基于光-動(dòng)互補(bǔ)發(fā)電的子母交互型道路交通照明系統(tǒng)設(shè)計(jì)

王晚香,吳衛(wèi)銘,谷明欣,馮顯錕

(1.大連交通大學(xué) 交通運(yùn)輸工程學(xué)院,遼寧 大連 116028;2.中車沈陽機(jī)車車輛有限公司,遼寧 沈陽 110142)

節(jié)能減排是貫徹落實(shí)科學(xué)發(fā)展觀,構(gòu)建社會(huì)主義和諧社會(huì)的重大舉措,也是建設(shè)資源節(jié)約型、環(huán)境友好型社會(huì)的必然選擇。2021年10月,國務(wù)院印發(fā)《2030年前碳達(dá)峰行動(dòng)方案》(簡稱《方案》),旨在扎實(shí)推進(jìn)碳達(dá)峰行動(dòng)?！斗桨浮访鞔_重點(diǎn)實(shí)施能源綠色低碳轉(zhuǎn)型行動(dòng)、交通運(yùn)輸綠色低碳行動(dòng)、綠色低碳科技創(chuàng)新行動(dòng)等“碳達(dá)峰十大行動(dòng)”。2022年4月,教育部印發(fā)《加強(qiáng)碳達(dá)峰碳中和高等教育人才培養(yǎng)體系建設(shè)工作方案》,提出加快傳統(tǒng)交通運(yùn)輸類和建筑類等重點(diǎn)領(lǐng)域?qū)I(yè)人才培養(yǎng)轉(zhuǎn)型升級(jí)。

目前,道路照明系統(tǒng)設(shè)計(jì)主要側(cè)重于探索車流量與路燈點(diǎn)亮個(gè)數(shù)之間的關(guān)系[1]、LED 路燈的通用性和模塊化特征[2],以及道路照明系統(tǒng)的應(yīng)用及合理控制[3]等方面,并取得了一定的研究成果,但研究成果缺乏對(duì)新能源供能的挖掘,同時(shí)也未考慮色溫對(duì)交通安全的影響。

路燈是道路交通照明系統(tǒng)的重要組成部分,許多學(xué)者從多方面對(duì)其展開了研究,其中風(fēng)-光互補(bǔ)路燈是道路交通照明系統(tǒng)在節(jié)能減排方面的一項(xiàng)重要突破。林輝等[4]對(duì)風(fēng)-光互補(bǔ)路燈發(fā)電量、用電量、亮燈情況進(jìn)行監(jiān)測,形成了常用功率的配置容量,但由于部分內(nèi)陸地區(qū)常年無風(fēng)且風(fēng)力發(fā)電機(jī)需要一定級(jí)別的風(fēng)力帶動(dòng),該方法無法廣泛推廣。此外,彭蒙等[5]提出光-雨互補(bǔ)發(fā)電的路燈系統(tǒng),該系統(tǒng)中太陽能電池板和雨水發(fā)電產(chǎn)生的電能能夠與蓄電池的電能進(jìn)行交換,但是互補(bǔ)發(fā)電的能力受到下雨天數(shù)的影響,推廣地區(qū)受限。

當(dāng)前,全國約80%的地區(qū)夜間道路照明燈為黃色高壓鈉燈,其最大的缺點(diǎn)是耗電大。我國城市道路照明的用電量約占全國用電量的三分之一以上,年均用電量超過400 億kW·h,按1 元/h的電價(jià)計(jì)算,照明投資超過400億元[6]。因此,改進(jìn)照明系統(tǒng)供能結(jié)構(gòu)十分必要。

色感是駕駛員的視覺特性之一,如果司機(jī)長時(shí)間行駛在夜間高壓鈉燈的暖色調(diào)照明環(huán)境下,容易產(chǎn)生疲勞,存在交通隱患。白色LED路燈相比鈉燈有一定的節(jié)能效果,但是對(duì)于車流擁擠和長途駕駛情況,司機(jī)容易產(chǎn)生眩暈感,同樣存在交通隱患。此外,在雨雪霧等惡劣天氣下,白色LED路燈照明穿透力受限,照明效果差。因此,本文設(shè)計(jì)的一種能夠根據(jù)道路環(huán)境進(jìn)行智能調(diào)光的照明系統(tǒng)。

1 設(shè)計(jì)思路

1.1 設(shè)計(jì)原理

基于光-動(dòng)互補(bǔ)發(fā)電的子母交互型道路交通照明系統(tǒng),利用太陽能追光和減速帶發(fā)電網(wǎng)絡(luò)作為系統(tǒng)的供能體系,使新能源發(fā)電系統(tǒng)的穩(wěn)定性更強(qiáng)。此外,利用子母交互的布局可實(shí)現(xiàn)智能調(diào)光,打破LED路燈單一調(diào)光的局限性,使夜間交通照明更具人性化。

1.2 系統(tǒng)組成

本系統(tǒng)包括兩個(gè)主要部分:新能源供能結(jié)構(gòu)和光照調(diào)節(jié)結(jié)構(gòu)。

(1)新能源供能結(jié)構(gòu)

在原有太陽能發(fā)電技術(shù)的基礎(chǔ)上,利用光敏技術(shù)將其改造成可自主追光的光伏發(fā)電體系。通過建立城市減速帶發(fā)電網(wǎng)絡(luò),回收汽車行駛的沖擊動(dòng)能和部分自重勢能,并利用地下裝置將其轉(zhuǎn)化成電能,以此補(bǔ)充光伏發(fā)電的不足。此外,通過DC/DC固定的直流電壓變換成可變的直流電壓方便負(fù)載使用,形成一個(gè)新型互補(bǔ)的發(fā)電供能體系,見圖1。

那時(shí)候的齊海峰20歲，還在光明菜站賣肉，每天系個(gè)藍(lán)色的粗布圍裙，穿雙黑色大號(hào)膠鞋，拿把大砍刀，站在一排豬肉后面，虎視眈眈地盯著你問：“你要哪塊兒？”然后一刀下去，肥肉變戲法似的不知道從哪里就冒了出來。

(2)光照調(diào)節(jié)結(jié)構(gòu)

光照調(diào)節(jié)結(jié)構(gòu)能夠根據(jù)道路環(huán)境進(jìn)行三級(jí)色溫變換,三級(jí)光源包含小功率冷光源、正常功率冷光源、正常功率暖光源。結(jié)合道路路燈排布結(jié)構(gòu),設(shè)計(jì)子母交互式路燈布局見圖2。其中,母燈位于前區(qū)和中區(qū)之間的位置,其余為僅照明的子燈。母燈上集成車流量檢測、環(huán)境檢測裝置。子母交互式調(diào)光邏輯為:母燈通過各級(jí)傳感的檢測,利用網(wǎng)絡(luò)將數(shù)據(jù)傳送至路燈控制器,路燈控制器經(jīng)過判斷統(tǒng)一調(diào)整該路段所有子燈和母燈的色溫強(qiáng)度,以此實(shí)現(xiàn)根據(jù)實(shí)際環(huán)境智能調(diào)光的功能。

(a) 路邊雙側(cè)排布

(b) 路邊單側(cè)排布圖2 子母交互式路燈布局

2 技術(shù)方案

2.1 光伏追光設(shè)計(jì)

光伏發(fā)電在當(dāng)前新能源照明系統(tǒng)中應(yīng)用最為廣泛,而光伏電池板是新能源照明系統(tǒng)中最重要的部件。光伏電池板由晶硅材料做成,類似二極管中的 P-N 結(jié),工作原理與二極管相似[7],在陽光照射下產(chǎn)生直流電。在追蹤太陽光的過程中,利用兩個(gè)光敏電阻接收太陽光量差值程度的不同來調(diào)節(jié)舵機(jī)角度值的變化,從而實(shí)現(xiàn)光伏電池板追蹤太陽光線的功能。

光敏電阻是一種阻值隨著光照強(qiáng)度發(fā)生變化的組件。利用這一特點(diǎn),將兩個(gè)完全相同的光敏電阻分別放置于一塊光伏電池板左下及右下位置,當(dāng)太陽光線垂直照射光伏電池板時(shí),光敏電阻接收到相同的光照,舵機(jī)不轉(zhuǎn)動(dòng)。當(dāng)光線照射的方向和電池板垂直的方向形成一定夾角時(shí),接收光照較多的光敏電阻的阻值降低,此時(shí)舵機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng),直到光敏電阻產(chǎn)生相同的光照強(qiáng)度,形成新的靜止?fàn)顟B(tài)。此外,為了使裝置靈敏度更高,需融入靈敏度控制算法,即根據(jù)環(huán)境檢測數(shù)據(jù)和接收電壓差值綜合判斷舵機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)幅度,見圖3。

圖3 追光邏輯設(shè)計(jì)

香港大學(xué)的 Kpcheung和Scmhui教授研究了傳統(tǒng)太陽發(fā)電裝置并利用太陽能追光術(shù)的發(fā)電裝置獲取能量差異[8],發(fā)現(xiàn)在日照時(shí)間內(nèi)跟蹤裝置獲取能量強(qiáng)度始終高于固定裝置獲取能量強(qiáng)度,因此,對(duì)這一結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化是有必要的。

2.2 動(dòng)能回收及發(fā)電裝置設(shè)計(jì)

光伏轉(zhuǎn)化供能系統(tǒng)在工作時(shí)會(huì)產(chǎn)生一部分電能損耗,無法被路燈照明系統(tǒng)利用。惡劣天氣下,光伏發(fā)電系統(tǒng)將會(huì)出現(xiàn)短時(shí)間的癱瘓,此時(shí)路燈的照明系統(tǒng)只能依靠蓄電池中殘余電量和城市電網(wǎng)的集中供應(yīng),削弱了清潔能源發(fā)電的效益。汽車通過減速帶的過程中,存在自重勢能和沖擊動(dòng)能浪費(fèi)的情況,利用減速帶能量回收的方式將此部分能量損失轉(zhuǎn)化成電能,補(bǔ)充光伏發(fā)電的不足。其結(jié)構(gòu)主要包括路面可壓式升降減速帶、緩沖組件、傳動(dòng)部分、增速裝置、電機(jī)組、蓄電池組、電池健康監(jiān)測等,見圖4。

圖4 減速帶發(fā)電的裝置結(jié)構(gòu)

減速帶在工作時(shí)凸出于路面,為了不影響減速效果,本文設(shè)計(jì)的減速帶下降后的高度在2.5～5 cm范圍內(nèi)。同時(shí),其摩擦系數(shù)應(yīng)比原標(biāo)準(zhǔn)材料略高,可根據(jù)具體路段和制作材料而定。具體發(fā)電原理為:車輛壓過減速帶,減速帶通過緩沖組件向下帶動(dòng)壓合裝置進(jìn)而帶動(dòng)齒輪、轉(zhuǎn)子等一系列結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)傳動(dòng)。通過變速裝置提高轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速進(jìn)而帶動(dòng)電機(jī)組工作產(chǎn)生電能。通過轉(zhuǎn)速檢測監(jiān)控轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速,防止因轉(zhuǎn)速過高而損耗電機(jī)。通過電纜連接至蓄電池組中,并接入轉(zhuǎn)換模塊,便于實(shí)現(xiàn)減速帶發(fā)電。

減速帶網(wǎng)絡(luò)的建立,則是將城市中的醫(yī)院、學(xué)校、大型停車場、大型港口、高速收費(fèi)站等地區(qū)的所有減速帶按照上述做相應(yīng)的改進(jìn),結(jié)合所處位置合理編排組合,形成一個(gè)“星狀式”城市減速帶發(fā)電網(wǎng)絡(luò),見圖5。根據(jù)減速帶位置、能量傳輸效率等因素合理分配供能路段,彌補(bǔ)太陽能發(fā)電不足,形成城市道路交通照明的第二供能系統(tǒng)。減速帶發(fā)電網(wǎng)絡(luò)僅供應(yīng)部分路段,改進(jìn)區(qū)域?yàn)槌鞘袦p速帶組密集地區(qū),該網(wǎng)絡(luò)與傳統(tǒng)的路燈供能體系并存,可達(dá)到最優(yōu)效果。

圖5 減速帶發(fā)電網(wǎng)絡(luò)

2.3 智能調(diào)光設(shè)計(jì)

應(yīng)用子母燈調(diào)光的具體過程為:當(dāng)夜間道路環(huán)境優(yōu)良,母燈檢測車流量處于C級(jí)時(shí),所有路燈啟動(dòng)小功率冷光源,節(jié)約電能;當(dāng)母燈檢測到車流量逐漸加大,車流量處于B級(jí)時(shí),所有路燈啟動(dòng)正常功率冷光源,提高夜間道路照明條件;當(dāng)母燈檢測道路處于擁堵情況,車流量處于A級(jí)時(shí),所有路燈啟動(dòng)正常功率暖光源,防止司機(jī)因冷色光而產(chǎn)生眩暈感。在雨雪天和霧霾天氣下,母燈通過環(huán)境檢測器檢測周圍環(huán)境,當(dāng)檢測指標(biāo)超過設(shè)定值時(shí),無論道路車流量多少,所有路燈均啟動(dòng)黃色暖光源,提高照明系統(tǒng)在惡劣天氣下的穿透力。智能調(diào)光邏輯見圖6。

圖6 智能調(diào)光邏輯

路燈控制結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)見圖7。連接蓄電池發(fā)電的太陽能電池板為主要供能來源,當(dāng)光伏發(fā)電效率不足時(shí),可利用減速帶發(fā)電網(wǎng)絡(luò)中存儲(chǔ)在蓄電池的能源;當(dāng)路燈系統(tǒng)供電充足時(shí),減速帶發(fā)電網(wǎng)絡(luò)的能源可輸送至城市電網(wǎng)獲得額外效益。微控制器將從外界讀取的車流量和各環(huán)境檢測指標(biāo)植與設(shè)定的閾值對(duì)比,實(shí)現(xiàn)按需調(diào)光,三個(gè)調(diào)光電路獨(dú)立存在,互不影響。此外,黃色光源的色溫規(guī)定在3 000 K左右,白色光源的色溫規(guī)定在5 000 K左右[11],城市主干路及次干路區(qū)間車流量一天之內(nèi)變化較大,可以首先普及色溫切換的路燈系統(tǒng)。

(a) 子燈

(b) 母燈圖7 路燈控制結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

3 減速帶發(fā)電網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)

一個(gè)區(qū)域減速帶的發(fā)電量計(jì)算[12]:

β=P·T·A

(1)

每日發(fā)電量計(jì)算:

δ=β·α/3 600

(2)

式中:P為發(fā)電機(jī)的功率,kW;T為一個(gè)減速帶運(yùn)動(dòng)的時(shí)間,s;A為一組減速帶的數(shù)量;β為一輛車通過一個(gè)路段的發(fā)電量,(kW·s)/輛;δ為每日發(fā)電量,(kW·h)/日;α為一天內(nèi)通過的車輛數(shù)目。

建立減速帶發(fā)電網(wǎng)絡(luò)的目的在于電能的遠(yuǎn)距離輸送與供應(yīng),但是電能從發(fā)電組傳輸?shù)礁髀范蝺?chǔ)能站的過程中存在能量損耗,因此應(yīng)對(duì)減速帶發(fā)電網(wǎng)絡(luò)的路線選擇進(jìn)行優(yōu)化,減少電能在傳輸路線上的消耗。本文將這一問題轉(zhuǎn)化為運(yùn)籌學(xué)中的最小生成樹問題,以此作為減速帶發(fā)電網(wǎng)絡(luò)初步規(guī)劃理論。

最小生成樹是圖論中提出的概念,針對(duì)無向圖,每一點(diǎn)均保持聯(lián)通,每一條線記作邊,每一邊上的數(shù)值記作權(quán)值。最小生成樹就是通過求解全局節(jié)點(diǎn)且權(quán)值之和最小的路線方案,常用于交通網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃,通信網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃等方面。

由于能量在傳輸過程中存在不同程度的損耗,因此需利用優(yōu)化的思維控制能量總消耗。為了簡化分析過程,設(shè)減速帶組的供電量可以達(dá)到圖8中所有路段互補(bǔ)電量的需求。由于儲(chǔ)能站是虛擬選址,所以圖示位置是在電子地圖上選取具有代表性的地點(diǎn)代替,利用兩點(diǎn)間街道的距離代替權(quán)值,以某市一地下停車場及周邊區(qū)域?yàn)楸尘斑M(jìn)行闡述。

圖8 網(wǎng)絡(luò)模型

以S為節(jié)點(diǎn)尋找最小生成樹,以求取該網(wǎng)絡(luò)的最短路徑,利用Lingo軟件編程求解得出最小權(quán)值總和為947,見圖9,最小生成樹為1-2,1,4,1-5,4-3所構(gòu)成的圖形。此過程僅為該地區(qū)減速帶發(fā)電網(wǎng)絡(luò)布局的初步方案,后續(xù)應(yīng)結(jié)合多重因素和實(shí)際約束條件逐步完善模型。

圖9 Lingo軟件求解結(jié)果

4 結(jié)論

本文設(shè)計(jì)了一種基于光-動(dòng)互補(bǔ)發(fā)電的子母交互型道路交通照明系統(tǒng),該系統(tǒng)保留了目前太陽能發(fā)電的技術(shù)并通過光敏電阻和小型舵機(jī)進(jìn)行優(yōu)化,實(shí)現(xiàn)“光伏逐日”,盡可能提高太陽能發(fā)電效率。此外,本文創(chuàng)新性地提出利用減速帶發(fā)電網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行互補(bǔ)發(fā)電,改造減速帶的結(jié)構(gòu)并形成減速帶發(fā)電網(wǎng)絡(luò),以此進(jìn)行光-動(dòng)互補(bǔ),完善路燈發(fā)電供能體系。該系統(tǒng)彌補(bǔ)了目前黃色鈉燈能耗大、存在交通安全隱患的不足,節(jié)約能源、保證交通安全。