高速公路下坡行車發電系統

摘 要：本文公開了一種利用高速公路下坡行車進行發電的磁電發電系統方法，屬于可重復利用的清潔能源系統。其結構包括：車載磁極、路面嵌入磁極、路面嵌入閉合電路、整流器、逆變器、蓄電池。本發明采用了多組內嵌在路面內的磁極及閉合電路，當車載磁極隨行車下坡運動時，閉合線路磁通發生變化而進行群控發電技術。從試驗模擬系統看，其發電效益高、效果好。

關鍵詞：高速公路 下坡行車 慣性 發電

中圖分類號：TM619文獻標識碼：A文章編號：1674-098X（2013）04（b）-0101-03

1 問題的提出

我國已成為世界第一能源生產大國，但能源供應依然緊缺。到目前為止，我國電力裝機達11.4億kW；石油天然氣增長到1500億m3左右；水電裝機達到2.49億kW，居世界第一；風電裝機達到6300萬kW，成為世界第一風電大國，年發電量超過1000億kW時；光伏發電裝機達到700萬kW；核電在建機組30臺、3273萬kW，在建規模居世界第一，在役機組保持安全穩定運行。

1.1 山區高速公路坡陡且長，安全事故頻發

山區高速公路由于地形、地貌、地質條件等因素的限制，在一些特殊困難路段不得不采用連續長下坡。對行車安全存在巨大的隱患。連續長下坡路段往往是重大、特大惡性交通事故的多發段。國家督辦治理的全國29處公路危險路段就有16處屬于連續長下坡路段，高達55%，高速公路連續長下坡路段的行車安全是一個急需解決的問題。

以下是北京、福建、云南等幾個省市的高速公路連續長下坡路段歷時近四個月事故實地調查結果。北京八達嶺高速路55 km至49 km路段長下坡且彎多、超載車輛多，平均坡度3.82%，1998年11月以來，發生事故170余起，死43人，傷111人，進京方向發生死亡事故64起；福建漳龍高速公路88 km至74 km路段14 km連續長下坡，極限彎極限坡，平均坡度3.35%，2004年12月28日全線開通至2006年2月，該路段發生的制動失效事故47起，死亡15人，傷20人；云南元墨高速公路247 km至220 km路段27 km連續長下坡，彎多，超載車輛多，平均坡度3.95%，2004年3月至2006年4月，共發生制動失效的失控事故133起，死34人，傷56人；云南嵩待二級公路113 km至123 km路段為全封閉二級公路，10 km連續長下坡，坡底為收費站，超載車輛多，平均坡度3.917%，2004年12月至06年3月，共發生事故22起，死4人；云南通建高速公路6 km至24 km路段為18 km連續長下坡，2004年11月26日通車至2005年4月底，共發生交通事故32起，造成11人死亡，15人受傷。

1.2 高速公路下坡將成為坡道發電的重要來源

我國的高速公路里程總量大、高速公路上的行車密度高，為發電系統的應用提供了巨大的舞臺。截止2010年底，全國已有高速公路總里程6.5萬km2，道路車流密度折算日均通過2.5萬～5.5萬小汽車，是普通公路平均數的18.6倍，行車速度60～120 km/h，讓奔馳在高速公路上的汽車，成為人類新型電能的發電工具，具有巨大的經濟效益和社會效益。

根據資料收集和實地調查結果顯示，國內比較典型的連續長下坡路段坡度、坡長的線形指標如表1所示。

從表1可以看出，國內幾條典型的連續長下坡路段坡長一般超過4 km，平均坡度大于3%，是發電系統安裝的理想場地。

1.3 高速公路下坡發電系統的應用具有重要意義

利用在高速公路下坡道路上行使的汽車進行發電，所發電量屬于可重復利用的清潔能源，是能源的循環利用。既有效地利用了行使在高速公路下坡道路上的汽車的慣性力，又有效地利用了汽車的勢能，通過閉合線路磁通量的變化發電，為用電場所供電；

為確保行車安全，高速公路長大下坡的綜合治理措施有設置反坡路段、設置避險車道、強制休息區（服務區、停車區）和完善的交通安全設施（設置護欄、設置緊急出口、設置交通標志），而下坡行車發電系統在發電的同時還能更進一步地提高下坡道路上汽車的行車安全性，增加汽車行車阻力。車載磁極受電磁力的作用，可增加行車下坡阻力，減少汽車剎車片的磨損磨耗。

高速公路的長大下坡是發電系統安裝使用的最佳場所，而在我國東北和西部的山區修建高速公路不可避免的要出現長大下坡，這些地方常規交通也不發達，冬季天氣寒冷，道路結冰，所發電能既可以反哺道路用于給路面加熱消除冰滑，又可以就近給交通不發達的村民提供電能。

2 系統工作原理

如圖1所示，在磁鐵的兩極之間，放置一個由導線組成的矩形回路abcda，其中導線ab可以滑動，當導線ab向右移動時，電流計的指針將向一方向偏轉；如使導線ab向左移動，則電流計的指針將向與上述相反的方向偏轉。線圈中產生電流，可以保持線圈不動，使線圈中的磁場發生變化而引起，也可以是磁場不變，使線圈在磁場中運動而引起。當通過一個閉合導電回路所圍面積的磁通量發生變化時，不管這種變化是什么原因引起的，回路中就有電流產生。

基于以上原理，我們可以讓磁鐵的某一極向某一個方向（如右向）以速度作直線運動，如圖2所示。

同時假定線圈ad、ab的長度為，磁鐵在速度方向的長度為H，則當向右運動的磁鐵由左向右運動時，線圈內的磁通變化情況及電勢變化情況如圖3及式（1）、（2）所示。

（1）

（2）

式中：Φ —通過閉合線圈的磁通量，韋伯；

N—閉合線圈的匝數，匝；

—閉合線圈在運動磁極方向的長度，米；

B—磁感應強度，特斯拉。

基于以上理念，本發明將磁鐵固定在運行于高速公路上的汽車后橋上或用磁鐵制作汽車上某大型構件，當汽車下坡運行時磁鐵隨車運動，使嵌固于下坡路面內的另一個磁極及閉合線圈產生感生電動勢，在回路中生產電流，圖4所示。

該系統的技術要點如下：

①在高速公路下坡沿線路面內適當位置嵌入磁極閉合電路，當車載磁極隨行車下坡運動時，線路內變化的磁通引起電動勢，在線路內形成電流，充分利用行車慣性動能，又能增加行車下坡的阻力；

②利用速度開關能夠保證行車超出設計時速時，切斷發電系統電路，保證發電系統安全；

③由整流器利用變速恒幅技術將發電系統發出的交流電整流成幅值確定的直流電；

④利用蓄電池將間歇運行行車得到的電能集中起來，形成可以利用的電能。

3 模型制作

為模擬汽車在高速公路下坡上行使發電系統，在實驗室制作了一個小型發電系統，該系統照片如圖5所示。該小型發電系統的下坡道路路面用3 cm×30 cm×200 cm的紅松木板代替，木板與水平面的夾角為15°，在木板的下端開11 cm×16 cm的穿透孔，在與穿透孔相應位置木板的側立面安裝用于布置電燈的小木槽，電燈為四個LED小燈泡和兩個二極管串聯，磁鐵為2.5 cm×10 cm×15 cm普通磁鐵兩塊，線圈為細銅質漆包線，繞成約10 cm×15 cm的矩形，300匝，小車用玩具車替代，將小車內掏空，用鐵絲將一塊磁鐵固定于小車底部，將線圈和另一塊磁鐵內嵌于木板上開好的槽內并在底部用薄木板封底，槽內磁鐵的上表面用薄木板覆蓋，薄木板的上表面與松木板找平，負載LED燈和二極管串入線路中，此一切準備就緒后，可以開始試驗。試驗時，分別將小車從遠離木板內磁鐵60 cm、80 cm、100、120 cm、140 cm的位置沿木板縱向自由下滑，試驗表明，小車從以上5個點向下滑，負載的四個LED燈和兩個二極管均能發光；當小車距木板內磁鐵的滑行距離小于60 cm時，小車滑行到板內磁鐵處將由于磁力的作用而停止，可見，下坡行車發電系統可用，且有利于下坡行車安全。

4 結語

高速公路下坡行車發電系統于2011年獲得國家實用新型專利，該系統是一種利用高速公路下坡行車進行發電的磁電發電系統方法，屬于可重復利用的清潔能源系統。其結構包括車載磁極、路面嵌入磁極、路面嵌入閉合電路、整流器、逆變器、蓄電池。它采用多組內嵌在路面內的磁極及閉合電路，當車載磁極隨行車下坡運動時，閉合線路磁通發生變化而進行群控發電技術。從試驗模擬系統看，其發電效益高、效果好。該系統坡道資源豐富，它的進一步研究開發和推廣，將有利于更進一步地增加汽車行車阻力，減少汽車剎車片的磨損磨耗，提高下坡道路上汽車的行車安全性，冬季給路面加熱消除冰滑，又可以就近給交通不發達的村民提供電能，緩解國家能源供應緊張的局面。

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