风力发电挡横风系统

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Wind Power Windshield System

Wu Dongpeng； Deng Yangyang； Xu Yibin；

Fan Yu； Ma Tengyuan； Wu Dongxia； Wu Zhong

（河海大学土木与交通学院，南京 210098）

（Hohai University College of Civil and Transportation Engineering，Nanjing 210098，China）

摘要： 风力发电装置作为挡风设施，既可以减轻横向侧风对行驶车辆的影响，又能够为其它交通设施提供电力。论文研究一种适用于道路挡风的混合式风机，并提出它的设计方法。混合式风机具有消耗风能降低路面风速、高效率转化电能、绿色环保以及综合利用资源的特点。

Abstract: Wind power device as the windshield device, can not only reduce influence of crosswind on the vehicle in driving, but also provide power for other traffic facilities. The thesis studied a kind of hybrid fan which is applied to road windshield and put forward its design procedures. It can reduce wind speed and convert high-efficiently wind energy sources into electrical energy, and protect environment and comprehensively utilize resources.

关键词： 交通设施 组合风轮 风力发电 节能减排

Key words: traffic facilities；rotor combinations；wind power；energy conservation and emission reduction

中图分类号：TM614 文献标识码：A文章编号：1006-4311（2011）32-0043-01

0引言

我国一些多风强风地区时有横风引起的交通事故。一些偏远地区道路，目前仍然还存在缺电的情况，这对交通的发展产生影响。结合风机底座土建，在道路两旁安装系列发电风轮机形成“挡风墙”，风机所发电力也可为当地照明或其它交通设施供电。

1系统设计

1.1 风机选型垂直轴发电机主要有萨渥纽斯型（H型）和达里厄型（S型）。H型风轮无反向力矩，能量利用率高，但风速低时难自行启动。S型风轮启动风速低，但反向力矩较大，能量利用率低。路边挡风风机只有充分消耗风能，才能有效降低机后风速。考虑两种风轮的优缺点，二者结合形成共轴组合式风轮，使组合风轮表现出优良的低风速气动性能和较高的风能利用率。

1.2 挡风“墙”挡风结构由若干风轮沿道路一侧或两侧排列组成。风机由垂直转轴、风机叶轮以及风机底座构成。风机底座间可由垂直的挡风结构物连接。

1.2.1 底座间连接墙底座间连接墙为垂直网状或栅栏状挡风结构。相关研究表明，栅栏透风率小于30%时对挡风率影响不大[2]。为降低材料消耗，可以采用透风面积约为30%的栏栅，挡风效率约为70%[2]。连接体和底座共同构成低矮的“硬”挡风墙，也使得其上部的风力更加强劲，推动风轮转动。

1.2.2 风轮结构设计两种风机的配合尺度依据组合后最优的风能利用率决定。风能利用率是指风机抽取的功率和来风总功率的比值。尖速比是指风轮外边缘切线风速与来流风速的比值，即?姿＝■[3]。

当?姿S＝0.95时，S型风轮达到最佳风能利用率，风轮效率C■■＝0.3，而当?姿H＝5时，H型风轮才达到最佳风能利用率，效率为C■■＝0.4。当H、S型共轴形成组合，则有?棕S=?棕H。来流风速度可看成相同，S和H型风轮同时达到最佳效率由尖速比计算式?姿＝■推算出H型风轮半经5倍于S型。

风轮扫风面上的最大宽度与高度之比称为高径比，分别表示为iS=■，iH=■。其中h、d为S型风轮叶片高度和直径，H、R分别为H型风轮叶片高度与半径。不同类型的风轮有不同的最佳高径比。考虑单位叶片长要使风轮扫风面积最大，iS≈4，iH≈1时，S型、H型风轮风能利用率最佳[4]。根据文献，风轮的启动风速v起，额定风速为V能驱动功率为P的发电机；启动力矩与阻力矩之和为Me；电机效率?浊1及传动效率?浊2；要使风轮无外力启动，S型风轮产生的力矩必须大于启动力矩和传动力矩。保守计算，设一个可靠系数μ（μ>1）。

?滋Me=MS=■?籽ASV■■Cmrr=d-■（1）

r为S型风轮的叶尖半径，Ms为S型风轮的启动力矩，Cm为S型风轮的启动力矩系数，?籽为来流空气密度，e为S型风轮的重叠宽度，通常e=■d[1]。S型、H型风轮扫风面积As、AH及他们的功率为：

As=（2d-e）h=■dhA AH=2HR

C■■=C■■-■（C■■-C■■） p=■?籽A■V■■?浊■?浊■C■■（2）

通过迭代，可以求得H型风轮叶片半径R，再由（1）、（2）式得到S型风轮叶尖半径r、风轮叶片直径d、风轮叶片高度h以及H型风轮高度H、半径R，为设计所用。

1.2.3 挡风系统的高度和风轮间距设计系统视为一堵有一定透风率的连续墙体。β为设置单侧风轮时，“墙体”的挡风效率。若设置双侧风轮则挡风效率约为1.3β。根据一般风力发电厂风轮的布置经验，S一般为3R~6R。风的速率垂向呈对数分布，当风吹过挡风系统后，风速自行调整为对数分布，顶端速度和来风速率一致，地面风速为0。随高度变化的速度分布函数为v（z）=5.57u1n（z/k+1），其中，u为摩阻风速，k为地表粗糙度，z为高度（mm）。平均风速可由垂向积分除以分布高度获得。经挡风结构后的风能：

■?籽A■■■（1-?茁）=■?籽A■■■E■C■■+E■?浊=?茁E

■=■（3）

风机消耗的能量与底座遮挡的风能之和应为单个挡风单元的效率与来流风能的乘积，其中β为单侧系统消能效率。V2（z）为装置后风速分布，■■，■■为挡风墙前后的平均风速，■■为汽车上的平均风速，按照设计标准■-V安?燮0，据经验设定S值，联立（3）式得H总、β。

2结语

风力发电挡横风系统可以与当地风力发电场建设配合，风机设置在道路两侧，不仅可有效缓解横风影响，还可以帮助解决偏远地区供电困难问题。和太阳能一样，风能挖掘利用、为偏远地区交通服务，应该是绿色交通发展的又一个新方向。

参考文献：

[1]杨海波.基于空气动力学的汽车行驶安全性研究，2007.

[2]郑继平.南疆线桥梁挡风墙结构性能研究.西南交通大学硕士学位论文，2008.

[3]何宗敏.Darrieus-savonius组合风轮几何尺寸确定方法的探讨.太阳能学报，1993，10.

[4]张瑞嘉.基于风洞试验的垂直轴风机性能研究.华南理工硕士毕业论文，2010.

[5]“水武路横风烈石忠路温差大 天气恶劣易发生事故”重庆晚报，2009，9.

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作者简介：吴东鹏（1987-），男，山西朔州人，本科在读，主要研究方向为交通工程。