本發明屬于風能利用領域，具體涉及基于汽車風速的高速公路風力發電裝置及其工作方法。

背景技術：

面對日益嚴峻的環境污染與能源危機，世界各國都十分重視清潔能源的開發與利用。風能作為一種可再生的清潔能源，具有儲量大、分布廣、無污染等特點，是一種十分具有發展前景的能源利用方式。目前，全世界有許多地方架設了大型風力發電場，地點多選在高山、草原、海岸等遠離人類活動范圍的地區。而隨著中國高速公路的快速發展，高速公路上汽車快速行駛形成的流場為風力發電系統提供新的架設地點。

為了在高速公路上進行風力發電，中國專利(CN101294548)提出了一種應用于高速公路的風力發電裝置及其系統，該系統在高速公路隔離帶設置阻力型垂直軸風力機，并配備導流板對風能進行收集。然而，該發明沒有考慮汽車行車安全地問題，在高速公路上利用汽車行駛氣流進行風力發電的過程中，首先要解決行車安全的問題，在保證車輛高速行駛安全性的基礎上進行風能才是可行的發電方式。中國專利(CN104791188A)提出了一種適用于高速公路上的自轉向軸流型風力發電裝置，該裝置為帶固定圈的水平軸風力機，并設計了可變旋轉半徑機構。可是該發明風力機安轉的高度較高，且只能收集高速公路一側的氣流能量，發電效率較低，同時在惡劣天氣條件下對風力機結構安全性的保護不足。

技術實現要素：

為解決上述技術問題，本發明提供了基于汽車風速的高速公路風力發電裝置及其工作方法，此裝置回收效率高、噪音小，并且可以防止發電裝置對車輛行車危害，保證了車輛的行車安全。

本發明是通過以下技術方案實現上述技術目的的。

基于汽車風速的高速公路風力發電裝置，包括集風罩、升力型垂直軸風力機、擋板升降系統、發電機及發電控制系統，

所述集風罩為兩端寬、中間窄的管道，所述集風罩的兩端口形狀大小相同且在空間上對稱，所述集風罩的兩端口分別安裝一個滑槽；

所述集風罩中間位置安裝有升力型垂直軸風力機，所述升力型垂直軸風力機的中心軸穿過集風罩的底板，并通過中心軸與電機軸相連接，實現升力型垂直軸風力機與發電機的連接；

所述擋板升降系統包括入口擋板、出口擋板、絲杠、螺母、上限位塊、下限位塊及微型電機，所述入口擋板、出口擋板一端分別卡在集風罩兩端口的滑槽內，另一端分別與一個螺母焊接；所述螺母與絲杠咬合，所述絲杠底端與微型電機連接，所述微型電機帶動絲杠旋轉，控制入口擋板和出口擋板的升降；所述絲杠、微型電機的頂端分別安裝有上限位塊、下限位塊；

所述發電控制系統包括溫度傳感器、濕度傳感器、轉速傳感器、控制器及能量存儲器，所述控制器和能量存儲器均通過導線與發電機相連，分別用于控制發電機的啟停、存儲發電機發出的電能；所述控制器還通過導線分別與溫度傳感器、濕度傳感器及轉速傳感器相連，所述溫度傳感器、濕度傳感器分別安裝在集風罩頂板上且靠近兩端口處，用于測量高速公路環境狀況，并將采集到的數據發送至控制器，所述轉速傳感器安裝在電機軸上，用于測量發電機的轉速。

上述方案中，所述集風罩距離地面1-1.2m。

上述方案中，所述升力型垂直軸風力機為H型垂直軸風力機，材料為玻璃纖維。

上述方案中，所述發電機為小型永磁交流發電機。

上述方案中，所述升力型垂直軸風力機還包括升力型葉片及連接桿，所述升力型葉片通過連接桿與中心軸相連；所述升力型葉片共有4片，4片升力型葉片的兩兩對稱。

上述方案中，所述微型電機為直流電動機。

基于汽車風速的高速公路風力發電裝置的工作方法，包括以下步驟：

步驟1)，基于汽車風速的高速公路風力發電裝置開始工作時，首先通過溫度傳感器和濕度傳感器測量高速公路的環境溫度和濕度，若溫度和濕度處于不正常狀態，則裝置不工作，繼續測量溫度和濕度；若溫度和濕度處于正常狀態，則進行下一步；

步驟2)，發電控制系統中控制器向擋板控制系統發出指令打開集風罩的入口和出口，擋板控制系統收到指令，控制微型電機工作，微型電機帶動絲杠旋轉，螺母沿著絲杠下降，直至螺母下降至下限位塊；入口擋板和出口擋板隨著螺母下降，從而實現集風罩入口和出口的打開；

步驟3)，在高速公路上高速行駛的車輛會帶動車身周圍的氣流形成流場，氣流通過集風罩的入口和出口流入集風罩內，帶動升力型垂直軸風力機旋轉，發電機的電機軸也隨之旋轉；此時，發電控制系統中的轉速傳感器開始測量電機軸轉速n；

步驟4)，當轉速傳感器測得的轉速n大于升力型垂直軸風力機的起動轉速n_min時，發電控制系統中的控制器才將發電機發出的電能接入能量存儲器；若轉速傳感器測得的轉速n小于升力型垂直軸風力機的起動轉速n_min，則控制器斷開發電機與能量存儲器的連接，即不將發電機發出的電能接入能量存儲器；

步驟5)，轉速傳感器在升力型垂直軸風力機工作時持續測量電機軸的轉速n，若測得的轉速n大于升力型垂直軸風力機的最高轉速n_max，發電控制系統中控制器向擋板升降系統發出指令，關閉集風罩的入口和出口，工作過程和步驟2)中打開入口和出口的過程相似，直至螺母上升至上限位塊處；集風罩的入口和出口被完全關閉后，轉速傳感器測量此時電機軸轉速，當測得的轉速n小于n_max時，再次打開集風罩的入口和出口。

本發明的有益效果是：

1、本發明的集風罩兩端口形狀大小相同，可以收集高速公路隔離帶兩側的風能，集風罩距離地面1-1.2m，這個高度汽車行駛引起的氣流流速最大，同時集風罩兩端寬中間窄的結構，起到整流和增速作用，可提高風能回收效率。

2、本發明的升力型垂直軸風力機不需要對風裝置，可以收集任何方向的來風，同時該風力機結構簡單，噪音水平低，配合集風罩的使用，可以大大降低整個風力發電裝置發出的噪音，保證車輛內人員的身心健康。

3、本發明的升力型垂直軸風力機有起動轉速n_min和最高轉速n_max，在正常天氣情況下，通過所述擋板升降系統和發電控制系統的配合，控制集風罩入口和出口的開合，使得垂直軸風力機在(n_min,n_max)轉速區間內運轉，保證發電系統較高的轉換效率；在天氣情況不好或惡劣天氣情況下，可以閉合集風罩的入口和出口，保證垂直軸風力機和高速公路行車的安全。

附圖說明

圖1為基于汽車風速的高速公路風力發電裝置在高速公路隔離帶中的安裝示意圖；

圖2為基于汽車風速的高速公路風力發電裝置結構示意圖；

圖3為集風罩結構示意圖；圖3(a)為集風罩軸測圖；圖3(b)為集風罩俯視圖；圖3(c)為圖3(b)中A的放大圖；

圖4為升力型垂直軸風力機結構示意圖；圖4(a)為升力型垂直軸風力機軸測圖；圖4(b)為升力型垂直軸風力機俯視圖；

圖5為擋板升降系統結構示意圖；圖5(a)為擋板升降系統軸測圖；圖5(b)為擋板升降系統正視圖；圖5(c)為圖5(b)中B的放大圖。

圖中：1-集風罩；101-滑槽；2-升力型垂直軸風力機；201-中心軸；202-升力型葉片；203-連接桿；3-擋板升降系統；301-入口擋板；302-出口擋板；303-絲杠；304-螺母；305-上限位塊；306-下限位塊；307-微型電機；4-發電機；401-電機軸；5-發電控制系統；501-溫度傳感器；502-濕度傳感器；503-轉速傳感器；504-控制器；505-能量存儲器。

具體實施方式

下面將結合附圖對本發明作進一步詳細描述。

如圖1所示，基于汽車風速的高速公路風力發電裝置安裝在高速公路隔離帶中，風力發電裝置可單個使用，也可多個串聯使用。

如圖2所示，基于汽車風速的高速公路風力發電裝置包括集風罩1、升力型垂直軸風力機2、擋板升降系統3、發電機4及發電控制系統5。

如圖3所示，集風罩1為兩端寬、中間窄的管道，集風罩1的兩端口(入口和出口，“入口”和“出口”僅為區別集風罩1的兩端口)形狀大小相同且在空間上對稱，使用時集風罩1距離地面1-1.2m，且入口和出口所在平面垂直于汽車行駛方向，集風罩1的兩端口分別安裝一個滑槽101；集風罩1設計成兩端開口寬中間窄的結構，起到整流和增速作用，提高風能發電效率，同時降低整個發電裝置的噪音水平；在惡劣天氣條件下，集風罩可以保護升力型垂直軸風力機免遭破壞；在風力機發生故障時，可以保護車輛的行車安全。

集風罩1中間位置安裝有升力型垂直軸風力機2，升力型垂直軸風力機2的中心軸201穿過集風罩1的底板，并通過中心軸201與電機軸401相連接，實現升力型垂直軸風力機2與發電機4的連接；發電機4為小型永磁交流發電機，具有性能穩定、成本低、轉速匹配好、出功效率優良等特點；升力型垂直軸風力機2為H型垂直軸風力機，材料為玻璃纖維，升力型垂直軸風力機2不需要對風裝置就可以收集任何方向的來風，具有結構簡單、噪音低的優點；如圖4所示，升力型垂直軸風力機2還包括升力型葉片202及連接桿203，升力型葉片202通過連接桿203與中心軸201相連；升力型葉片202共有4片，4片升力型葉片202的兩兩對稱，升力型葉片202為NACA0018型葉片。

如圖5所示，擋板升降系統3包括入口擋板301、出口擋板302、絲杠303、螺母304、上限位塊305、下限位塊306及微型電機307，微型電機307為直流電動機；入口擋板301、出口擋板302一端分別卡在集風罩1兩端口的滑槽101內，另一端分別與一個螺母304焊接；述螺母304與絲杠303咬合，絲杠303底端與微型電機307連接，微型電機307帶動絲杠303旋轉，控制入口擋板301和出口擋板302的升降；絲杠303、微型電機307的頂端分別安裝有上限位塊305、下限位塊306。

發電控制系統5包括溫度傳感器501、濕度傳感器502、轉速傳感器503、控制器504及能量存儲器505，控制器504和能量存儲器505均通過導線與發電機4相連，分別用于控制發電機4的啟停、存儲發電機4發出的電能；控制器504還通過導線分別與溫度傳感器501、濕度傳感器502及轉速傳感器503相連，溫度傳感器501、濕度傳感器502分別安裝在集風罩1頂板上且靠近兩端口處，用于測量高速公路環境狀況，并將采集到的數據發送至控制器504，以此判斷打開或關閉集風罩1的入口和出口；轉速傳感器503安裝在電機軸401上，用于測量發電機4的轉速；控制器504用于控制擋板升降系統3和能量存儲器505。

基于汽車風速的高速公路風力發電裝置是按照如下步驟工作的：

步驟1)，基于汽車風速的高速公路風力發電裝置開始工作時，首先通過溫度傳感器501和濕度傳感器502測量高速公路的環境溫度和濕度，若溫度和濕度處于不正常狀態，則裝置不工作，繼續測量溫度和濕度；若溫度和濕度處于正常狀態，則進行下一步。

步驟2)，發電控制系統5中控制器504向擋板控制系統3發出指令打開集風罩1的入口和出口，擋板控制系統3收到指令，控制微型電機307工作，微型電機307帶動絲杠303旋轉，由于螺母304與絲杠咬合，所以螺母304會沿著絲杠下降，直至螺母304下降至下限位塊305；又由于入口擋板301和出口擋板302一端都與螺母304焊接在一起，所以入口擋板301和出口擋板302會隨著螺母304下降，從而實現集風罩1入口和出口的打開。

步驟3)，在高速公路上高速行駛的車輛會帶動車身周圍的氣流形成流場，氣流通過集風罩1的入口和出口流入集風罩1內，帶動升力型垂直軸風力機2旋轉，發電機4的電機軸401也隨之旋轉，實現機械能向電能的轉化；此時，發電控制系統5中的轉速傳感器503開始測量電機軸401轉速。

步驟4)，當轉速傳感器503測得的轉速n大于升力型垂直軸風力機2的起動轉速n_min時，發電控制系統5中的控制器504才將發電機4發出的電能接入能量存儲器505；若轉速傳感器503測得的轉速n小于升力型垂直軸風力機2的起動轉速n_min，則控制器504斷開發電機4與能量存儲器505的連接，即不將發電機4發出的電能接入能量存儲器505。

步驟5)，轉速傳感器503在升力型垂直軸風力機2工作時持續測量電機軸401的轉速n，若測得的轉速n大于升力型垂直軸風力機2的最高轉速n_max，發電控制系統5中控制器504向擋板升降系統3發出指令，關閉集風罩1的入口和出口，工作過程和步驟(2)中打開入口和出口的過程相似，直至螺母304上升至上限位塊306處；集風罩1的入口和出口被完全關閉后，轉速傳感器503測量此時電機軸401轉速，當測得的轉速n小于n_max時，再次打開集風罩1的入口和出口。

所述實施例為本發明的優選的實施方式，但本發明并不限于上述實施方式，在不背離本發明的實質內容的情況下，本領域技術人員能夠做出的任何顯而易見的改進、替換或變型均屬于本發明的保護范圍。