基于壓力發電和風力發電照明的籃球架研究

劉沁，季銀煉＊，蔣孟杰，樊少帥，劉舒榮

（1.南京師范大學泰州學院，江蘇 泰州 225300；2.上海袋式除塵配件有限公司，上海 201108）

隨著室外運動場所的照明用電需求的增加，可以研究利用室外風能及籃球撞擊籃板的壓力產生的電能作為籃球架照明的供電來源。新型籃球架可充分利用運動場的戶外天氣條件，實現對風能的轉化和儲存，既節約資源又保護環境。新型籃球架還能將設備使用時產生的壓力轉化成電能，豐富了能源供應方式，使能源供應更加穩定且高效。照明系統可分為三個模塊。

1 風力發電模塊

風是生活中常見的自然現象，是由于太陽輻射導致地球表面受熱不均，引起大氣層中壓力分布不平衡，在水平梯度的作用下，空氣沿水平方向運動而形成的。風能資源的總儲量非常巨大，并且還具有可持續再生性、清潔性、高儲存量等諸多特質。因此，利用風能發電是一種可靠、可行、可持續的能源利用方式。

研究帶壓力發電照明的籃球架時，應考慮籃球架的使用情形，以實現能源的高效轉化和利用，結合籃球架布置的地理位置，把風能發電板塊加入照明籃球架的整體設計之中。

1.1 系統原理

利用燈架上架設的小型風力發電機進行發電，其原理是借助風力帶動風車葉片旋轉，再通過增速機提升旋轉速度，從而推動發電機發電。其中，葉片接受風力并通過機頭轉為電能，尾翼使葉片始終對著來風的方向從而獲得最大的風能；機頭的轉子是永磁體，定子繞組切割磁力線從而產生電能，以提供籃球架的照明用能。

1.2 發電機組的選擇

根據研究，采用永磁同步發電機變速恒頻直驅風力發電系統，不需要再加裝勵磁裝置，減少了勵磁的消耗，并且該系統不需要電刷和滑環，具有效率高、使用壽命長、免維修等諸多優勢[1]。風能的利用過程往往會帶來噪聲污染，該系統采用不帶齒輪箱的發電機，可以大幅減少系統運行噪聲，提高運行效率和可靠性，簡化運行維護程序，降低綜合成本。該部分原理如圖1 所示。

風力發電易受天氣、風速、季節性變化等因素影響，為了克服風力發電利用的不穩定性因素，在籃球架的能源輸配中設置儲能管理模塊，該模塊由蓄電池及充放電管理裝置組成，將風力發電未得到利用的一部分電能儲存起來，在惡劣環境或風速達不到要求的情況下，也能實現籃球架的照明。該裝置還與壓力發電相結合，實現雙電源供電形式，照明供電的效率和穩定性得到了很大提高。

圖1 永磁同步發電機原理圖

2 壓力發電模塊

2.1 壓力發電的設計原理

壓力發電的設計原理是以柔性壓力橡膠為壓力發電模塊的核心裝置，通過籃球撞擊籃板使壓力橡膠在一定方向上受到不均勻的壓力，壓力橡膠形狀發生改變，在內部產生偏離原狀態的電荷，從而產生電能[2]。由于壓力分布不均勻，導致柔性壓力橡膠發出頻率不同的交流電。

2.2 系統應用

壓力發電系統具有如下特點：（1）壓力發電材料柔韌性好、易加工、性能良好；（2）系統可串聯多個壓力橡膠，使得輸出電壓達到一定數值后持續向下傳遞。

根據壓力發電的原理，針對傳統籃球場照明用電量大，供電方式單一、不穩定、效率低等問題，結合壓力發電系統以上特點，對傳統籃球架做出一定的改進和創新。改進后的新型籃球照明系統可以提高能源利用率、節約電能、減少碳排放，符合綠色環保的理念。

2.3 系統的組成

2.3.1 濾波電路

在整流電路中輸出的電壓都是單向脈動性電壓，不能直接用于電路中。因此，輸出的電壓需要通過濾波消除交流成分，實現交流電向直流電的轉化方可應用于電子電路[3]。實現這一轉化過程的電路即為濾波電路，該系統采用LC 濾波電路。LC 濾波電路的優點如下:

（1）可以通過低阻抗旁路來過濾一次和高次諧波，紋波小、負載水平高、輸出電壓高。

（2）工作時具有很強的屏蔽干擾信號的功能。通過LC 電路的電感可以吸收干擾信號，使其以磁和熱的形式輸出。被電感吸收的干擾信號未輸出部分通過電容輸出到地面，以此在端口獲得純凈的直流電。

（3）可以保證輸出電壓穩定。由于通過濾波電路的直流電的電阻較小，在使濾波成效得到提高的同時，保證了直流電的輸出電壓不會減少[4]。

通過電容C6 濾波電路過濾掉脈動性直流電壓的交流成分后，再將直流電壓輸入到L1 和C5 電路。由于L1 對交流成分的感抗大，通過輸入L1 電路可以在出口端得到較大的交流電壓，通過C6 電路可得到較小的交流成分[4]。由于L1 電路對直流電無感抗，故L1 可被視為通路，而且直流部分電阻較小。因此，L1 通過直流電時的電壓降非常小，輸出端直流電壓較高[5]。濾波電路如圖2 所示。

圖2 整流濾波電路圖

2.3.2 降壓電路

該系統的壓力發電模塊的降壓電路采用LM2596，該電路配有的頻率振蕩器及基準穩壓器共同組成了控制電源管理集成電路的開關電壓[6]。系統采用四倍壓整流，通過二極管和電容器共同作用，將由壓力橡膠發出的幅值較低的交流電轉化為幅值較高的直流電，通過LM2596 電路一部分直接供電，一部分儲存到蓄電池中[7]。當蓄電池充滿時，繼電器通過降壓電路切斷輸出通路，實現自動斷電。這樣不僅節能環保，而且能使電瓶的使用壽命延長。該降壓電路如圖3 所示。

圖3 LM2596 集成電路圖

3 蓄電池充放電管理模塊

3.1 儲能裝置

由于通過整流、濾波的電流并不是穩定的直流電，易使電壓產生突變，本系統增設儲能裝置調節電流與電壓以及保護電路。由于超級電容具有快速充電效應，可以將電能迅速蓄積儲存，因此本設計采用介于普通電容器與超級電容器之間的儲能裝置。該裝置能量密度及功率密度都較大、使用壽命較長、充電速度快、大電流放電性能好、可靠性高、內阻小、充放電效率高。本設計并聯多個超級電容組成儲能電路，滿足儲蓄容量和電壓等級的需求，同時該儲能裝置解決了傳統儲能裝置效率低、損耗大、充電慢等問題，符合人們對儲能裝置綠色節能、低消耗、高效率、穩定安全的要求。

3.2 儲能電路

本設計的電能儲存電路采用以充電電池為儲存媒介的電路，其目的是將柔性壓力發電橡膠的壓電振子產生的電能儲存在鎳氫電池中。壓力發電裝置由多片柔性壓力發電陶瓷并聯組成,可以產生足夠大的電能供后續使用。但由于籃球擊打籃板過程中用力存在隨機性,導致柔性壓力發電橡膠受到的壓力大小不同,柔性壓力發電橡膠輸出的電壓不穩定，從而產生交流電。所以本系統使用全橋校正器對不穩定的交流電進行整流，然后用儲存電容元件將電壓穩定下來,儲存到可充電的鎳氫電池中,使該電池中的電能也能夠持續穩定地供照明使用。該部分電路如圖4 所示。

圖4 儲能電路圖

3.3 蓄電池

帶壓力發電照明的新型籃球架系統以壓力發電和風力發電作為籃球場的供電電源。在供電系統中啟動發動機時，蓄電池給啟動機供電；當發電機過載時，蓄電池可以協助發電機向用電設備供電；當發電機不發電或電壓較低時，蓄電池向用電設備供電不穩定；當發電機端電壓高于鎳氫電池的電壓時，蓄電池可將一部分電能轉化為化學能儲存起來[8]。

本系統選用的蓄電池是鎳氫蓄電池，其工作系統相對簡單，電池耐過充電和過放電能力較強，無需監測每只單體電池的電壓。電池在充電過程中可以通過消耗氧氣的副反應來實現均衡，無需采用特別的均衡電路，而且循環使用壽命長、無污染，具有較高的回收價值。

3.4 充放電管理控制

蓄電池充滿電后，如果不能及時斷電，會導致蓄電池發熱，損害電池的使用壽命，加速電池老化，甚至可能會引起電池爆炸。從系統的安全性考慮，在電路中安裝安全自動切斷保護器，能在電壓異常的情況下起保護作用。其原理為當鎳氫電池電壓超過或低于保護器動作電壓時，保護器能迅速可靠地切斷負載電源，從而保護電路和照明燈；當電壓恢復正常時，保護器自動連接電源，恢復供電，實現全自動控制，不僅可延長電池的使用壽命，還可防止過充過放，保證設備在運行時的安全性[9]。

4 結語

通過以上研究設計的一款新型籃球架供電系統可用來解決傳統發電方式效率低、供電方式單一、能源利用率低等問題。本設計采用壓力發電與風力發電相結合的模式實現了籃球架照明系統的自供電能力，不僅減少了電能的消耗，還降低了碳排放，符合節能環保的理念。通過對系統電路的設計，使供電裝置能安全、有效、穩定地運行。