新型風(fēng)能發(fā)電柵欄供電系統(tǒng)

張立翔 夏倩 邱漢林 鄭元豪 占宇航

摘 要：柵欄作為一種常見(jiàn)的道路分隔標(biāo)志，起到了分隔道路的作用。道路風(fēng)能為馬路上飛馳而過(guò)的車流帶來(lái)的壓強(qiáng)差。依據(jù)上海風(fēng)力發(fā)電設(shè)備有限公司的CFD模擬數(shù)據(jù)，垂直風(fēng)機(jī)的風(fēng)能利用率不低于水平軸。立式發(fā)電機(jī)解決了水平風(fēng)機(jī)風(fēng)向變化造成的“風(fēng)損”。另外，立式風(fēng)力機(jī)可以接受來(lái)自各個(gè)方向的風(fēng)，沒(méi)有必要進(jìn)行各個(gè)方向的調(diào)節(jié)，對(duì)機(jī)械結(jié)構(gòu)進(jìn)行了極大地簡(jiǎn)化。這樣，柵欄與風(fēng)能的結(jié)合應(yīng)運(yùn)而生。

關(guān)鍵詞：風(fēng)速;垂直式;風(fēng)力發(fā)電;柵欄

1 緒論

目前，市面上所有的各種風(fēng)力發(fā)電機(jī)發(fā)電的動(dòng)力來(lái)源都是自然風(fēng)，所以安裝發(fā)電機(jī)的選址都要選在風(fēng)速大的地方，并且現(xiàn)有的風(fēng)力發(fā)電需要大量土地新建風(fēng)力發(fā)電廠，才可以生產(chǎn)比較多的能源。而且由于風(fēng)的不穩(wěn)定性，所以發(fā)電量也不穩(wěn)定。現(xiàn)有的風(fēng)力發(fā)電機(jī)還影響到了生態(tài)環(huán)境，風(fēng)機(jī)在運(yùn)轉(zhuǎn)的過(guò)程中葉片的速度非常快，很容易撞到鳥類，而且風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)產(chǎn)生的噪音也非常大。而這種多功能柵欄中的垂直風(fēng)力發(fā)電機(jī)是將車的動(dòng)能過(guò)程中產(chǎn)生的風(fēng)能加以利用，所以柵欄中的發(fā)電機(jī)不僅能用自然風(fēng)也可以利用汽車帶來(lái)的氣流，這就優(yōu)于目前所出現(xiàn)的風(fēng)力發(fā)電機(jī)。而柵欄上安裝的垂直發(fā)電機(jī)占用空間小，也不會(huì)產(chǎn)生很大的噪音，對(duì)各種動(dòng)物都沒(méi)有危害，所以對(duì)生態(tài)環(huán)境沒(méi)有什么影響，這也優(yōu)于目前的風(fēng)力發(fā)電機(jī)。

現(xiàn)存柵欄主要用途：

（1）阻攔功能。柵欄要有一個(gè)規(guī)范值的高度，一定規(guī)范值在垂直柵欄上的排列密度，還要應(yīng)當(dāng)有抵抗一定破壞的強(qiáng)度。

（2）美觀功能。因?yàn)闁艡谟胁煌男螤羁梢泽w現(xiàn)不同的姿態(tài)，還有不同的材料、大小等，都可打造出不同的柵欄來(lái)起到一定的美觀作用。

（3）警示功能。通過(guò)安裝，柵欄上的輪廓要簡(jiǎn)潔明了，并提醒駕駛員注意柵欄的存在，注意行人和非機(jī)動(dòng)車，防止交通事故的發(fā)生。

（4）分隔功能。道路柵欄將機(jī)動(dòng)車、非機(jī)動(dòng)車和行人的交通分隔開來(lái)，并在路段上縱向分隔道路，使機(jī)動(dòng)車、非機(jī)動(dòng)車和行人能夠分道行駛，提高了道路交通安全，改善了交通秩序。

目前市面上的柵欄就是阻隔、分隔、警示、美觀這四個(gè)功能，公路上的柵欄阻隔機(jī)動(dòng)車與非機(jī)動(dòng)車道的區(qū)域，限制車輛的胡亂行駛，讓行車更有規(guī)律，使得交通更加的順暢和安全。柵欄不僅有阻隔和限制的功能，風(fēng)能發(fā)電柵欄系統(tǒng)上加裝了風(fēng)力發(fā)電機(jī)，使得柵欄有了發(fā)電功能。發(fā)電機(jī)獲得的電能也有許多的用途，例如路燈供電，并且設(shè)置了充電樁，充電樁可以給各種電動(dòng)車輛充電。

2 新型風(fēng)能發(fā)電柵欄設(shè)計(jì)

一種具有風(fēng)力充電功能的交通柵欄由供電、電路和用電三大模塊組成。所述的供電模塊主要是指在在柵欄上所加裝得小型垂直風(fēng)力發(fā)電機(jī)。所述的電路模塊主要是指穩(wěn)壓器。同時(shí)將多個(gè)垂直發(fā)電機(jī)和穩(wěn)壓器通過(guò)并聯(lián)進(jìn)行連接，穩(wěn)壓器可以將不連續(xù)的電力以及風(fēng)力發(fā)電機(jī)傳來(lái)的相似的直流電變成較為穩(wěn)定的交流電，然后存儲(chǔ)在與柵欄相匹配的供電模塊中的電池內(nèi)。所述的供電模塊主要是指需要在柵欄旁設(shè)置為各種電動(dòng)車輛供能的充電柱。當(dāng)有電動(dòng)車輛需要充電時(shí)供電模塊就將其儲(chǔ)存下來(lái)的電能釋放出來(lái)。另外，供電柱儲(chǔ)存起來(lái)的電能還可以為路面上的路燈供電。

2.1 產(chǎn)品組成構(gòu)件

其結(jié)構(gòu)主要由欄桿、攔柱（空心金屬柱）、風(fēng)力發(fā)電機(jī)（帶扇葉嵌于空心金屬柱）按柵欄形態(tài)組合而成。立柱式（高速及兩旁）：立柱間距400cm，其中穿插6（5—7）個(gè)扇葉;柵欄最高處為150cm（150—160）;扇葉長(zhǎng)度100cm（90—110），直徑35cm（35—40）;扇葉材料高強(qiáng)度塑料或鋁合金;上間距10cm;下間距25—30cm（放發(fā)電機(jī)）;空心金屬柱20×15cm，厚3—4mm;材料：鋁合金或不銹鋼。

2.2 設(shè)計(jì)原理

根據(jù)上海風(fēng)力發(fā)電設(shè)備有限公司的CFD模擬數(shù)據(jù)，垂直風(fēng)機(jī)的風(fēng)能利用率不低于水平軸。國(guó)外一些機(jī)構(gòu)通過(guò)試驗(yàn)證明風(fēng)力機(jī)的垂直利用率比40%以上。而且，在實(shí)際環(huán)境中，風(fēng)向經(jīng)常發(fā)生變化，水平風(fēng)機(jī)的迎風(fēng)側(cè)不能始終迎風(fēng)，這將導(dǎo)致“風(fēng)損”，而立式風(fēng)機(jī)則不存在這一問(wèn)題。因此，在考慮風(fēng)能損失后，立式風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的風(fēng)能利用率可以超過(guò)臥式風(fēng)力發(fā)電機(jī)組。另外，立式風(fēng)力機(jī)無(wú)需方向調(diào)節(jié)裝置，就可以接受來(lái)自各個(gè)方向的風(fēng)，大大簡(jiǎn)化了機(jī)械結(jié)構(gòu)。同時(shí)，使外觀更加簡(jiǎn)潔、輕盈。立式發(fā)電機(jī)可安裝在風(fēng)輪下部或地面上，便于安裝、日常維護(hù)和維修。當(dāng)汽車通過(guò)柵欄上風(fēng)力發(fā)電機(jī)的兩側(cè)時(shí)，即可產(chǎn)生兩側(cè)相反的分?jǐn)?shù)，這樣可以大大提高垂直風(fēng)力發(fā)電機(jī)的利用率從而為供電模塊提供更多的電能。

2.3 使用模式

（1）每400cm加設(shè)扇葉，在車流量于風(fēng)速組合35.5m/s峰值區(qū)間內(nèi)相差不大處設(shè)該系統(tǒng)。

（2）全天全路段范圍工作，將風(fēng)力發(fā)電機(jī)的產(chǎn)電合理儲(chǔ)存、釋放。

2.4 設(shè)計(jì)圖

3 新型風(fēng)能發(fā)電技術(shù)

3.1 技術(shù)方案

本供電系統(tǒng)通過(guò)汽車經(jīng)過(guò)欄桿，和帶動(dòng)欄桿上風(fēng)力發(fā)電機(jī)發(fā)電，欄桿上的發(fā)電機(jī)由串聯(lián)組成，并將電通過(guò)穩(wěn)壓器儲(chǔ)存到我們的蓄電池中，再由我們的蓄電池傳輸給穩(wěn)壓器，再有穩(wěn)壓器將儲(chǔ)存的電源分配給路燈以及充電柱等供電單元，至此完成整套，系統(tǒng)流程。

3.2 特點(diǎn)

（1）清潔，環(huán)境效益好。該系統(tǒng)通過(guò)垂直式風(fēng)力發(fā)電機(jī)，形成持續(xù)電流，最終匯總到若干個(gè)變壓儲(chǔ)蓄站，以供給路燈等公用設(shè)備以及民用充電站點(diǎn)，全程幾乎為零的損耗，并且沒(méi)有污染物的排放。

（2）可再生，永不枯竭。通過(guò)該系統(tǒng)的長(zhǎng)時(shí)間維護(hù)，預(yù)計(jì)會(huì)有幾十年的時(shí)間通過(guò)該系統(tǒng)產(chǎn)生大量的電能，并且會(huì)根據(jù)不同的風(fēng)速（以車流風(fēng)速為主）。

（3）基建周期短。該柵欄系統(tǒng)中欄桿、攔柱預(yù)制的生產(chǎn)周期較為短，占用征地時(shí)間短，體系構(gòu)造完成時(shí)間短。

（4）裝機(jī)規(guī)模靈活。該柵欄系統(tǒng)完全為預(yù)制欄桿、攔柱、風(fēng)力發(fā)電機(jī)等幾個(gè)模塊，其組裝搭建的時(shí)間極端，完全不影響道路的正常通行。

（5）適用性。通過(guò)風(fēng)力發(fā)電和交通系統(tǒng)的有效組合，不僅極大地提高了電力生產(chǎn)效率與生產(chǎn)質(zhì)量，還極大地方便了機(jī)動(dòng)的用電，實(shí)現(xiàn)綠色環(huán)保的交通機(jī)制。

3.3 功能

除柵欄應(yīng)有的美觀、阻攔、警示分隔功能外，該系統(tǒng)可以通過(guò)柵欄在極限車流風(fēng)速左右排布，極大地提高了風(fēng)力發(fā)電效率，可有效地為道路設(shè)施供電（主要為柵欄），還可以通過(guò)該系統(tǒng)的產(chǎn)電儲(chǔ)備能量，以供流動(dòng)用電單位使用。

4 新型風(fēng)能發(fā)電柵欄效益

能源是人類社會(huì)生存和發(fā)展的重要物質(zhì)基礎(chǔ)。隨著世界經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展，能源消耗也日益增加，環(huán)境問(wèn)題逐漸成為輿論關(guān)注的焦點(diǎn)。風(fēng)能作為一種清潔、綠色的可再生能源，越來(lái)越受到各國(guó)的重視，風(fēng)力發(fā)電機(jī)組得到了迅速發(fā)展。其中一個(gè)原因是結(jié)構(gòu)不合理、效率低，因此設(shè)計(jì)一種高效的垂直軸風(fēng)力機(jī)迫在眉睫。

（1）國(guó)家政策效益?！笆濉逼陂g，風(fēng)電發(fā)展仍傾向于南北線發(fā)展。整個(gè)“十三五”期間，三北地區(qū)向中部和東南部地區(qū)的風(fēng)電發(fā)展基本上是一半或六到四個(gè)，沒(méi)有顯著差異?！笆濉逼陂g，“三北”工程依托特高壓配套工程和綜合能源基地工程，形成規(guī)模效益。

（2）能源價(jià)格差效益。該新型風(fēng)能發(fā)電系統(tǒng)的運(yùn)用，可以形成后期零成本（不包含維護(hù)）循環(huán)盈利，從電能的獲取到利用，取代普通的大規(guī)?；鹆ιa(chǎn)電，就可以以純利潤(rùn)的形態(tài)儲(chǔ)蓄并投放到對(duì)應(yīng)市場(chǎng)。

（3）“柵欄”效益?？梢酝耆〈缆窎艡诘纳a(chǎn)商，將我們的風(fēng)力發(fā)電作為“芯片”，將柵欄的零部件生產(chǎn)以及整體組裝效益最大化。

（4）生態(tài)效益。該新型發(fā)電柵欄系統(tǒng)零損耗、無(wú)污染、無(wú)噪音，真正做到了用綠色的方法生產(chǎn)綠色。

5 結(jié)語(yǔ)

在不久的將來(lái)，柵欄上的風(fēng)力發(fā)電將由風(fēng)力發(fā)電驅(qū)動(dòng)，不會(huì)造成任何污染。未來(lái)，柵欄上的風(fēng)力發(fā)電將由多臺(tái)風(fēng)力發(fā)電機(jī)驅(qū)動(dòng)多功能柵欄將風(fēng)力發(fā)電與高速公路柵欄結(jié)合起來(lái)，使柵欄具有新的作用。風(fēng)力發(fā)電裝置不占用其他用地，沿途將安裝充電樁，行人的手機(jī)或電動(dòng)車可以充電。這使得普通的柵欄起到了越來(lái)越重要的作用，人們用電越來(lái)越多，因此需要風(fēng)能作為一種清潔的可再生能源。多功能柵欄的設(shè)計(jì)使柵欄發(fā)揮了最大的作用，為人類提供了更多的能源。電作為人類的基本需求，已經(jīng)與人類生活密不可分。多功能柵欄將生活中普通柵欄和風(fēng)力發(fā)電結(jié)合起來(lái)，使風(fēng)力發(fā)電更加普及，使柵欄具有更多的功能。

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作者簡(jiǎn)介：張立翔（2000— ），男，漢族，河北邢臺(tái)人，本科，研究方向：風(fēng)能發(fā)電與道路柵欄結(jié)合科技。