广告牌除雾霾功能设计

李晓红

河源技师学院，广东河源，517000

0 引言

近几年来，我国有很多的城市陷入了雾霾中的笼罩中。机动车辆的尾气排放是雾霾的主要来源之一[1]。我国及其他许多国家研发了很多除雾霾的装置。最早的防雾霾设备便是口罩，最早的口罩材料为无纺布，到后来为活性炭，再到基于超声等离子除尘技术的新型防雾霾口罩，口罩的发展也经过了一系列的转变。空气净化器的起源是在二战时期，用于消防安全，后来经过改造变身成为今天的空气净化器。但是，这些除雾霾产品的缺陷便是不能大面积使用，目前市场上还没有出现室外的能大面积除雾霾的产品[2]。

1 广告牌除雾霾结构的设计

广告牌除雾霾装置是在原有的除雾霾装置的基础上进行进一步的研究，达到了大面积除雾霾的目的，环保并且经济。本设计的风力发电能源模块的总传动形式采用一字型总体布局，具体如图1所示，这种布局形式具有对中性，负载分布比较均匀。

图1 一字型总体布局

1.1 广告牌的结构

由于此设计是针对高速公路上的广告牌设计，那么就必须考虑它的环境和条件，对广告牌形状结构设计就要考虑后续能源问题对广告牌结构的影响。广告牌设计成立体形状，把其他装置放在广告牌的空间里面，有效利用空间，不影响广告牌的本身意义。高速公路的广告牌一般所处的位置相对来说离地面比较高，地理位置越高可以利用的风能就越充足。因此广告牌的结构设计要从捕捉风能和不影响广告牌的目的这两个方面去考虑，广告牌的某些面要设置通风孔，要考虑到整个装置通风散热，以保证整个空间的气体流通是顺畅的[3]。

1.2 能源模块的结构

在广告牌除雾霾功能设计的过程中，首要考虑的是环保问题。在本设计中选用成型的小型风力发电装置，有竖直轴和水平轴两种类型可供选择，选择过程要考虑装置拥有较高的风能利用系数，它的大致结构有以下几种：导流罩、风扇、调速器和限速装置、传动机构。

风轮机构是由三个或多个叶片和轮毂组成的，风轮的作用是将风的动能转换成机械能，风力机的叶片安装在轮毂上，通过轮毂与主轴相连接，叶片受力带动主轴转动并带动发电机发电，具有转速高、风能利用系数高的优势。在本课题中根据方案需要选择机械结构。

调速器和限速装置：调速器和限速装置都是面对转速问题而言的，可实现风力机在不同风速下的转矩恒定或者不超过某一转速恒定值。当风速过高时还可以用来限制功率，减小叶片所受的力，以减少叶片损耗。

传动装置：由于广告牌除雾霾功能设计针对的是高速公路，所以传动装置还是必不可少的。风力机的传动机构一般包括低速轴、高速轴、增速齿轮箱、联轴节和制动器等，在此设计中选用的齿轮箱采用的结构是定轴线齿轮传动，它的结构简单，容易维护，造价较低，符合当下的经济条件。

1.3 过滤装置的结构

广告牌除雾霾功能设计的最终目的是要除雾霾，所以在除雾霾的过滤系统设计方面，从颗粒直径大小分为粗、中、细三层过滤，粗过滤能够去除空气中的大的颗粒纸屑、塑料等垃圾，起到保护过滤装置的作用，过滤器按效率又分为粗效过滤棉、中效过滤棉、高中效过滤棉、亚高效过滤棉、高效过滤棉，考虑到方案的经济可行性，在整个设计中采用性价比较高的过滤棉或者过滤布[4]。

由于过滤材料的透风性不是很好，特别是高效过滤棉的材料，使整个过滤系统处于一个相对密闭空间里，气体流动速度缓慢，所以在过滤系统末尾处增加一个换气扇可以起到加快空气流动的作用，以保证除雾霾功能正常运作，将换气扇安装在整个系统的末尾处即可。

1.4 导流结构

导流结构引导流体按照一定的方向前行，有的导流结构还有聚集流体增大速度的作用，导流结构的形式有很多种。将风力发电装置安装在广告牌内部，风叶所接触的风能减少，风力发电的效率将会降低，所以要将风能聚集起来，可以在广告牌特殊结构处安装一个特殊设计的聚流罩，既可以加快风速，又可以起到导流的作用。

1.5 控制结构

根据大气环境检测能见度大小，国家将雾霾在空气中的含量分为轻微、轻度、中度、重度四级，所以在装置外面安装一个大气环境监测装置，控制结构将检测到的数值传入到信息控制中心，与某一设定值做对比，如果大于等于某一设定值时，则风扇打开，整个过滤系统进入循环状态，当系统运作一定的时间，检测到周围环境的空气质量小于某一数值时，风扇停止运行，系统进入缓慢的净化状态。

2 广告牌除雾霾功能设计方案

广告牌除雾霾装置在目前的市场中还没有成型的产品以及可供参考的结构设计，此次对广告牌除雾霾的设计原理作解释。基于环保，广告牌除雾霾不能造成二次污染，选用绿色能源满足自身所需的能量，有风能和太阳能可供选择，通过改造广告牌的结构实现风能发电，在广告牌内部加装过滤装置，实现广告牌除雾霾的功能。

2.1 广告牌除雾霾设计方案一

首次方案的设计主要将广告牌的外形设计为正立方体，立方体广告牌的设计尺寸为1.0×1.0×1.0米，每个侧面在原来的基础上以其面上的某一条棱边向内侧凹陷一定的角度，则与另一条棱边形成一个开口，考虑到广告牌除雾霾功能要解决自身的能源问题，所以应增加进风量或者加大进风的速度，所以上端面和下端面设计为凹槽形状，上下端面托盘的斜型挡板与之相邻的侧面所具有的特殊的凹陷结构形成了四个集风口，有助于增加风速，设计的广告牌面长度是正四面体边框的一半，带动内部风扇的转动和过滤装置更快过滤。此结构的设计不会影响看广告。

为了风力发电能更好地进行，将风扇设计为具有五个叶片的垂直结构，因为广告牌的结构外形为正四面体结构，所以五个叶片的风扇能更好地利用风能，可以打破每一个侧面所形成的平衡位置，也更能保证整个传动结构的平稳运作，减少振动以及对机构的损耗。在上端面的中心位置安装轴承座，使风扇所在的轴穿过上端面，将电机及整个增速装置安装在上端面所在的凹槽内部，在上端面上部再安装一个与下端面一样的凹槽导流结构，可以保护动力传动机构[5]。

在安装的过程中将整个装置的侧面按照广告牌小单元面的内嵌角度安装即可，四个侧面组合形成了一个新的四方体，完全不影响广告效果，进风量增加的同时进风速度增加。集风罩的设计依据为流体力学中的连续性方程，所以在集风罩的作用下获得了更高的速度，在气体到达风叶之前先经过风力发电机的导流罩，改变风的运行轨迹，风速增加便带动风叶转动起来，此处的风扇是竖直轴的，扇叶也是竖直的并且扇叶的设计面积较大，能够更好地捕捉风能，再经过增速箱的传动就可以获得较高的转速了，发电机将风的动能转化为机械能，再把机械能转换为电能储存，发电机所得的电能储存在电能储存装置，再通过逆变器就可以将直流电转换为交流电，以方便给排气扇供电，这样整个结构自身所需要的能源问题就解决了[6]。

在方案一里面过滤系统分为三级过滤，这三级过滤材料装在发电机风扇下面的盒子中，盒子三层可装载不同直径过滤棉的过滤板，盒子上线两端设置通风口，以方便空气的流动，选用不同的过滤材料，第一级过滤器选用更加经济的滤纸，制作成颗粒大小为1微米级的普通过滤棉。第二级过滤选用纤维层过滤棉，纤维层过滤棉的材料是使用各种纤维制成的，它填充率比较低，对空气的阻力值比较小，所以通常用在中小效过滤器中。第三级过滤棉采用了和第一级相同的材料，但是相对来说所用的滤纸更加精细，可以过滤到0.3微米的颗粒。

2.2 广告牌除雾霾设计方案二

广告牌外形设计为八面体，每一个面做成弧形结构，整个广告牌的结构是由八个小单元面组成，上下两端盖是导流结构组成。每一个小单元面连接着八面体广告牌的一条棱，通过组装可以接收到来自四面八方的风能，单位时间内通过的风体积增加，当经过导流罩相同大小的出口时，风速成倍增加，带动风叶的转动，使得发电机的工作效率增加。上端盖可以保护整个广告牌的内部结构，延长使用期限，上端盖与小单元面的组装形成了良好的导流结构，每两个小单元面和上下端盖之间形成了一个集风罩，不但可以改变风的流动方向，还可以增加风的流动速度。整个装置的材料选择用硬度较大的塑料，这种小单元的设计来批量化的生产，安装的时候步骤简洁、稳固，风扇可以工作的时间加长，整个系统的运作效率增加。

在本设计中采用竖直轴的大叶片风扇，为了整个结构的安全稳定运作，采用四个扇叶的风扇，从弧形的广告牌空隙中加速的风垂直打到扇叶上，扇叶转动带动轴转动，在轴与上下端盖接触的垂直轴方向各安装一个轴承端盖，轴与轴承端盖中间加装圆柱滚子轴承，主要用来减小摩擦力，上轴承座和下轴承座在结构上有一点小差别，由于轴没有超出上端盖，所以上轴承座采用实心结构，下端盖的中心打孔，所以下轴承座也打孔装轴承，由轴带动轴承转动，轴承和轴承座对轴起到了很好的稳定支撑作用，提高了风力发电的效率。

在扇叶轴的另一端增加一对啮合齿轮作为增速装置，通常风力发电的转速比较低，远远达不到发电机需要的转速，所以就有必要利用齿轮增速传导机构来增加转速，此时的扇叶轴对于增速装置来说是低速轴，那么增速装置的另一输出轴就为高速输出，高速输出轴和电机之间用凸缘联轴器连接，其叶片的弹性、旋转时产生的惯性、振动时的频率都要平稳，传递给整个发电系统的负载稳定性好，不会在离心力的情况下断裂飞出，也不能在高速运作范围内带动整个风电机组的强烈共振，所以在风力发电机组上考虑固定安装的结构。

为了不影响广告牌看广告的需求，我们可以再增加一个相同面积的八面体广告牌来装载过滤装置，在八面体广告牌内部增加四个不同尺寸的八面体框架，尺寸按一定比例减小，第一层八面体框架的整个侧面和上表面围上粗效过滤棉，第二层八面体框架的侧面和上表面围上中效过滤棉，第三层八面体框架的侧面和上表面围上活性炭过滤棉，活性炭是大面积的多孔疏松结构，能够有效地吸附空气中的颗粒物及其有害的化学物质，主要是车辆尾气排放的有毒气体及颗粒物，第四层八面体的框架侧面和上表面围上高效过滤棉。在整个广告牌的下表面的最中心位置安装一个排气扇来加快空气的过滤。在风扇不工作的条件下过滤系统依旧可以进行空气净化，在严重的雾霾天由控制系统开启风扇，完成空气净化，只要装置的过滤棉在可工作的条件下，空气净化作用时刻在进行，风扇的开启由控制中心控制，当雾霾检测装置检测到大气中的雾霾含量超过某一设定值，风扇开始工作。

将广告牌安装为上下两层，含有风力发电的八面体广告牌在上部，第一个广告牌的上端面上部再安装一个下端面，可以防止雨水进入发电装置中，电机处于第一个八面体广告牌的下端盖，将含过滤装置部分八面体广告牌的上端面与电机处的下端盖安装在一起，可以保护电机及其他的机械结构，除雾霾装置的排气扇安装位置向下，所以在装置的下端面加一层含有通风口特征的滤网，一方面可以保护排气扇本身，另一方面防止排气扇的结构掉落地面，起到安全防护的目的。

3 结语

广告牌除雾霾功能设计是针对高速公路的广告牌，由于高速公路的面积大，可安放的广告牌多，为除雾霾装置提供了便利的空间条件，通过这款除雾霾装置可以有效地减少空气中PM2.5的含量，提高空气质量。装置自身没有造成污染，整个装置简单、安全性能高，解决了自身所需的能源问题，实用性高。目前市场上还没有成型可使用的相关装置，所以该装置的研发具有一定的经济价值和意义。