新型風能發電柵欄供電系統

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。依據上海風力發電設備有限公司的CFD模擬數據，垂直風機的風能利用率不低于水平軸。立式發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節，對機械結構進行了極大地簡化。這樣，柵欄與風能的結合應運而生。

關鍵詞：風速;垂直式;風力發電;柵欄

1 緒論

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

現存柵欄主要用途：

（1）阻攔功能。柵欄要有一個規范值的高度，一定規范值在垂直柵欄上的排列密度，還要應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不同的姿態，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域，限制車輛的胡亂行駛，讓行車更有規律，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，風能發電柵欄系統上加裝了風力發電機，使得柵欄有了發電功能。發電機獲得的電能也有許多的用途，例如路燈供電，并且設置了充電樁，充電樁可以給各種電動車輛充電。

2 新型風能發電柵欄設計

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電機。所述的電路模塊主要是指穩壓器。同時將多個垂直發電機和穩壓器通過并聯進行連接，穩壓器可以將不連續的電力以及風力發電機傳來的相似的直流電變成較為穩定的交流電，然后存儲在與柵欄相匹配的供電模塊中的電池內。所述的供電模塊主要是指需要在柵欄旁設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 產品組成構件

其結構主要由欄桿、攔柱（空心金屬柱）、風力發電機（帶扇葉嵌于空心金屬柱）按柵欄形態組合而成。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（放發電機）;空心金屬柱20×15cm，厚3—4mm;材料：鋁合金或不銹鋼。

2.2 設計原理

根據上海風力發電設備有限公司的CFD模擬數據，垂直風機的風能利用率不低于水平軸。國外一些機構通過試驗證明風力機的垂直利用率比40%以上。而且，在實際環境中，風向經常發生變化，水平風機的迎風側不能始終迎風，這將導致“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，立式風力發電機組的風能利用率可以超過臥式風力發電機組。另外，立式風力機無需方向調節裝置，就可以接受來自各個方向的風，大大簡化了機械結構。同時，使外觀更加簡潔、輕盈。立式發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電機的兩側時，即可產生兩側相反的分數，這樣可以大大提高垂直風力發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加設扇葉，在車流量于風速組合35.5m/s峰值區間內相差不大處設該系統。

（2）全天全路段范圍工作，將風力發電機的產電合理儲存、釋放。

2.4 設計圖

3 新型風能發電技術

3.1 技術方案

本供電系統通過汽車經過欄桿，和帶動欄桿上風力發電機發電，欄桿上的發電機由串聯組成，并將電通過穩壓器儲存到我們的蓄電池中，再由我們的蓄電池傳輸給穩壓器，再有穩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，系統流程。

3.2 特點

（1）清潔，環境效益好。該系統通過垂直式風力發電機，形成持續電流，最終匯總到若干個變壓儲蓄站，以供給路燈等公用設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。通過該系統的長時間維護，預計會有幾十年的時間通過該系統產生大量的電能，并且會根據不同的風速（以車流風速為主）。

（3）基建周期短。該柵欄系統中欄桿、攔柱預制的生產周期較為短，占用征地時間短，體系構造完成時間短。

（4）裝機規模靈活。該柵欄系統完全為預制欄桿、攔柱、風力發電機等幾個模塊，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。通過風力發電和交通系統的有效組合，不僅極大地提高了電力生產效率與生產質量，還極大地方便了機動的用電，實現綠色環保的交通機制。

3.3 功能

除柵欄應有的美觀、阻攔、警示分隔功能外，該系統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電效率，可有效地為道路設施供電（主要為柵欄），還可以通過該系統的產電儲備能量，以供流動用電單位使用。

4 新型風能發電柵欄效益

能源是人類社會生存和發展的重要物質基礎。隨著世界經濟的不斷發展，能源消耗也日益增加，環境問題逐漸成為輿論關注的焦點。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，風力發電機組得到了迅速發展。其中一個原因是結構不合理、效率低，因此設計一種高效的垂直軸風力機迫在眉睫。

（1）國家政策效益。“十三五”期間，風電發展仍傾向于南北線發展。整個“十三五”期間，三北地區向中部和東南部地區的風電發展基本上是一半或六到四個，沒有顯著差異。“十三五”期間，“三北”工程依托特高壓配套工程和綜合能源基地工程，形成規模效益。

（2）能源價格差效益。該新型風能發電系統的運用，可以形成后期零成本（不包含維護）循環盈利，從電能的獲取到利用，取代普通的大規模火力生產電，就可以以純利潤的形態儲蓄并投放到對應市場。

（3）“柵欄”效益。可以完全取代道路柵欄的生產商，將我們的風力發電作為“芯片”，將柵欄的零部件生產以及整體組裝效益最大化。

（4）生態效益。該新型發電柵欄系統零損耗、無污染、無噪音，真正做到了用綠色的方法生產綠色。

5 結語

在不久的將來，柵欄上的風力發電將由風力發電驅動，不會造成任何污染。未來，柵欄上的風力發電將由多臺風力發電機驅動多功能柵欄將風力發電與高速公路柵欄結合起來，使柵欄具有新的作用。風力發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。多功能柵欄的設計使柵欄發揮了最大的作用，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電結合起來，使風力發電更加普及，使柵欄具有更多的功能。

參考文獻：

[1]張達響.小型垂直軸風力發電系統的研究應用[D].南昌大學，2012.

[2]周小兵，尋覓，高遠.風力發電監控與運維一體化系統設計[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：風能發電與道路柵欄結合科技。