基于汽车风速的高速公路风力发电装置及其工作方法与流程

本发明属于风能利用领域，具体涉及基于汽车风速的高速公路风力发电装置及其工作方法。

背景技术：

面对日益严峻的环境污染与能源危机，世界各国都十分重视清洁能源的开发与利用。风能作为一种可再生的清洁能源，具有储量大、分布广、无污染等特点，是一种十分具有发展前景的能源利用方式。目前，全世界有许多地方架设了大型风力发电场，地点多选在高山、草原、海岸等远离人类活动范围的地区。而随着中国高速公路的快速发展，高速公路上汽车快速行驶形成的流场为风力发电系统提供新的架设地点。

为了在高速公路上进行风力发电，中国专利(CN101294548)提出了一种应用于高速公路的风力发电装置及其系统，该系统在高速公路隔离带设置阻力型垂直轴风力机，并配备导流板对风能进行收集。然而，该发明没有考虑汽车行车安全地问题，在高速公路上利用汽车行驶气流进行风力发电的过程中，首先要解决行车安全的问题，在保证车辆高速行驶安全性的基础上进行风能才是可行的发电方式。中国专利(CN104791188A)提出了一种适用于高速公路上的自转向轴流型风力发电装置，该装置为带固定圈的水平轴风力机，并设计了可变旋转半径机构。可是该发明风力机安转的高度较高，且只能收集高速公路一侧的气流能量，发电效率较低，同时在恶劣天气条件下对风力机结构安全性的保护不足。

技术实现要素：

为解决上述技术问题，本发明提供了基于汽车风速的高速公路风力发电装置及其工作方法，此装置回收效率高、噪音小，并且可以防止发电装置对车辆行车危害，保证了车辆的行车安全。

本发明是通过以下技术方案实现上述技术目的的。

基于汽车风速的高速公路风力发电装置，包括集风罩、升力型垂直轴风力机、挡板升降系统、发电机及发电控制系统，

所述集风罩为两端宽、中间窄的管道，所述集风罩的两端口形状大小相同且在空间上对称，所述集风罩的两端口分别安装一个滑槽；

所述集风罩中间位置安装有升力型垂直轴风力机，所述升力型垂直轴风力机的中心轴穿过集风罩的底板，并通过中心轴与电机轴相连接，实现升力型垂直轴风力机与发电机的连接；

所述挡板升降系统包括入口挡板、出口挡板、丝杠、螺母、上限位块、下限位块及微型电机，所述入口挡板、出口挡板一端分别卡在集风罩两端口的滑槽内，另一端分别与一个螺母焊接；所述螺母与丝杠咬合，所述丝杠底端与微型电机连接，所述微型电机带动丝杠旋转，控制入口挡板和出口挡板的升降；所述丝杠、微型电机的顶端分别安装有上限位块、下限位块；

所述发电控制系统包括温度传感器、湿度传感器、转速传感器、控制器及能量存储器，所述控制器和能量存储器均通过导线与发电机相连，分别用于控制发电机的启停、存储发电机发出的电能；所述控制器还通过导线分别与温度传感器、湿度传感器及转速传感器相连，所述温度传感器、湿度传感器分别安装在集风罩顶板上且靠近两端口处，用于测量高速公路环境状况，并将采集到的数据发送至控制器，所述转速传感器安装在电机轴上，用于测量发电机的转速。

上述方案中，所述集风罩距离地面1-1.2m。

上述方案中，所述升力型垂直轴风力机为H型垂直轴风力机，材料为玻璃纤维。

上述方案中，所述发电机为小型永磁交流发电机。

上述方案中，所述升力型垂直轴风力机还包括升力型叶片及连接杆，所述升力型叶片通过连接杆与中心轴相连；所述升力型叶片共有4片，4片升力型叶片的两两对称。

上述方案中，所述微型电机为直流电动机。

基于汽车风速的高速公路风力发电装置的工作方法，包括以下步骤：

步骤1)，基于汽车风速的高速公路风力发电装置开始工作时，首先通过温度传感器和湿度传感器测量高速公路的环境温度和湿度，若温度和湿度处于不正常状态，则装置不工作，继续测量温度和湿度；若温度和湿度处于正常状态，则进行下一步；

步骤2)，发电控制系统中控制器向挡板控制系统发出指令打开集风罩的入口和出口，挡板控制系统收到指令，控制微型电机工作，微型电机带动丝杠旋转，螺母沿着丝杠下降，直至螺母下降至下限位块；入口挡板和出口挡板随着螺母下降，从而实现集风罩入口和出口的打开；

步骤3)，在高速公路上高速行驶的车辆会带动车身周围的气流形成流场，气流通过集风罩的入口和出口流入集风罩内，带动升力型垂直轴风力机旋转，发电机的电机轴也随之旋转；此时，发电控制系统中的转速传感器开始测量电机轴转速n；

步骤4)，当转速传感器测得的转速n大于升力型垂直轴风力机的起动转速n_min时，发电控制系统中的控制器才将发电机发出的电能接入能量存储器；若转速传感器测得的转速n小于升力型垂直轴风力机的起动转速n_min，则控制器断开发电机与能量存储器的连接，即不将发电机发出的电能接入能量存储器；

步骤5)，转速传感器在升力型垂直轴风力机工作时持续测量电机轴的转速n，若测得的转速n大于升力型垂直轴风力机的最高转速n_max，发电控制系统中控制器向挡板升降系统发出指令，关闭集风罩的入口和出口，工作过程和步骤2)中打开入口和出口的过程相似，直至螺母上升至上限位块处；集风罩的入口和出口被完全关闭后，转速传感器测量此时电机轴转速，当测得的转速n小于n_max时，再次打开集风罩的入口和出口。

本发明的有益效果是：

1、本发明的集风罩两端口形状大小相同，可以收集高速公路隔离带两侧的风能，集风罩距离地面1-1.2m，这个高度汽车行驶引起的气流流速最大，同时集风罩两端宽中间窄的结构，起到整流和增速作用，可提高风能回收效率。

2、本发明的升力型垂直轴风力机不需要对风装置，可以收集任何方向的来风，同时该风力机结构简单，噪音水平低，配合集风罩的使用，可以大大降低整个风力发电装置发出的噪音，保证车辆内人员的身心健康。

3、本发明的升力型垂直轴风力机有起动转速n_min和最高转速n_max，在正常天气情况下，通过所述挡板升降系统和发电控制系统的配合，控制集风罩入口和出口的开合，使得垂直轴风力机在(n_min,n_max)转速区间内运转，保证发电系统较高的转换效率；在天气情况不好或恶劣天气情况下，可以闭合集风罩的入口和出口，保证垂直轴风力机和高速公路行车的安全。

附图说明

图1为基于汽车风速的高速公路风力发电装置在高速公路隔离带中的安装示意图；

图2为基于汽车风速的高速公路风力发电装置结构示意图；

图3为集风罩结构示意图；图3(a)为集风罩轴测图；图3(b)为集风罩俯视图；图3(c)为图3(b)中A的放大图；

图4为升力型垂直轴风力机结构示意图；图4(a)为升力型垂直轴风力机轴测图；图4(b)为升力型垂直轴风力机俯视图；

图5为挡板升降系统结构示意图；图5(a)为挡板升降系统轴测图；图5(b)为挡板升降系统正视图；图5(c)为图5(b)中B的放大图。

图中：1-集风罩；101-滑槽；2-升力型垂直轴风力机；201-中心轴；202-升力型叶片；203-连接杆；3-挡板升降系统；301-入口挡板；302-出口挡板；303-丝杠；304-螺母；305-上限位块；306-下限位块；307-微型电机；4-发电机；401-电机轴；5-发电控制系统；501-温度传感器；502-湿度传感器；503-转速传感器；504-控制器；505-能量存储器。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明作进一步详细描述。

如图1所示，基于汽车风速的高速公路风力发电装置安装在高速公路隔离带中，风力发电装置可单个使用，也可多个串联使用。

如图2所示，基于汽车风速的高速公路风力发电装置包括集风罩1、升力型垂直轴风力机2、挡板升降系统3、发电机4及发电控制系统5。

如图3所示，集风罩1为两端宽、中间窄的管道，集风罩1的两端口(入口和出口，“入口”和“出口”仅为区别集风罩1的两端口)形状大小相同且在空间上对称，使用时集风罩1距离地面1-1.2m，且入口和出口所在平面垂直于汽车行驶方向，集风罩1的两端口分别安装一个滑槽101；集风罩1设计成两端开口宽中间窄的结构，起到整流和增速作用，提高风能发电效率，同时降低整个发电装置的噪音水平；在恶劣天气条件下，集风罩可以保护升力型垂直轴风力机免遭破坏；在风力机发生故障时，可以保护车辆的行车安全。

集风罩1中间位置安装有升力型垂直轴风力机2，升力型垂直轴风力机2的中心轴201穿过集风罩1的底板，并通过中心轴201与电机轴401相连接，实现升力型垂直轴风力机2与发电机4的连接；发电机4为小型永磁交流发电机，具有性能稳定、成本低、转速匹配好、出功效率优良等特点；升力型垂直轴风力机2为H型垂直轴风力机，材料为玻璃纤维，升力型垂直轴风力机2不需要对风装置就可以收集任何方向的来风，具有结构简单、噪音低的优点；如图4所示，升力型垂直轴风力机2还包括升力型叶片202及连接杆203，升力型叶片202通过连接杆203与中心轴201相连；升力型叶片202共有4片，4片升力型叶片202的两两对称，升力型叶片202为NACA0018型叶片。

如图5所示，挡板升降系统3包括入口挡板301、出口挡板302、丝杠303、螺母304、上限位块305、下限位块306及微型电机307，微型电机307为直流电动机；入口挡板301、出口挡板302一端分别卡在集风罩1两端口的滑槽101内，另一端分别与一个螺母304焊接；述螺母304与丝杠303咬合，丝杠303底端与微型电机307连接，微型电机307带动丝杠303旋转，控制入口挡板301和出口挡板302的升降；丝杠303、微型电机307的顶端分别安装有上限位块305、下限位块306。

发电控制系统5包括温度传感器501、湿度传感器502、转速传感器503、控制器504及能量存储器505，控制器504和能量存储器505均通过导线与发电机4相连，分别用于控制发电机4的启停、存储发电机4发出的电能；控制器504还通过导线分别与温度传感器501、湿度传感器502及转速传感器503相连，温度传感器501、湿度传感器502分别安装在集风罩1顶板上且靠近两端口处，用于测量高速公路环境状况，并将采集到的数据发送至控制器504，以此判断打开或关闭集风罩1的入口和出口；转速传感器503安装在电机轴401上，用于测量发电机4的转速；控制器504用于控制挡板升降系统3和能量存储器505。

基于汽车风速的高速公路风力发电装置是按照如下步骤工作的：

步骤1)，基于汽车风速的高速公路风力发电装置开始工作时，首先通过温度传感器501和湿度传感器502测量高速公路的环境温度和湿度，若温度和湿度处于不正常状态，则装置不工作，继续测量温度和湿度；若温度和湿度处于正常状态，则进行下一步。

步骤2)，发电控制系统5中控制器504向挡板控制系统3发出指令打开集风罩1的入口和出口，挡板控制系统3收到指令，控制微型电机307工作，微型电机307带动丝杠303旋转，由于螺母304与丝杠咬合，所以螺母304会沿着丝杠下降，直至螺母304下降至下限位块305；又由于入口挡板301和出口挡板302一端都与螺母304焊接在一起，所以入口挡板301和出口挡板302会随着螺母304下降，从而实现集风罩1入口和出口的打开。

步骤3)，在高速公路上高速行驶的车辆会带动车身周围的气流形成流场，气流通过集风罩1的入口和出口流入集风罩1内，带动升力型垂直轴风力机2旋转，发电机4的电机轴401也随之旋转，实现机械能向电能的转化；此时，发电控制系统5中的转速传感器503开始测量电机轴401转速。

步骤4)，当转速传感器503测得的转速n大于升力型垂直轴风力机2的起动转速n_min时，发电控制系统5中的控制器504才将发电机4发出的电能接入能量存储器505；若转速传感器503测得的转速n小于升力型垂直轴风力机2的起动转速n_min，则控制器504断开发电机4与能量存储器505的连接，即不将发电机4发出的电能接入能量存储器505。

步骤5)，转速传感器503在升力型垂直轴风力机2工作时持续测量电机轴401的转速n，若测得的转速n大于升力型垂直轴风力机2的最高转速n_max，发电控制系统5中控制器504向挡板升降系统3发出指令，关闭集风罩1的入口和出口，工作过程和步骤(2)中打开入口和出口的过程相似，直至螺母304上升至上限位块306处；集风罩1的入口和出口被完全关闭后，转速传感器503测量此时电机轴401转速，当测得的转速n小于n_max时，再次打开集风罩1的入口和出口。

所述实施例为本发明的优选的实施方式，但本发明并不限于上述实施方式，在不背离本发明的实质内容的情况下，本领域技术人员能够做出的任何显而易见的改进、替换或变型均属于本发明的保护范围。