張立翔 夏倩 邱漢林 鄭元豪 占宇航

摘 要：柵欄作為一種常見的道路分隔標志，起到了分隔道路的作用。道路風能為馬路上飛馳而過的車流帶來的壓強差。依據(jù)上海風力發(fā)電設(shè)備有限公司的CFD模擬數(shù)據(jù)，垂直風機的風能利用率不低于水平軸。立式發(fā)電機解決了水平風機風向變化造成的“風損”。另外，立式風力機可以接受來自各個方向的風，沒有必要進行各個方向的調(diào)節(jié)，對機械結(jié)構(gòu)進行了極大地簡化。這樣，柵欄與風能的結(jié)合應(yīng)運而生。

關(guān)鍵詞：風速;垂直式;風力發(fā)電;柵欄

1 緒論

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

現(xiàn)存柵欄主要用途：

（1）阻攔功能。柵欄要有一個規(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)當有抵抗一定破壞的強度。

（2）美觀功能。因為柵欄有不同的形狀可以體現(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起到一定的美觀作用。

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

（4）分隔功能。道路柵欄將機動車、非機動車和行人的交通分隔開來，并在路段上縱向分隔道路，使機動車、非機動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、美觀這四個功能，公路上的柵欄阻隔機動車與非機動車道的區(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，風能發(fā)電柵欄系統(tǒng)上加裝了風力發(fā)電機，使得柵欄有了發(fā)電功能。發(fā)電機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車輛充電。

2 新型風能發(fā)電柵欄設(shè)計

一種具有風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力發(fā)電機。所述的電路模塊主要是指穩(wěn)壓器。同時將多個垂直發(fā)電機和穩(wěn)壓器通過并聯(lián)進行連接，穩(wěn)壓器可以將不連續(xù)的電力以及風力發(fā)電機傳來的相似的直流電變成較為穩(wěn)定的交流電，然后存儲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)置為各種電動車輛供能的充電柱。當有電動車輛需要充電時供電模塊就將其儲存下來的電能釋放出來。另外，供電柱儲存起來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）、風力發(fā)電機（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）個扇葉;柵欄最高處為150cm（150—160）;扇葉長度100cm（90—110），直徑35cm（35—40）;扇葉材料高強度塑料或鋁合金;上間距10cm;下間距25—30cm（放發(fā)電機）;空心金屬柱20×15cm，厚3—4mm;材料：鋁合金或不銹鋼。

2.2 設(shè)計原理

根據(jù)上海風力發(fā)電設(shè)備有限公司的CFD模擬數(shù)據(jù)，垂直風機的風能利用率不低于水平軸。國外一些機構(gòu)通過試驗證明風力機的垂直利用率比40%以上。而且，在實際環(huán)境中，風向經(jīng)常發(fā)生變化，水平風機的迎風側(cè)不能始終迎風，這將導(dǎo)致“風損”，而立式風機則不存在這一問題。因此，在考慮風能損失后，立式風力發(fā)電機組的風能利用率可以超過臥式風力發(fā)電機組。另外，立式風力機無需方向調(diào)節(jié)裝置，就可以接受來自各個方向的風，大大簡化了機械結(jié)構(gòu)。同時，使外觀更加簡潔、輕盈。立式發(fā)電機可安裝在風輪下部或地面上，便于安裝、日常維護和維修。當汽車通過柵欄上風力發(fā)電機的兩側(cè)時，即可產(chǎn)生兩側(cè)相反的分數(shù)，這樣可以大大提高垂直風力發(fā)電機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，將風力發(fā)電機的產(chǎn)電合理儲存、釋放。

2.4 設(shè)計圖

3 新型風能發(fā)電技術(shù)

3.1 技術(shù)方案

本供電系統(tǒng)通過汽車經(jīng)過欄桿，和帶動欄桿上風力發(fā)電機發(fā)電，欄桿上的發(fā)電機由串聯(lián)組成，并將電通過穩(wěn)壓器儲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

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

（2）可再生，永不枯竭。通過該系統(tǒng)的長時間維護，預(yù)計會有幾十年的時間通過該系統(tǒng)產(chǎn)生大量的電能，并且會根據(jù)不同的風速（以車流風速為主）。

（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，占用征地時間短，體系構(gòu)造完成時間短。

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

（5）適用性。通過風力發(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，還極大地方便了機動的用電，實現(xiàn)綠色環(huán)保的交通機制。

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)可以通過柵欄在極限車流風速左右排布，極大地提高了風力發(fā)電效率，可有效地為道路設(shè)施供電（主要為柵欄），還可以通過該系統(tǒng)的產(chǎn)電儲備能量，以供流動用電單位使用。

4 新型風能發(fā)電柵欄效益

能源是人類社會生存和發(fā)展的重要物質(zhì)基礎(chǔ)。隨著世界經(jīng)濟的不斷發(fā)展，能源消耗也日益增加，環(huán)境問題逐漸成為輿論關(guān)注的焦點。風能作為一種清潔、綠色的可再生能源，越來越受到各國的重視，風力發(fā)電機組得到了迅速發(fā)展。其中一個原因是結(jié)構(gòu)不合理、效率低，因此設(shè)計一種高效的垂直軸風力機迫在眉睫。

（1）國家政策效益?！笆濉逼陂g，風電發(fā)展仍傾向于南北線發(fā)展。整個“十三五”期間，三北地區(qū)向中部和東南部地區(qū)的風電發(fā)展基本上是一半或六到四個，沒有顯著差異?！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）能源價格差效益。該新型風能發(fā)電系統(tǒng)的運用，可以形成后期零成本（不包含維護）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，就可以以純利潤的形態(tài)儲蓄并投放到對應(yīng)市場。

（3）“柵欄”效益?？梢酝耆〈缆窎艡诘纳a(chǎn)商，將我們的風力發(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、無污染、無噪音，真正做到了用綠色的方法生產(chǎn)綠色。

5 結(jié)語

在不久的將來，柵欄上的風力發(fā)電將由風力發(fā)電驅(qū)動，不會造成任何污染。未來，柵欄上的風力發(fā)電將由多臺風力發(fā)電機驅(qū)動多功能柵欄將風力發(fā)電與高速公路柵欄結(jié)合起來，使柵欄具有新的作用。風力發(fā)電裝置不占用其他用地，沿途將安裝充電樁，行人的手機或電動車可以充電。這使得普通的柵欄起到了越來越重要的作用，人們用電越來越多，因此需要風能作為一種清潔的可再生能源。多功能柵欄的設(shè)計使柵欄發(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力發(fā)電結(jié)合起來，使風力發(fā)電更加普及，使柵欄具有更多的功能。

參考文獻：

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[2]周小兵，尋覓，高遠.風力發(fā)電監(jiān)控與運維一體化系統(tǒng)設(shè)計[J].機電信息，2020（30）：22-23+25.

作者簡介：張立翔（2000— ），男，漢族，河北邢臺人，本科，研究方向：風能發(fā)電與道路柵欄結(jié)合科技。