新型风能发电栅栏供电系统

张立翔 夏倩 邱汉林 郑元豪 占宇航

摘 要：栅栏作为一种常见的道路分隔标志，起到了分隔道路的作用。道路风能为马路上飞驰而过的车流带来的压强差。依据上海风力发电设备有限公司的CFD模拟数据，垂直风机的风能利用率不低于水平轴。立式发电机解决了水平风机风向变化造成的“风损”。另外，立式风力机可以接受来自各个方向的风，没有必要进行各个方向的调节，对机械结构进行了极大地简化。这样，栅栏与风能的结合应运而生。

关键词：风速;垂直式;风力发电;栅栏

1 绪论

目前，市面上所有的各种风力发电机发电的动力来源都是自然风，所以安装发电机的选址都要选在风速大的地方，并且现有的风力发电需要大量土地新建风力发电厂，才可以生产比较多的能源。而且由于风的不稳定性，所以发电量也不稳定。现有的风力发电机还影响到了生态环境，风机在运转的过程中叶片的速度非常快，很容易撞到鸟类，而且风机转动产生的噪音也非常大。而这种多功能栅栏中的垂直风力发电机是将车的动能过程中产生的风能加以利用，所以栅栏中的发电机不仅能用自然风也可以利用汽车带来的气流，这就优于目前所出现的风力发电机。而栅栏上安装的垂直发电机占用空间小，也不会产生很大的噪音，对各种动物都没有危害，所以对生态环境没有什么影响，这也优于目前的风力发电机。

现存栅栏主要用途：

（1）阻拦功能。栅栏要有一个规范值的高度，一定规范值在垂直栅栏上的排列密度，还要应当有抵抗一定破坏的强度。

（2）美观功能。因为栅栏有不同的形状可以体现不同的姿态，还有不同的材料、大小等，都可打造出不同的栅栏来起到一定的美观作用。

（3）警示功能。通过安装，栅栏上的轮廓要簡洁明了，并提醒驾驶员注意栅栏的存在，注意行人和非机动车，防止交通事故的发生。

（4）分隔功能。道路栅栏将机动车、非机动车和行人的交通分隔开来，并在路段上纵向分隔道路，使机动车、非机动车和行人能够分道行驶，提高了道路交通安全，改善了交通秩序。

目前市面上的栅栏就是阻隔、分隔、警示、美观这四个功能，公路上的栅栏阻隔机动车与非机动车道的区域，限制车辆的胡乱行驶，让行车更有规律，使得交通更加的顺畅和安全。栅栏不仅有阻隔和限制的功能，风能发电栅栏系统上加装了风力发电机，使得栅栏有了发电功能。发电机获得的电能也有许多的用途，例如路灯供电，并且设置了充电桩，充电桩可以给各种电动车辆充电。

2 新型风能发电栅栏设计

一种具有风力充电功能的交通栅栏由供电、电路和用电三大模块组成。所述的供电模块主要是指在在栅栏上所加装得小型垂直风力发电机。所述的电路模块主要是指稳压器。同时将多个垂直发电机和稳压器通过并联进行连接，稳压器可以将不连续的电力以及风力发电机传来的相似的直流电变成较为稳定的交流电，然后存储在与栅栏相匹配的供电模块中的电池内。所述的供电模块主要是指需要在栅栏旁设置为各种电动车辆供能的充电柱。当有电动车辆需要充电时供电模块就将其储存下来的电能释放出来。另外，供电柱储存起来的电能还可以为路面上的路灯供电。

2.1 产品组成构件

其结构主要由栏杆、拦柱（空心金属柱）、风力发电机（带扇叶嵌于空心金属柱）按栅栏形态组合而成。立柱式（高速及两旁）：立柱间距400cm，其中穿插6（5—7）个扇叶;栅栏最高处为150cm（150—160）;扇叶长度100cm（90—110），直径35cm（35—40）;扇叶材料高强度塑料或铝合金;上间距10cm;下间距25—30cm（放发电机）;空心金属柱20×15cm，厚3—4mm;材料：铝合金或不锈钢。

2.2 设计原理

根据上海风力发电设备有限公司的CFD模拟数据，垂直风机的风能利用率不低于水平轴。国外一些机构通过试验证明风力机的垂直利用率比40%以上。而且，在实际环境中，风向经常发生变化，水平风机的迎风侧不能始终迎风，这将导致“风损”，而立式风机则不存在这一问题。因此，在考虑风能损失后，立式风力发电机组的风能利用率可以超过卧式风力发电机组。另外，立式风力机无需方向调节装置，就可以接受来自各个方向的风，大大简化了机械结构。同时，使外观更加简洁、轻盈。立式发电机可安装在风轮下部或地面上，便于安装、日常维护和维修。当汽车通过栅栏上风力发电机的两侧时，即可产生两侧相反的分数，这样可以大大提高垂直风力发电机的利用率从而为供电模块提供更多的电能。

2.3 使用模式

（1）每400cm加设扇叶，在车流量于风速组合35.5m/s峰值区间内相差不大处设该系统。

（2）全天全路段范围工作，将风力发电机的产电合理储存、释放。

2.4 设计图

3 新型风能发电技术

3.1 技术方案

本供电系统通过汽车经过栏杆，和带动栏杆上风力发电机发电，栏杆上的发电机由串联组成，并将电通过稳压器储存到我们的蓄电池中，再由我们的蓄电池传输给稳压器，再有稳压器将储存的电源分配给路灯以及充电柱等供电单元，至此完成整套，系统流程。

3.2 特点

（1）清洁，环境效益好。该系统通过垂直式风力发电机，形成持续电流，最终汇总到若干个变压储蓄站，以供给路灯等公用设备以及民用充电站点，全程几乎为零的损耗，并且没有污染物的排放。

（2）可再生，永不枯竭。通过该系统的长时间维护，预计会有几十年的时间通过该系统产生大量的电能，并且会根据不同的风速（以车流风速为主）。

（3）基建周期短。该栅栏系统中栏杆、拦柱预制的生产周期较为短，占用征地时间短，体系构造完成时间短。

（4）装机规模灵活。该栅栏系统完全为预制栏杆、拦柱、风力发电机等几个模块，其组装搭建的时间极端，完全不影响道路的正常通行。

（5）适用性。通过风力发电和交通系统的有效组合，不仅极大地提高了电力生产效率与生产质量，还极大地方便了机动的用电，实现绿色环保的交通机制。

3.3 功能

除栅栏应有的美观、阻拦、警示分隔功能外，该系统可以通过栅栏在极限车流风速左右排布，极大地提高了风力发电效率，可有效地为道路设施供电（主要为栅栏），还可以通过该系统的产电储备能量，以供流动用电单位使用。

4 新型风能发电栅栏效益

能源是人类社会生存和发展的重要物质基础。随着世界经济的不断发展，能源消耗也日益增加，环境问题逐渐成为舆论关注的焦点。风能作为一种清洁、绿色的可再生能源，越来越受到各国的重视，风力发电机组得到了迅速发展。其中一个原因是结构不合理、效率低，因此设计一种高效的垂直轴风力机迫在眉睫。

（1）国家政策效益。“十三五”期间，风电发展仍倾向于南北线发展。整个“十三五”期间，三北地区向中部和东南部地区的风电发展基本上是一半或六到四个，没有显著差异。“十三五”期间，“三北”工程依托特高压配套工程和综合能源基地工程，形成规模效益。

（2）能源价格差效益。该新型风能发电系统的运用，可以形成后期零成本（不包含维护）循环盈利，从电能的获取到利用，取代普通的大规模火力生产电，就可以以纯利润的形态储蓄并投放到对应市场。

（3）“栅栏”效益。可以完全取代道路栅栏的生产商，将我们的风力发电作为“芯片”，将栅栏的零部件生产以及整体组装效益最大化。

（4）生态效益。该新型发电栅栏系统零损耗、无污染、无噪音，真正做到了用绿色的方法生产绿色。

5 结语

在不久的将来，栅栏上的风力发电将由风力发电驱动，不会造成任何污染。未来，栅栏上的风力发电将由多台风力发电机驱动多功能栅栏将风力发电与高速公路栅栏结合起来，使栅栏具有新的作用。风力发电装置不占用其他用地，沿途将安装充电桩，行人的手机或电动车可以充电。这使得普通的栅栏起到了越来越重要的作用，人们用电越来越多，因此需要风能作为一种清洁的可再生能源。多功能栅栏的设计使栅栏发挥了最大的作用，为人类提供了更多的能源。电作为人类的基本需求，已经与人类生活密不可分。多功能栅栏将生活中普通栅栏和风力发电结合起来，使风力发电更加普及，使栅栏具有更多的功能。

参考文献：

[1]张达响.小型垂直轴风力发电系统的研究应用[D].南昌大学，2012.

[2]周小兵，寻觅，高远.风力发电监控与运维一体化系统设计[J].机电信息，2020（30）：22-23+25.

作者簡介：张立翔（2000— ），男，汉族，河北邢台人，本科，研究方向：风能发电与道路栅栏结合科技。