公路隧道风能利用初探
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摘 要：随着传统化石能源的日渐枯竭，人们逐渐将目光转移到以风能等可再生能源为主的能源利用结构上来。它们相比传统能源，具备清洁、廉价、可持续等优点。目前，可再生能源在各种公共基础设施中已经得到大量应用。本文将对包含太阳能电池板、小型风力發电机、储能电池和路灯这四种设备的微型电力系统进行建模分析，获得其运行状况，评估将风能应用于道路路灯系统的可行性。
关键词：风能;微型电力系统;仿真分析
1 引言
在能源结构重心逐步向清洁能源转移的过程中，我国大量的公共基础设施成为了新能源的首批探索者与使用者，一方面，这有助于获得经验，促进技术进步，另一方面，也对广大居民用户作出了表率，号召大家使用清洁能源。高速公路作为基础设施的重要组成部分，已经成为使用可再生能源的先行者。探讨风能在高速公路机电系统供电中的应用，作为公路正常供电部分的有益补充，有着积极的技术和经济意义。
2 风能道路照明系统的理论建模
传统的道路照明系统结构简单，通过铺设电缆，使用传统电网中电能对路灯供电，其运行状态较为简单，当电源开关打开时，路灯从电缆获取电能，电源开关关闭时，整条线路断开，而架设电缆、灯具的费用加上电网电费，使得传统路灯的使用成本居高不下，且维护费时费力。为了解决这些问题，我们可以引入风能和太阳能为照明灯具供电，这样路灯系统既不依赖外界电网，也无需铺设电缆，就能实现自持运行，从而使得运营成本大幅下降。据此可知，该照明系统主要包括四个模块，分别是太阳能电池板、风力发电机、储能电池和灯具。假设全天24h中，白天日照持续时间为6：00至18：00，而路灯一般工作时间为18：00至次日6：00。由于太阳能电池板只能在白天接受日光产生电能，而路灯只需在晚上打开照明，因此其发电时间段内无需直接将电能供给路灯使用，需要先将其产生电能充入蓄电池。风力发电机的工作时间不受日照时间限制，仅受区域风力作用时间影响，因此其可以在全天任意时段工作，其产生的电能既可以存入蓄电池中，也可以直接供给路灯使用。蓄电池接受来自风力发电机和太阳能电池板的产生的电能，并在合适的时间段对电灯进行供电。在不考虑运营期设备折旧和运行损耗的情况下，该系统的建设期投资成本即为项目的总成本。显然，总成本由蓄电池、太阳能电池板、风力发电机、灯具决定，不妨认为太阳能电池板和风力发电机的成本与其各自输出功率呈正比关系，而蓄电池的成本则与它能存储的电量呈正比关系，即太阳能电池板和风力发电机的最大输出功率越大，其对应的设备造价就越高，蓄电池的工作容量越大，其对应造价也越高。
3 隧道中风力发电可行性分析
由于公路隧道中要安装照明灯具、通风、消防设备以及标志、标牌等其他附属设施，所以安装风力发电机，选择隧道两侧边墙的空间作为安装部位较为合适。公路隧道有足够的空间安装风力发电机，且不影响车辆的运行和隧道的通风。以隧道三心圆断面为例，拟定风力发电机布局方案。考虑台阶的宽度大约为0.8m，为了不影响车辆的正常通行要保证风轮外缘不超出台阶边界，所以选取风轮的回转半径为0.4m。与此同时为了充分利用隧道中的风能，采用梅花形布局，每个断面可布4个～6个回转半径为0.4m的风力发电机，每个风力发电机的受风面积：
S=πR2=3.14×0.4×0.4m2=0.5024m2
通过查阅资料和分析，风能计算公式为：
P=1/2ρsv3
式中：
ρ——空气密度;
s——截面面积;
v——风速。
这里取偏小转换系Cp=0.3。因目前有关小型风力发电机的发电功率计算，还没引起普遍关注，缺少相关资料。本文的计算是按中大型风力发电机的理论计算的，存在计算误差;小型风力发电机的发电功率还需以试验数据为准，这也是下一步研究的重点方向。根据上述风扇回转半径及布局方案，得到不同位置平均功率。初步计算可得，隧道入口段每台风力发电机平均功率P入=5.9238W，洞身段平均功率P中=1.0812W，出口段平均功率P出=3.9712W（因时间较短，只采集数据点为入口、中部和出口。此数据并不完善，仅用于前期的初步估算。若需更准确的数据，则需要按风扇布局位置，逐点采集风速）。
对数据进行分析和计算。用统计分析软件Minitab对功率与位置之间关系进行分析。并使用TuKey法对信息进行分组，不共享字母的均值之间具有显著差异。Tukey95%整体置信区间位置，水平间的所有配对比较。单组置信水平=98.06%，表示均值的概率分析有98.06%的可信度，说明这个均值可用。
隧道出、入口50m范围内，每组风力发电机的纵向间距取12.5m，隧道洞身段纵向间距取25m，可得隧道入口、洞身、出口段能安装的风力发电机个数n1、n2、n3分别为42、508、42。计算隧道内单位时间产生的总功率P=n1P入+n2P中+n3P出=964.8W，其中n1、n2、n3分别代表隧道入口、中间、出口处所安装风力发电机的数目。一天内风力发电机能产生的总能量Q=PT=83362141.4J，额定功率为10W的LED灯在额定工作环境下一天所消耗的电能为Qa=864000J，可计算出风力发电机所产生的电能可供额定功率为10W LED灯的工作时长。综合以上分析结果，我们初步得出隧道风能有一定的利用价值。
[N=QQa=83362141.4J864000J≈96]
4 应用前景
在能源紧缺的形势下，利用风能发电已经逐渐成为代替能源方式的其中一种。而隧道因车辆运动产生活塞效应，其风力相对外界大很多，由我们实际采集的数据以及对数据进行的分析可以明显看出利用隧道风力发电可节省的电能也十分的可观。根据交通运输部综合规划司发布的交通运输行业发展统计公报，我国已经是世界上公路隧道最多、发展最快的国家，近十年来，公路隧道年均增长率达24%，公路隧道的重要性日益凸现。截止2018年底，全国公路隧道为17738处，全长达到1723.61万米。按计算模型进行能量的初步计算，能量较为可观。并且我国地形复杂，在偏远山区修建隧道保证道路畅通已实属不易，安装电力系统则更加困难。但往往这些地区的风力要大于城市，利用风能既可以节约资源，又可以降低隧道运维成本，所以此项研究有十分可观的发展前景。
5 结束语
综上所述，本文通过对包含风能和太阳能的照明系统进行建模，分析其运行状况，可以得出结论，该系统可以不借助外界电能实现自持运行，从而大幅降低照明系统的运维成本。这种风、光互补的供电方式主要特点就是它的能源全部来自光能和风能，无需传统繁杂的布线，并且系统无污染、维护简便、使用寿命长、能源丰富[3]。随着新能源技术的快速发展，国家的可再生能源正在快速崛起，但是太阳能和风能利用的直接成本高，因此笔者认为国家应加大扶持力度。在地形方面应做好选择，应选择比较空旷且风能丰富的地方，可以达到快速的用电需要。
参考文献：
[1] 王继芳.太阳能风能综合发电系统在高速公路中的应用[J].山西建筑，2017（21）：159～160.
[2]曹建宏，钟铭，朱岸生.太阳能风能在高速公路上的应用[C].2017中国科协年会，2006.
[3] 曾盛.高速公路太阳能供电和风力供电技术应用[J].交通科技与经济，2017（4）：54～56.
[4] 田盟刚.太阳能风能在陕甘界至宝鸡高速公路中的应用[J].中国交通信息化，2017（9）：129.
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