道路光電—壓電式能量自足系統設計構建

曹文斌+武超

【摘 要】在傳統的交通工程中，維持道路本身的運作過程從照明到交通指示以及道路基礎設施都需要許多額外的能源輸入，但能量的輸入主要靠電網輸入，這不僅造成了電力的大量浪費，而且還造成了環境污染。本文探究解決這一問題的方法，通過對道路本身進行改造，設計構建道路光電—壓電式能量自足系統，力求達到道路路段能量的自給自足，迎合“綠色節能”的發展方向，達到節能和環保的目的。

【關鍵詞】道路光電—壓電式能量自足系統；儲能核心；輸出端口；節能環保

1.引言

隨著我國社會的進步與發展，不論是公路還是鐵路，數量上猛增的同時，覆蓋范圍也更為廣泛。這就使得原有的道路供電系統出現供電不足、供電范圍小、供電電網大規模建設等一系列問題。另外，也造成了大量的電力消耗和發電過程中的不環保現象突增，使我國環保問題遲遲得不到解決。這些問題都與人類社會發展的能源和環境要求相違背，亟需我們去解決。而本文所介紹的道路光電—壓電式能源自足系統就是結合了太陽能和壓電式發電來為道路系統提供能源，為解決相關問題提供了一種新的思路。

2.研究背景

2.1相關技術介紹

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電裝置具有環保、結構簡單，成本低，易于實現等優點。但是由于太陽能密度不受人控制，加之不同地區、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。

壓電體受到外機械力作用而發生電極化，并導致壓電體兩端表面內出現符號相反的束縛電荷，其電荷密度與外機械力成正比，這種現象稱之為正壓電效應。自居里夫人發現壓電效應以來，機械能的回收利用技術也得到了長足的發展，壓電陶瓷正是基于該原理誕生的，利用壓電效應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。

基于上述光電式-壓電原理來開發適用于道路使用環境的光電-壓電發電技術，圍繞采用光電-壓電方式來收集道路中的能量，構建道路交通用電自足系統，從而達到節能、環保的目的。針對道路中大量存在的太陽能和機械能，將其收集起來并轉換為電能，供給道路基本設施的用電，以此減少對電網的依賴以及對電網電能的消耗，迎合可持續發展的大方向。

2.2相關技術的研究現狀

2.2.1國內研究現狀。

在道路新能源利用領域，我國已經開始利用太陽能、風能等新能源發電設施來為道路系統補充能源；利用壓電材料作為路面車輛的感知系統，從而測車重等，很少涉及到利用壓電效應來發電。此外，我國將兩種方式結合的研究也還不夠成熟。

2.2.2國外研究現狀。

光電式發電是將光能轉化為電能的技術，在國外已是較為成熟的技術。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（IPEGTM）。但是將這兩種方式結合起來運用的研究也極少。

3.研究意義

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

構建的道路能量自足系統，可以簡化道路的電網結構，減少電網的負擔，減少因火力發電而造成的污染與浪費，同時對大氣環境也起到改善作用，提高道路用電的獨立性，對當今社會的發展具有很大的實際意義。

4.道路光電—壓電式能量自足系統的構建

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

4.1光電輸入端口

4.1.1光伏發電基礎。

太陽能電池板組所輸出的電流為直流電，為了適應交通用電設施的規格，應對光伏發電裝置的輸出電流進行逆變。通常的光伏逆變器采用電壓型逆變的拓撲結構。

系統采用三相橋的電路結構，逆變電壓通過電感與儲能裝置的端口相連接。系統的控制目標即是使逆變器輸出的正弦波電流的頻率與電網電壓的頻率相同，以達到將光伏發電設備的電能順利輸入儲能裝置的目的。

4.1.2光電輸入方案。

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

系統中的太陽能光伏發電機構提供兩種開發方案，兩個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整裝置，根據當地緯度以及太陽高度變化情況設定周期的電池板調整計劃，通過在單片機內集成計時器進行控制；方案二：固定太陽能電池板位置，減少成本，但發電量減少，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壓電發電基礎。

壓電發電是根據行車數量和車輛通過的最大重量確定壓電陶瓷在路面下的鋪設深度，利用壓電材料將機械能轉化為電能的的正壓電效應，將轉化電流輸入儲能設備。

4.2.2壓電發電特性分析。

壓電發電裝置主要由壓電振子組成，而壓電壓電振子發電能力的性能指標主要有電壓（）、電流（）、輸出功率（）、電量（）。通過對陶瓷壓電片材的靜力學分析（不考慮壓電片中間粘結劑的影響），計算壓電振子受外界激勵時產生的電量（）。

對于型壓電元件，在外界激勵作用下只有軸向位移的能力，其下上下表面會產生壓電電荷，此時壓電元件就相當于一個電容，電容在兩極激發電荷后就相當于存儲了一定的能量。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，；

-壓電材料的真空介電常數，；

-壓電系數。

對于埋置在路面內部的壓電換能器，假設換能器所轉換的電能全部輸出并儲存，根據下式可計算出換能器在一次標準軸載通過后所轉換的電能：其中，為表面所帶電荷量；表示開路條件下換能器兩端電勢差；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；為壓電陶瓷的相對介電常數。

4.3儲能核心

儲能核心作為本系統的能量中轉部分，在系統中起著極其重要的作用。由于儲能設備在布置上被置于地下，故在技術上要滿足足夠的防水和耐腐蝕的性能，設置一定的安全檢測裝置并且擁有多個輸出端口和預留端口。

儲能在分布式發電中起的作用可概括為；（1）對系統起穩定的作用。能量存儲使得分布式發電機即使在負荷波動較快和較大的情況（系統達到峰荷時） 下能夠運行在一個穩定的輸出水平；（2）適量的儲能。可以在發電單元不能正常運行的情況下起過渡作用。

4.4輸出端口

道路照明設施的接通應該為道路的光照強度低且有車輛通過的時候，由于系統本身應用范圍定位在偏遠的電網難以架設或架設成本高的地區，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電設備的輸入電能作為信號源，對照明設施進行邏輯控制，完成車輛來時的提前亮燈以及照明燈的延時熄滅的功能。

4.4.1照明輸出設施。

如圖2，以三個路燈為一組收集能量共同輸入一個儲能設備，并使用同一個輸出控制端口，當光電輸入信號為邏輯信號0時，表示光線很暗，此時若①端或③端有壓電邏輯信號1輸入，則表示有車輛通過，則通過延時的電磁繼電器控制輸出電路接通，即三個燈泡全亮。

4.4.2照明輸出電路控制參數的確定

4.4.2.1每組設備的設備數量及設備安放間隔距離的確定

在輸出設備的控制要求下，系統以兩個及以上單體設備為一組，保證在系統兩端有壓電邏輯信號1輸入時，則整組系統的照明設備都開啟，以達到適用于雙行車方向的提前照亮行車路徑的功能目標。

4.4.2.2照明時長的確定

端口的照明時長應根據該路段理論最小車速，每組中響鈴兩設備間距離以及每組設備個數來確定。功能上應滿足在每組設備照明開啟到關閉保證行車觸發后續的照明組，即應該有

其中為延時照明余量。

5.結論與展望

光電-壓電式道路自足系統作為一種新型的道路供配電系統，是一種將可再生資源轉化成電能的綠色能源利用技術，具有廣泛的應用前景和低碳意義，順應低碳經濟、節能環保的時代主題。 雖然該系統還僅僅只是一個設想，仍有許多問題有待進一步深入研究，但是其優越的綠色、環保和節能能力是其它系統所不能比擬的，相信在未來會有更多的地區和人們會選擇這種能量自足系統。

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