機的發(fā)電功率還需以試驗數(shù)據(jù)為準(zhǔn)，這也是下一步研究的重點方向。根據(jù)上述風(fēng)扇回轉(zhuǎn)半徑及布局方案，得到不同位置平均功率。初步計算可得，隧道入口段每臺風(fēng)力發(fā)電機平均功率P入=5.9238W，洞身段平均功率P中=1.0812W，出口段平均功率P出=3.9712W（因時間較短，只采集數(shù)據(jù)點為入口、中部和出口。此數(shù)據(jù)并不完善，僅用于前期的初步估算。若需更準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)，則需要按風(fēng)扇布局位置，逐點采集風(fēng)速）。

對數(shù)據(jù)進行分析和計算。用統(tǒng)計分析軟件Minitab對功率與位置之間關(guān)系進行分析。并使用TuKey法對信息進行分組，不共享字母的均值之間具有顯著差異。Tukey95%整體置信區(qū)間位置，水平間的所有配對比較。單組置信水平=98.06%，表示均值的概率分析有98.06%的可信度，說明這個均值可用。

隧道出、入口50m范圍內(nèi)，每組風(fēng)力發(fā)電機的縱向間距取12.5m，隧道洞身段縱向間距取25m，可得隧道入口、洞身、出口段能安裝的風(fēng)力發(fā)電機個數(shù)n1、n2、n3分別為42、508、42。計算隧道內(nèi)單位時間產(chǎn)生的總功率P=n1P入+n2P中+n3P出=964.8W，其中n1、n2、n3分別代表隧道入口、中間、出口處所安裝風(fēng)力發(fā)電機的數(shù)目。一天內(nèi)風(fēng)力發(fā)電機能產(chǎn)生的總能量Q=PT=83362141.4J，額定功率為10W的LED燈在額定工作環(huán)境下一天所消耗的電能為Qa=864000J，可計算出風(fēng)力發(fā)電機所產(chǎn)生的電能可供額定功率為10W LED燈的工作時長。綜合以上分析結(jié)果，我們初步得出隧道風(fēng)能有一定的利用價值。

[N=QQa=83362141.4J864000J≈96]

4? 應(yīng)用前景

在能源緊缺的形勢下，利用風(fēng)能發(fā)電已經(jīng)逐漸成為代替能源方式的其中一種。而隧道因車輛運動產(chǎn)生活塞效應(yīng)，其風(fēng)力相對外界大很多，由我們實際采集的數(shù)據(jù)以及對數(shù)據(jù)進行的分析可以明顯看出利用隧道風(fēng)力發(fā)電可節(jié)省的電能也十分的可觀。根據(jù)交通運輸部綜合規(guī)劃司發(fā)布的交通運輸行業(yè)發(fā)展統(tǒng)計公報，我國已經(jīng)是世界上公路隧道最多、發(fā)展最快的國家，近十年來，公路隧道年均增長率達24%，公路隧道的重要性日益凸現(xiàn)。截止2018年底，全國公路隧道為17738處，全長達到1723.61萬米。按計算模型進行能量的初步計算，能量較為可觀。并且我國地形復(fù)雜，在偏遠山區(qū)修建隧道保證道路暢通已實屬不易，安裝電力系統(tǒng)則更加困難。但往往這些地區(qū)的風(fēng)力要大于城市，利用風(fēng)能既可以節(jié)約資源，又可以降低隧道運維成本，所以此項研究有十分可觀的發(fā)展前景。

5? 結(jié)束語

綜上所述，本文通過對包含風(fēng)能和太陽能的照明系統(tǒng)進行建模，分析其運行狀況，可以得出結(jié)論，該系統(tǒng)可以不借助外界電能實現(xiàn)自持運行，從而大幅降低照明系統(tǒng)的運維成本。這種風(fēng)、光互補的供電方式主要特點就是它的能源全部來自光能和風(fēng)能，無需傳統(tǒng)繁雜的布線，并且系統(tǒng)無污染、維護簡便、使用壽命長、能源豐富[3]。隨著新能源技術(shù)的快速發(fā)展，國家的可再生能源正在快速崛起，但是太陽能和風(fēng)能利用的直接成本高，因此筆者認為國家應(yīng)加大扶持力度。在地形方面應(yīng)做好選擇，應(yīng)選擇比較空曠且風(fēng)能豐富的地方，可以達到快速的用電需要。

參考文獻：

[1] 王繼芳.太陽能風(fēng)能綜合發(fā)電系統(tǒng)在高速公路中的應(yīng)用[J].山西建筑，2017（21）：159～160.

[2]曹建宏，鐘銘，朱岸生.太陽能風(fēng)能在高速公路上的應(yīng)用[C].2017中國科協(xié)年會，2006.

[3] 曾盛.高速公路太陽能供電和風(fēng)力供電技術(shù)應(yīng)用[J].交通科技與經(jīng)濟，2017（4）：54～56.

[4] 田盟剛.太陽能風(fēng)能在陜甘界至寶雞高速公路中的應(yīng)用[J].中國交通信息化，2017（9）：129.