城市快速路噪聲發電隔聲墻

胡明浩 劉洋 董斌鑫 孫少錚 梁垚

摘 要：城市中車流量的增加帶來了道路上噪聲的巨增。指示牌、測速儀。紅綠燈等道路輔助設備對于電量的要求比較低，噪聲產生的電能可以為此類設備進行供電。客觀上，噪聲產生的電能隨車流量的影響較大，所以借助風能、太陽能輔助供電。我們要以噪聲發電為主體，建設現代城市道路綜合發電系統。

關鍵詞：噪聲發電；隔音墻；城市快速路

隨著社會的繁雜，越來越離不開能源。中國傳動的燒煤供能帶來了嚴重的大氣污染，開發新能源，特別是以風能、太陽能、溫差能為代表的可再生能源成為重要的研究課題。噪聲作為一種機械波，蘊含著可被人們所利用的能源。

1 現狀分析

據統計據統計鄭州市7個中心城區晝間道路交通噪音等效聲級加權平均值69.4dB為道路交通噪聲強度等級為二級。干道晝間等效聲級最高值為77.7dB。由此可見噪音對我們生活有很大影響。可以發現當噪聲沖擊隔音屏時，會讓隔音屏產生輕微的振動，并產生危害性更大的次聲波，最后能夠轉化為動能。這種動能可以推動后續的電機運動產生電能。噪聲的發電裝置可以與隔音屏連接在一起，更好的收集噪音能，為道路的基本的LED指示燈供電。

2 隔音墻方案設計

2.1 機械部分

傳統的公路聲屏障其由金屬百葉或者金屬篩網孔構成，大多數的聲屏障都選用吸聲和隔聲混合型，對道路噪聲的產生和傳遞特征有針對性地控制，如汽車與道路摩擦聲或機車與軌道摩擦聲在道路下部，聲音有通過屏體上部繞射的特征，所以在設計上采用上下吸聲，中間隔聲的結構，這樣可以有效地減弱噪聲的繞射；聲屏障的中間使用透明的反射型隔聲板，能有效地中斷聲波的傳播途徑；同時也為司機和居民提供一個開闊的視野環境。

2.1.1 噪音發電部分

聲音發電有電磁式和壓電式兩種。電磁式基于法拉第電磁感應原理，噪聲帶動導體線圈運動切割磁感線，產生感應電流。壓電式基于壓電材料，當噪聲壓力導致壓電材料發生形變時，材料兩極會產生電勢差。壓電轉換的優點在于結構簡單、無電磁干擾、加工制作容易，同時占用面積小、集成化程度高。綜合來看，壓電式能量收集選用壓電多晶陶瓷材料。該設計從技術上可以實現噪聲能量的收集、轉化、利用功能。缺點在于轉換效率低，對于強度較低的噪聲能量收集能力較低。所以，在壓電陶瓷發電片外需要將能量放大，同時又不能將聲音擴散出去，所以采用亥姆霍茲共鳴腔結構，該結構將環境噪聲收集。

2.1.2 風力發電部分

本設計采用圓筒形風力發電裝置，裝置上下有兩個風力發電機，中間由帶有燃氣輪機渦輪降低三套發電裝置連接同一套蓄形葉片運動進而切割磁感線進行發電，公路上汽車產生的風主要分布在車身高度位置，所以我們將風力發電裝置布置在離地一米左右的位置，最大可能地收集風能。并且考慮到隔音屏障的實用性，風力發電裝置間隔稍大，中間采透明板材連接，防止阻礙司機的視線以及阻止噪音的通過。

2.1.3 太陽能發電部分

利用太陽能發電有兩大類型，一類是太陽光發電（亦稱太陽能光發電），另一類是太陽熱發電（亦稱太陽能熱發電）。光伏發電是利用太陽能級半導體電子器件有效地吸收太陽光輻射能，并使之轉變成電能的直接發電方式，是當今太陽光發電的主流，我們就采用普通的光伏太陽能發電板，降低成本。將太陽能電池板安裝于隔音帶的上方，合理傾斜一定角度，同時還可為下方的噪音發電、風力發電裝置“遮風擋雨”，還可將電子電路做在電池板的下方，方便固定同時起到保護作用。

2.2 控制部分

系統工作原理采用太陽能發電、壓電式發電、電磁切割式發電等產生的電能通常是毫安、毫伏級的，我們要做的就是對這種電能進行存儲，該方案可在不借助外部電源對系統供電的前提下，將這種微弱電能兩級增強放大后通過調制電路使系統輸出端達到4.2V、355mA穩定的電能，實現向蓄電池充電。系統由輸入端輸入微弱電能，利用儲能電感儲能密度大的特點，可使電流強度迅速提高10倍以上，電能也隨之增加，完成第一階段的中間儲能；利用超級電容高功率密度的特性，將儲能線圈放出的電能暫時存儲在超級電容組，進行電能逐步積聚，完成第二階段中間，儲存在電容里，當電容的電能達到一定值時，采用PWM調制電路對電容進行電能穩定釋放，最后進通過充電電路將電能最終存儲在蓄電池中。

2.3 電能質量監控

基于物聯網的電能質量監測系統，實時采集微電網運行數據，實現微電網內設備狀態和電能質量實時監控，異常數據現地決策。通過網頁和移動APP，可以實現人機交互的功能。網頁方面，接收Web服務器的數據，將發電的實時信息顯示在網頁上，并要將電壓信息用曲線圖的方式實時畫在網頁上。使用Android客戶端把服務器電壓、電流等微電網信息即時進行顯示，出現問題即可進行及時警報。

3 方案評價

將城市交通中的噪聲污染消除，并進行轉化，使其變廢為寶，用于交通基礎設施的供電，有利于建設智慧城市；將多種自然界的能量匯集在一起，形成綜合發電體系。傳統的發電裝置基本是單獨一種能源，會因為不同時間、不同地點的差異而影響整體的發電效果。本設計綜合了各種清潔能源的優點，將能源產生時間，地點進行互補，確保確保交通用電的穩定。

參考文獻

[1]韓旭.淺析噪聲發電[J].應用能源技術，2014（5）14-16.

[2]荀華，宋長忠，韓建春.噪聲發電研究的展望[J].能源與環境，2010（1）7-8.