基于光-動互補發電的子母交互型道路交通照明系統設計

王晚香,吳衛銘,谷明欣,馮顯錕

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

節能減排是貫徹落實科學發展觀,構建社會主義和諧社會的重大舉措,也是建設資源節約型、環境友好型社會的必然選擇。2021年10月,國務院印發《2030年前碳達峰行動方案》(簡稱《方案》),旨在扎實推進碳達峰行動?！斗桨浮访鞔_重點實施能源綠色低碳轉型行動、交通運輸綠色低碳行動、綠色低碳科技創新行動等“碳達峰十大行動”。2022年4月,教育部印發《加強碳達峰碳中和高等教育人才培養體系建設工作方案》,提出加快傳統交通運輸類和建筑類等重點領域專業人才培養轉型升級。

目前,道路照明系統設計主要側重于探索車流量與路燈點亮個數之間的關系[1]、LED 路燈的通用性和模塊化特征[2],以及道路照明系統的應用及合理控制[3]等方面,并取得了一定的研究成果,但研究成果缺乏對新能源供能的挖掘,同時也未考慮色溫對交通安全的影響。

路燈是道路交通照明系統的重要組成部分,許多學者從多方面對其展開了研究,其中風-光互補路燈是道路交通照明系統在節能減排方面的一項重要突破。林輝等[4]對風-光互補路燈發電量、用電量、亮燈情況進行監測,形成了常用功率的配置容量,但由于部分內陸地區常年無風且風力發電機需要一定級別的風力帶動,該方法無法廣泛推廣。此外,彭蒙等[5]提出光-雨互補發電的路燈系統,該系統中太陽能電池板和雨水發電產生的電能能夠與蓄電池的電能進行交換,但是互補發電的能力受到下雨天數的影響,推廣地區受限。

當前,全國約80%的地區夜間道路照明燈為黃色高壓鈉燈,其最大的缺點是耗電大。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的電價計算,照明投資超過400億元[6]。因此,改進照明系統供能結構十分必要。

色感是駕駛員的視覺特性之一,如果司機長時間行駛在夜間高壓鈉燈的暖色調照明環境下,容易產生疲勞,存在交通隱患。白色LED路燈相比鈉燈有一定的節能效果,但是對于車流擁擠和長途駕駛情況,司機容易產生眩暈感,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,本文設計的一種能夠根據道路環境進行智能調光的照明系統。

1 設計思路

1.1 設計原理

基于光-動互補發電的子母交互型道路交通照明系統,利用太陽能追光和減速帶發電網絡作為系統的供能體系,使新能源發電系統的穩定性更強。此外,利用子母交互的布局可實現智能調光,打破LED路燈單一調光的局限性,使夜間交通照明更具人性化。

1.2 系統組成

本系統包括兩個主要部分:新能源供能結構和光照調節結構。

(1)新能源供能結構

在原有太陽能發電技術的基礎上,利用光敏技術將其改造成可自主追光的光伏發電體系。通過建立城市減速帶發電網絡,回收汽車行駛的沖擊動能和部分自重勢能,并利用地下裝置將其轉化成電能,以此補充光伏發電的不足。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載使用,形成一個新型互補的發電供能體系,見圖1。

那時候的齊海峰20歲，還在光明菜站賣肉，每天系個藍色的粗布圍裙，穿雙黑色大號膠鞋，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)光照調節結構

光照調節結構能夠根據道路環境進行三級色溫變換,三級光源包含小功率冷光源、正常功率冷光源、正常功率暖光源。結合道路路燈排布結構,設計子母交互式路燈布局見圖2。其中,母燈位于前區和中區之間的位置,其余為僅照明的子燈。母燈上集成車流量檢測、環境檢測裝置。子母交互式調光邏輯為:母燈通過各級傳感的檢測,利用網絡將數據傳送至路燈控制器,路燈控制器經過判斷統一調整該路段所有子燈和母燈的色溫強度,以此實現根據實際環境智能調光的功能。

(a) 路邊雙側排布

(b) 路邊單側排布圖2 子母交互式路燈布局

2 技術方案

2.1 光伏追光設計

光伏發電在當前新能源照明系統中應用最為廣泛,而光伏電池板是新能源照明系統中最重要的部件。光伏電池板由晶硅材料做成,類似二極管中的 P-N 結,工作原理與二極管相似[7],在陽光照射下產生直流電。在追蹤太陽光的過程中,利用兩個光敏電阻接收太陽光量差值程度的不同來調節舵機角度值的變化,從而實現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度發生變化的組件。利用這一特點,將兩個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,當太陽光線垂直照射光伏電池板時,光敏電阻接收到相同的光照,舵機不轉動。當光線照射的方向和電池板垂直的方向形成一定夾角時,接收光照較多的光敏電阻的阻值降低,此時舵機轉動,直到光敏電阻產生相同的光照強度,形成新的靜止狀態。此外,為了使裝置靈敏度更高,需融入靈敏度控制算法,即根據環境檢測數據和接收電壓差值綜合判斷舵機的轉動幅度,見圖3。

圖3 追光邏輯設計

香港大學的 Kpcheung和Scmhui教授研究了傳統太陽發電裝置并利用太陽能追光術的發電裝置獲取能量差異[8],發現在日照時間內跟蹤裝置獲取能量強度始終高于固定裝置獲取能量強度,因此,對這一結構進行優化是有必要的。

2.2 動能回收及發電裝置設計

光伏轉化供能系統在工作時會產生一部分電能損耗,無法被路燈照明系統利用。惡劣天氣下,光伏發電系統將會出現短時間的癱瘓,此時路燈的照明系統只能依靠蓄電池中殘余電量和城市電網的集中供應,削弱了清潔能源發電的效益。汽車通過減速帶的過程中,存在自重勢能和沖擊動能浪費的情況,利用減速帶能量回收的方式將此部分能量損失轉化成電能,補充光伏發電的不足。其結構主要包括路面可壓式升降減速帶、緩沖組件、傳動部分、增速裝置、電機組、蓄電池組、電池健康監測等,見圖4。

圖4 減速帶發電的裝置結構

減速帶在工作時凸出于路面,為了不影響減速效果,本文設計的減速帶下降后的高度在2.5～5 cm范圍內。同時,其摩擦系數應比原標準材料略高,可根據具體路段和制作材料而定。具體發電原理為:車輛壓過減速帶,減速帶通過緩沖組件向下帶動壓合裝置進而帶動齒輪、轉子等一系列結構實現傳動。通過變速裝置提高轉子轉速進而帶動電機組工作產生電能。通過轉速檢測監控轉子的轉速,防止因轉速過高而損耗電機。通過電纜連接至蓄電池組中,并接入轉換模塊,便于實現減速帶發電。

減速帶網絡的建立,則是將城市中的醫院、學校、大型停車場、大型港口、高速收費站等地區的所有減速帶按照上述做相應的改進,結合所處位置合理編排組合,形成一個“星狀式”城市減速帶發電網絡,見圖5。根據減速帶位置、能量傳輸效率等因素合理分配供能路段,彌補太陽能發電不足,形成城市道路交通照明的第二供能系統。減速帶發電網絡僅供應部分路段,改進區域為城市減速帶組密集地區,該網絡與傳統的路燈供能體系并存,可達到最優效果。

圖5 減速帶發電網絡

2.3 智能調光設計

應用子母燈調光的具體過程為:當夜間道路環境優良,母燈檢測車流量處于C級時,所有路燈啟動小功率冷光源,節約電能;當母燈檢測到車流量逐漸加大,車流量處于B級時,所有路燈啟動正常功率冷光源,提高夜間道路照明條件;當母燈檢測道路處于擁堵情況,車流量處于A級時,所有路燈啟動正常功率暖光源,防止司機因冷色光而產生眩暈感。在雨雪天和霧霾天氣下,母燈通過環境檢測器檢測周圍環境,當檢測指標超過設定值時,無論道路車流量多少,所有路燈均啟動黃色暖光源,提高照明系統在惡劣天氣下的穿透力。智能調光邏輯見圖6。

圖6 智能調光邏輯

路燈控制結構設計見圖7。連接蓄電池發電的太陽能電池板為主要供能來源,當光伏發電效率不足時,可利用減速帶發電網絡中存儲在蓄電池的能源;當路燈系統供電充足時,減速帶發電網絡的能源可輸送至城市電網獲得額外效益。微控制器將從外界讀取的車流量和各環境檢測指標植與設定的閾值對比,實現按需調光,三個調光電路獨立存在,互不影響。此外,黃色光源的色溫規定在3 000 K左右,白色光源的色溫規定在5 000 K左右[11],城市主干路及次干路區間車流量一天之內變化較大,可以首先普及色溫切換的路燈系統。

(a) 子燈

(b) 母燈圖7 路燈控制結構設計

3 減速帶發電網絡設計

一個區域減速帶的發電量計算[12]:

β=P·T·A

(1)

每日發電量計算:

δ=β·α/3 600

(2)

式中:P為發電機的功率,kW;T為一個減速帶運動的時間,s;A為一組減速帶的數量;β為一輛車通過一個路段的發電量,(kW·s)/輛;δ為每日發電量,(kW·h)/日;α為一天內通過的車輛數目。

建立減速帶發電網絡的目的在于電能的遠距離輸送與供應,但是電能從發電組傳輸到各路段儲能站的過程中存在能量損耗,因此應對減速帶發電網絡的路線選擇進行優化,減少電能在傳輸路線上的消耗。本文將這一問題轉化為運籌學中的最小生成樹問題,以此作為減速帶發電網絡初步規劃理論。

最小生成樹是圖論中提出的概念,針對無向圖,每一點均保持聯通,每一條線記作邊,每一邊上的數值記作權值。最小生成樹就是通過求解全局節點且權值之和最小的路線方案,常用于交通網絡規劃,通信網絡規劃等方面。

由于能量在傳輸過程中存在不同程度的損耗,因此需利用優化的思維控制能量總消耗。為了簡化分析過程,設減速帶組的供電量可以達到圖8中所有路段互補電量的需求。由于儲能站是虛擬選址,所以圖示位置是在電子地圖上選取具有代表性的地點代替,利用兩點間街道的距離代替權值,以某市一地下停車場及周邊區域為背景進行闡述。

圖8 網絡模型

以S為節點尋找最小生成樹,以求取該網絡的最短路徑,利用Lingo軟件編程求解得出最小權值總和為947,見圖9,最小生成樹為1-2,1,4,1-5,4-3所構成的圖形。此過程僅為該地區減速帶發電網絡布局的初步方案,后續應結合多重因素和實際約束條件逐步完善模型。

圖9 Lingo軟件求解結果

4 結論

本文設計了一種基于光-動互補發電的子母交互型道路交通照明系統,該系統保留了目前太陽能發電的技術并通過光敏電阻和小型舵機進行優化,實現“光伏逐日”,盡可能提高太陽能發電效率。此外,本文創新性地提出利用減速帶發電網絡進行互補發電,改造減速帶的結構并形成減速帶發電網絡,以此進行光-動互補,完善路燈發電供能體系。該系統彌補了目前黃色鈉燈能耗大、存在交通安全隱患的不足,節約能源、保證交通安全。