廣告牌除霧霾功能設計

李曉紅

河源技師學院，廣東河源，517000

0 引言

近幾年來，我國有很多的城市陷入了霧霾中的籠罩中。機動車輛的尾氣排放是霧霾的主要來源之一[1]。我國及其他許多國家研發了很多除霧霾的裝置。最早的防霧霾設備便是口罩，最早的口罩材料為無紡布，到后來為活性炭，再到基于超聲等離子除塵技術的新型防霧霾口罩，口罩的發展也經過了一系列的轉變。空氣凈化器的起源是在二戰時期，用于消防安全，后來經過改造變身成為今天的空氣凈化器。但是，這些除霧霾產品的缺陷便是不能大面積使用，目前市場上還沒有出現室外的能大面積除霧霾的產品[2]。

1 廣告牌除霧霾結構的設計

廣告牌除霧霾裝置是在原有的除霧霾裝置的基礎上進行進一步的研究，達到了大面積除霧霾的目的，環保并且經濟。本設計的風力發電能源模塊的總傳動形式采用一字型總體布局，具體如圖1所示，這種布局形式具有對中性，負載分布比較均勻。

圖1 一字型總體布局

1.1 廣告牌的結構

由于此設計是針對高速公路上的廣告牌設計，那么就必須考慮它的環境和條件，對廣告牌形狀結構設計就要考慮后續能源問題對廣告牌結構的影響。廣告牌設計成立體形狀，把其他裝置放在廣告牌的空間里面，有效利用空間，不影響廣告牌的本身意義。高速公路的廣告牌一般所處的位置相對來說離地面比較高，地理位置越高可以利用的風能就越充足。因此廣告牌的結構設計要從捕捉風能和不影響廣告牌的目的這兩個方面去考慮，廣告牌的某些面要設置通風孔，要考慮到整個裝置通風散熱，以保證整個空間的氣體流通是順暢的[3]。

1.2 能源模塊的結構

在廣告牌除霧霾功能設計的過程中，首要考慮的是環保問題。在本設計中選用成型的小型風力發電裝置，有豎直軸和水平軸兩種類型可供選擇，選擇過程要考慮裝置擁有較高的風能利用系數，它的大致結構有以下幾種：導流罩、風扇、調速器和限速裝置、傳動機構。

風輪機構是由三個或多個葉片和輪轂組成的，風輪的作用是將風的動能轉換成機械能，風力機的葉片安裝在輪轂上，通過輪轂與主軸相連接，葉片受力帶動主軸轉動并帶動發電機發電，具有轉速高、風能利用系數高的優勢。在本課題中根據方案需要選擇機械結構。

調速器和限速裝置：調速器和限速裝置都是面對轉速問題而言的，可實現風力機在不同風速下的轉矩恒定或者不超過某一轉速恒定值。當風速過高時還可以用來限制功率，減小葉片所受的力，以減少葉片損耗。

傳動裝置：由于廣告牌除霧霾功能設計針對的是高速公路，所以傳動裝置還是必不可少的。風力機的傳動機構一般包括低速軸、高速軸、增速齒輪箱、聯軸節和制動器等，在此設計中選用的齒輪箱采用的結構是定軸線齒輪傳動，它的結構簡單，容易維護，造價較低，符合當下的經濟條件。

1.3 過濾裝置的結構

廣告牌除霧霾功能設計的最終目的是要除霧霾，所以在除霧霾的過濾系統設計方面，從顆粒直徑大小分為粗、中、細三層過濾，粗過濾能夠去除空氣中的大的顆粒紙屑、塑料等垃圾，起到保護過濾裝置的作用，過濾器按效率又分為粗效過濾棉、中效過濾棉、高中效過濾棉、亞高效過濾棉、高效過濾棉，考慮到方案的經濟可行性，在整個設計中采用性價比較高的過濾棉或者過濾布[4]。

由于過濾材料的透風性不是很好，特別是高效過濾棉的材料，使整個過濾系統處于一個相對密閉空間里，氣體流動速度緩慢，所以在過濾系統末尾處增加一個換氣扇可以起到加快空氣流動的作用，以保證除霧霾功能正常運作，將換氣扇安裝在整個系統的末尾處即可。

1.4 導流結構

導流結構引導流體按照一定的方向前行，有的導流結構還有聚集流體增大速度的作用，導流結構的形式有很多種。將風力發電裝置安裝在廣告牌內部，風葉所接觸的風能減少，風力發電的效率將會降低，所以要將風能聚集起來，可以在廣告牌特殊結構處安裝一個特殊設計的聚流罩，既可以加快風速，又可以起到導流的作用。

1.5 控制結構

根據大氣環境檢測能見度大小，國家將霧霾在空氣中的含量分為輕微、輕度、中度、重度四級，所以在裝置外面安裝一個大氣環境監測裝置，控制結構將檢測到的數值傳入到信息控制中心，與某一設定值做對比，如果大于等于某一設定值時，則風扇打開，整個過濾系統進入循環狀態，當系統運作一定的時間，檢測到周圍環境的空氣質量小于某一數值時，風扇停止運行，系統進入緩慢的凈化狀態。

2 廣告牌除霧霾功能設計方案

廣告牌除霧霾裝置在目前的市場中還沒有成型的產品以及可供參考的結構設計，此次對廣告牌除霧霾的設計原理作解釋。基于環保，廣告牌除霧霾不能造成二次污染，選用綠色能源滿足自身所需的能量，有風能和太陽能可供選擇，通過改造廣告牌的結構實現風能發電，在廣告牌內部加裝過濾裝置，實現廣告牌除霧霾的功能。

2.1 廣告牌除霧霾設計方案一

首次方案的設計主要將廣告牌的外形設計為正立方體，立方體廣告牌的設計尺寸為1.0×1.0×1.0米，每個側面在原來的基礎上以其面上的某一條棱邊向內側凹陷一定的角度，則與另一條棱邊形成一個開口，考慮到廣告牌除霧霾功能要解決自身的能源問題，所以應增加進風量或者加大進風的速度，所以上端面和下端面設計為凹槽形狀，上下端面托盤的斜型擋板與之相鄰的側面所具有的特殊的凹陷結構形成了四個集風口，有助于增加風速，設計的廣告牌面長度是正四面體邊框的一半，帶動內部風扇的轉動和過濾裝置更快過濾。此結構的設計不會影響看廣告。

為了風力發電能更好地進行，將風扇設計為具有五個葉片的垂直結構，因為廣告牌的結構外形為正四面體結構，所以五個葉片的風扇能更好地利用風能，可以打破每一個側面所形成的平衡位置，也更能保證整個傳動結構的平穩運作，減少振動以及對機構的損耗。在上端面的中心位置安裝軸承座，使風扇所在的軸穿過上端面，將電機及整個增速裝置安裝在上端面所在的凹槽內部，在上端面上部再安裝一個與下端面一樣的凹槽導流結構，可以保護動力傳動機構[5]。

在安裝的過程中將整個裝置的側面按照廣告牌小單元面的內嵌角度安裝即可，四個側面組合形成了一個新的四方體，完全不影響廣告效果，進風量增加的同時進風速度增加。集風罩的設計依據為流體力學中的連續性方程，所以在集風罩的作用下獲得了更高的速度，在氣體到達風葉之前先經過風力發電機的導流罩，改變風的運行軌跡，風速增加便帶動風葉轉動起來，此處的風扇是豎直軸的，扇葉也是豎直的并且扇葉的設計面積較大，能夠更好地捕捉風能，再經過增速箱的傳動就可以獲得較高的轉速了，發電機將風的動能轉化為機械能，再把機械能轉換為電能儲存，發電機所得的電能儲存在電能儲存裝置，再通過逆變器就可以將直流電轉換為交流電，以方便給排氣扇供電，這樣整個結構自身所需要的能源問題就解決了[6]。

在方案一里面過濾系統分為三級過濾，這三級過濾材料裝在發電機風扇下面的盒子中，盒子三層可裝載不同直徑過濾棉的過濾板，盒子上線兩端設置通風口，以方便空氣的流動，選用不同的過濾材料，第一級過濾器選用更加經濟的濾紙，制作成顆粒大小為1微米級的普通過濾棉。第二級過濾選用纖維層過濾棉，纖維層過濾棉的材料是使用各種纖維制成的，它填充率比較低，對空氣的阻力值比較小，所以通常用在中小效過濾器中。第三級過濾棉采用了和第一級相同的材料，但是相對來說所用的濾紙更加精細，可以過濾到0.3微米的顆粒。

2.2 廣告牌除霧霾設計方案二

廣告牌外形設計為八面體，每一個面做成弧形結構，整個廣告牌的結構是由八個小單元面組成，上下兩端蓋是導流結構組成。每一個小單元面連接著八面體廣告牌的一條棱，通過組裝可以接收到來自四面八方的風能，單位時間內通過的風體積增加，當經過導流罩相同大小的出口時，風速成倍增加，帶動風葉的轉動，使得發電機的工作效率增加。上端蓋可以保護整個廣告牌的內部結構，延長使用期限，上端蓋與小單元面的組裝形成了良好的導流結構，每兩個小單元面和上下端蓋之間形成了一個集風罩，不但可以改變風的流動方向，還可以增加風的流動速度。整個裝置的材料選擇用硬度較大的塑料，這種小單元的設計來批量化的生產，安裝的時候步驟簡潔、穩固，風扇可以工作的時間加長，整個系統的運作效率增加。

在本設計中采用豎直軸的大葉片風扇，為了整個結構的安全穩定運作，采用四個扇葉的風扇，從弧形的廣告牌空隙中加速的風垂直打到扇葉上，扇葉轉動帶動軸轉動，在軸與上下端蓋接觸的垂直軸方向各安裝一個軸承端蓋，軸與軸承端蓋中間加裝圓柱滾子軸承，主要用來減小摩擦力，上軸承座和下軸承座在結構上有一點小差別，由于軸沒有超出上端蓋，所以上軸承座采用實心結構，下端蓋的中心打孔，所以下軸承座也打孔裝軸承，由軸帶動軸承轉動，軸承和軸承座對軸起到了很好的穩定支撐作用，提高了風力發電的效率。

在扇葉軸的另一端增加一對嚙合齒輪作為增速裝置，通常風力發電的轉速比較低，遠遠達不到發電機需要的轉速，所以就有必要利用齒輪增速傳導機構來增加轉速，此時的扇葉軸對于增速裝置來說是低速軸，那么增速裝置的另一輸出軸就為高速輸出，高速輸出軸和電機之間用凸緣聯軸器連接，其葉片的彈性、旋轉時產生的慣性、振動時的頻率都要平穩，傳遞給整個發電系統的負載穩定性好，不會在離心力的情況下斷裂飛出，也不能在高速運作范圍內帶動整個風電機組的強烈共振，所以在風力發電機組上考慮固定安裝的結構。

為了不影響廣告牌看廣告的需求，我們可以再增加一個相同面積的八面體廣告牌來裝載過濾裝置，在八面體廣告牌內部增加四個不同尺寸的八面體框架，尺寸按一定比例減小，第一層八面體框架的整個側面和上表面圍上粗效過濾棉，第二層八面體框架的側面和上表面圍上中效過濾棉，第三層八面體框架的側面和上表面圍上活性炭過濾棉，活性炭是大面積的多孔疏松結構，能夠有效地吸附空氣中的顆粒物及其有害的化學物質，主要是車輛尾氣排放的有毒氣體及顆粒物，第四層八面體的框架側面和上表面圍上高效過濾棉。在整個廣告牌的下表面的最中心位置安裝一個排氣扇來加快空氣的過濾。在風扇不工作的條件下過濾系統依舊可以進行空氣凈化，在嚴重的霧霾天由控制系統開啟風扇，完成空氣凈化，只要裝置的過濾棉在可工作的條件下，空氣凈化作用時刻在進行，風扇的開啟由控制中心控制，當霧霾檢測裝置檢測到大氣中的霧霾含量超過某一設定值，風扇開始工作。

將廣告牌安裝為上下兩層，含有風力發電的八面體廣告牌在上部，第一個廣告牌的上端面上部再安裝一個下端面，可以防止雨水進入發電裝置中，電機處于第一個八面體廣告牌的下端蓋，將含過濾裝置部分八面體廣告牌的上端面與電機處的下端蓋安裝在一起，可以保護電機及其他的機械結構，除霧霾裝置的排氣扇安裝位置向下，所以在裝置的下端面加一層含有通風口特征的濾網，一方面可以保護排氣扇本身，另一方面防止排氣扇的結構掉落地面，起到安全防護的目的。

3 結語

廣告牌除霧霾功能設計是針對高速公路的廣告牌，由于高速公路的面積大，可安放的廣告牌多，為除霧霾裝置提供了便利的空間條件，通過這款除霧霾裝置可以有效地減少空氣中PM2.5的含量，提高空氣質量。裝置自身沒有造成污染，整個裝置簡單、安全性能高，解決了自身所需的能源問題，實用性高。目前市場上還沒有成型可使用的相關裝置，所以該裝置的研發具有一定的經濟價值和意義。