道路光電—壓電式能量自足系統(tǒng)設(shè)計(jì)構(gòu)建

曹文斌+武超

【摘 要】在傳統(tǒng)的交通工程中，維持道路本身的運(yùn)作過程從照明到交通指示以及道路基礎(chǔ)設(shè)施都需要許多額外的能源輸入，但能量的輸入主要靠電網(wǎng)輸入，這不僅造成了電力的大量浪費(fèi)，而且還造成了環(huán)境污染。本文探究解決這一問題的方法，通過對道路本身進(jìn)行改造，設(shè)計(jì)構(gòu)建道路光電—壓電式能量自足系統(tǒng)，力求達(dá)到道路路段能量的自給自足，迎合“綠色節(jié)能”的發(fā)展方向，達(dá)到節(jié)能和環(huán)保的目的。

【關(guān)鍵詞】道路光電—壓電式能量自足系統(tǒng)；儲(chǔ)能核心；輸出端口；節(jié)能環(huán)保

1.引言

隨著我國社會(huì)的進(jìn)步與發(fā)展，不論是公路還是鐵路，數(shù)量上猛增的同時(shí)，覆蓋范圍也更為廣泛。這就使得原有的道路供電系統(tǒng)出現(xiàn)供電不足、供電范圍小、供電電網(wǎng)大規(guī)模建設(shè)等一系列問題。另外，也造成了大量的電力消耗和發(fā)電過程中的不環(huán)保現(xiàn)象突增，使我國環(huán)保問題遲遲得不到解決。這些問題都與人類社會(huì)發(fā)展的能源和環(huán)境要求相違背，亟需我們?nèi)ソ鉀Q。而本文所介紹的道路光電—壓電式能源自足系統(tǒng)就是結(jié)合了太陽能和壓電式發(fā)電來為道路系統(tǒng)提供能源，為解決相關(guān)問題提供了一種新的思路。

2.研究背景

2.1相關(guān)技術(shù)介紹

2.1.1太陽能。

太陽能是可再生能源，利用光電材料制作的太陽能發(fā)電裝置具有環(huán)保、結(jié)構(gòu)簡單，成本低，易于實(shí)現(xiàn)等優(yōu)點(diǎn)。但是由于太陽能密度不受人控制，加之不同地區(qū)、不同地形所收到的太陽能存在差異，很難合理有效的利用，故此太陽能的利用范圍并不廣泛。

2.1.2壓電效應(yīng)。

壓電體受到外機(jī)械力作用而發(fā)生電極化，并導(dǎo)致壓電體兩端表面內(nèi)出現(xiàn)符號(hào)相反的束縛電荷，其電荷密度與外機(jī)械力成正比，這種現(xiàn)象稱之為正壓電效應(yīng)。自居里夫人發(fā)現(xiàn)壓電效應(yīng)以來，機(jī)械能的回收利用技術(shù)也得到了長足的發(fā)展，壓電陶瓷正是基于該原理誕生的，利用壓電效應(yīng)提供能源越來越受人們的重視。

2.1.3道路光電—壓電式能源自足系統(tǒng)。

基于上述光電式-壓電原理來開發(fā)適用于道路使用環(huán)境的光電-壓電發(fā)電技術(shù)，圍繞采用光電-壓電方式來收集道路中的能量，構(gòu)建道路交通用電自足系統(tǒng)，從而達(dá)到節(jié)能、環(huán)保的目的。針對道路中大量存在的太陽能和機(jī)械能，將其收集起來并轉(zhuǎn)換為電能，供給道路基本設(shè)施的用電，以此減少對電網(wǎng)的依賴以及對電網(wǎng)電能的消耗，迎合可持續(xù)發(fā)展的大方向。

2.2相關(guān)技術(shù)的研究現(xiàn)狀

2.2.1國內(nèi)研究現(xiàn)狀。

在道路新能源利用領(lǐng)域，我國已經(jīng)開始利用太陽能、風(fēng)能等新能源發(fā)電設(shè)施來為道路系統(tǒng)補(bǔ)充能源；利用壓電材料作為路面車輛的感知系統(tǒng)，從而測車重等，很少涉及到利用壓電效應(yīng)來發(fā)電。此外，我國將兩種方式結(jié)合的研究也還不夠成熟。

2.2.2國外研究現(xiàn)狀。

光電式發(fā)電是將光能轉(zhuǎn)化為電能的技術(shù)，在國外已是較為成熟的技術(shù)。另外以色列的一家公司于 2008 年宣布研制出了基于壓電換能器的路面能量收集系統(tǒng)（IPEGTM）。但是將這兩種方式結(jié)合起來運(yùn)用的研究也極少。

3.研究意義

光電式發(fā)電是將光能轉(zhuǎn)化為電能的重要技術(shù)，已在實(shí)際中得到了廣泛的應(yīng)用，而壓電式發(fā)電技術(shù)也漸漸在交通領(lǐng)域中出現(xiàn)。但目前，就將光電式與壓電式有機(jī)的結(jié)合在一起的研究還不是特別成熟，都是基于理論研究，本研究希望能研發(fā)出適合于道路中能量收集的光電-壓電式裝置，在不同的實(shí)際路況中能持續(xù)高效的發(fā)電。

構(gòu)建的道路能量自足系統(tǒng)，可以簡化道路的電網(wǎng)結(jié)構(gòu)，減少電網(wǎng)的負(fù)擔(dān)，減少因火力發(fā)電而造成的污染與浪費(fèi)，同時(shí)對大氣環(huán)境也起到改善作用，提高道路用電的獨(dú)立性，對當(dāng)今社會(huì)的發(fā)展具有很大的實(shí)際意義。

4.道路光電—壓電式能量自足系統(tǒng)的構(gòu)建

光電-壓電式是將光能和機(jī)械能等能量，通過能量轉(zhuǎn)化裝置轉(zhuǎn)化為電能，然后經(jīng)能量輸入端口將電能儲(chǔ)蓄起來，最后用于道路照明、交通信號(hào)燈和道路中其他用電系統(tǒng)。其模型如圖1所示。

4.1光電輸入端口

4.1.1光伏發(fā)電基礎(chǔ)。

太陽能電池板組所輸出的電流為直流電，為了適應(yīng)交通用電設(shè)施的規(guī)格，應(yīng)對光伏發(fā)電裝置的輸出電流進(jìn)行逆變。通常的光伏逆變器采用電壓型逆變的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。

系統(tǒng)采用三相橋的電路結(jié)構(gòu)，逆變電壓通過電感與儲(chǔ)能裝置的端口相連接。系統(tǒng)的控制目標(biāo)即是使逆變器輸出的正弦波電流的頻率與電網(wǎng)電壓的頻率相同，以達(dá)到將光伏發(fā)電設(shè)備的電能順利輸入儲(chǔ)能裝置的目的。

4.1.2光電輸入方案。

在此系統(tǒng)中光伏發(fā)電作為系統(tǒng)的重要能量來源，必須提高本模塊的能量轉(zhuǎn)換效率，盡可能轉(zhuǎn)換利用有限的太陽能資源。

系統(tǒng)中的太陽能光伏發(fā)電機(jī)構(gòu)提供兩種開發(fā)方案，兩個(gè)方案有不同的適用情況。方案一：跟蹤太陽高度的太陽能電池板角度調(diào)整裝置，根據(jù)當(dāng)?shù)鼐暥纫约疤柛叨茸兓闆r設(shè)定周期的電池板調(diào)整計(jì)劃，通過在單片機(jī)內(nèi)集成計(jì)時(shí)器進(jìn)行控制；方案二：固定太陽能電池板位置，減少成本，但發(fā)電量減少，電池板角度通過緯度及安裝方法確定。

4.2壓電輸入端口

4.2.1壓電發(fā)電基礎(chǔ)。

壓電發(fā)電是根據(jù)行車數(shù)量和車輛通過的最大重量確定壓電陶瓷在路面下的鋪設(shè)深度，利用壓電材料將機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電能的的正壓電效應(yīng)，將轉(zhuǎn)化電流輸入儲(chǔ)能設(shè)備。

4.2.2壓電發(fā)電特性分析。

壓電發(fā)電裝置主要由壓電振子組成，而壓電壓電振子發(fā)電能力的性能指標(biāo)主要有電壓（）、電流（）、輸出功率（）、電量（）。通過對陶瓷壓電片材的靜力學(xué)分析（不考慮壓電片中間粘結(jié)劑的影響），計(jì)算壓電振子受外界激勵(lì)時(shí)產(chǎn)生的電量（）。

對于型壓電元件，在外界激勵(lì)作用下只有軸向位移的能力，其下上下表面會(huì)產(chǎn)生壓電電荷，此時(shí)壓電元件就相當(dāng)于一個(gè)電容，電容在兩極激發(fā)電荷后就相當(dāng)于存儲(chǔ)了一定的能量。d33型壓電元件的功率為：

式中：-壓電元件所承受的壓力； -壓電元件的厚度；

-壓電元件的尺寸；-加載頻率；

-壓電材料的自由介電常數(shù)，；

-壓電材料的真空介電常數(shù)，；

-壓電系數(shù)。

對于埋置在路面內(nèi)部的壓電換能器，假設(shè)換能器所轉(zhuǎn)換的電能全部輸出并儲(chǔ)存，根據(jù)下式可計(jì)算出換能器在一次標(biāo)準(zhǔn)軸載通過后所轉(zhuǎn)換的電能：其中，為表面所帶電荷量；表示開路條件下?lián)Q能器兩端電勢差；為壓電陶瓷面積；為壓電陶瓷厚度；為壓電陶瓷的真空介電常數(shù)；為壓電陶瓷的相對介電常數(shù)。

4.3儲(chǔ)能核心

儲(chǔ)能核心作為本系統(tǒng)的能量中轉(zhuǎn)部分，在系統(tǒng)中起著極其重要的作用。由于儲(chǔ)能設(shè)備在布置上被置于地下，故在技術(shù)上要滿足足夠的防水和耐腐蝕的性能，設(shè)置一定的安全檢測裝置并且擁有多個(gè)輸出端口和預(yù)留端口。

儲(chǔ)能在分布式發(fā)電中起的作用可概括為；（1）對系統(tǒng)起穩(wěn)定的作用。能量存儲(chǔ)使得分布式發(fā)電機(jī)即使在負(fù)荷波動(dòng)較快和較大的情況（系統(tǒng)達(dá)到峰荷時(shí)） 下能夠運(yùn)行在一個(gè)穩(wěn)定的輸出水平；（2）適量的儲(chǔ)能?？梢栽诎l(fā)電單元不能正常運(yùn)行的情況下起過渡作用。

4.4輸出端口

道路照明設(shè)施的接通應(yīng)該為道路的光照強(qiáng)度低且有車輛通過的時(shí)候，由于系統(tǒng)本身應(yīng)用范圍定位在偏遠(yuǎn)的電網(wǎng)難以架設(shè)或架設(shè)成本高的地區(qū)，故在照明的輸出控制方面以太陽能光伏電池板的輸入電能和壓電發(fā)電設(shè)備的輸入電能作為信號(hào)源，對照明設(shè)施進(jìn)行邏輯控制，完成車輛來時(shí)的提前亮燈以及照明燈的延時(shí)熄滅的功能。

4.4.1照明輸出設(shè)施。

如圖2，以三個(gè)路燈為一組收集能量共同輸入一個(gè)儲(chǔ)能設(shè)備，并使用同一個(gè)輸出控制端口，當(dāng)光電輸入信號(hào)為邏輯信號(hào)0時(shí)，表示光線很暗，此時(shí)若①端或③端有壓電邏輯信號(hào)1輸入，則表示有車輛通過，則通過延時(shí)的電磁繼電器控制輸出電路接通，即三個(gè)燈泡全亮。

4.4.2照明輸出電路控制參數(shù)的確定

4.4.2.1每組設(shè)備的設(shè)備數(shù)量及設(shè)備安放間隔距離的確定

在輸出設(shè)備的控制要求下，系統(tǒng)以兩個(gè)及以上單體設(shè)備為一組，保證在系統(tǒng)兩端有壓電邏輯信號(hào)1輸入時(shí)，則整組系統(tǒng)的照明設(shè)備都開啟，以達(dá)到適用于雙行車方向的提前照亮行車路徑的功能目標(biāo)。

4.4.2.2照明時(shí)長的確定

端口的照明時(shí)長應(yīng)根據(jù)該路段理論最小車速，每組中響鈴兩設(shè)備間距離以及每組設(shè)備個(gè)數(shù)來確定。功能上應(yīng)滿足在每組設(shè)備照明開啟到關(guān)閉保證行車觸發(fā)后續(xù)的照明組，即應(yīng)該有

其中為延時(shí)照明余量。

5.結(jié)論與展望

光電-壓電式道路自足系統(tǒng)作為一種新型的道路供配電系統(tǒng)，是一種將可再生資源轉(zhuǎn)化成電能的綠色能源利用技術(shù)，具有廣泛的應(yīng)用前景和低碳意義，順應(yīng)低碳經(jīng)濟(jì)、節(jié)能環(huán)保的時(shí)代主題。 雖然該系統(tǒng)還僅僅只是一個(gè)設(shè)想，仍有許多問題有待進(jìn)一步深入研究，但是其優(yōu)越的綠色、環(huán)保和節(jié)能能力是其它系統(tǒng)所不能比擬的，相信在未來會(huì)有更多的地區(qū)和人們會(huì)選擇這種能量自足系統(tǒng)。

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