道路光电—压电式能量自足系统设计构建

曹文斌武 超/.重庆交通大学交通运输学院.重庆交通大学河海学院

道路光电—压电式能量自足系统设计构建

曹文斌1武 超2/1.重庆交通大学交通运输学院2.重庆交通大学河海学院

在传统的交通工程中，维持道路本身的运作过程从照明到交通指示以及道路基础设施都需要许多额外的能源输入，但能量的输入主要靠电网输入，这不仅造成了电力的大量浪费，而且还造成了环境污染。本文探究解决这一问题的方法，通过对道路本身进行改造，设计构建道路光电—压电式能量自足系统，力求达到道路路段能量的自给自足，迎合“绿色节能”的发展方向，达到节能和环保的目的。

道路光电—压电式能量自足系统；储能核心；输出端口；节能环保

1.引言

随着我国社会的进步与发展，不论是公路还是铁路，数量上猛增的同时，覆盖范围也更为广泛。这就使得原有的道路供电系统出现供电不足、供电范围小、供电电网大规模建设等一系列问题。另外，也造成了大量的电力消耗和发电过程中的不环保现象突增，使我国环保问题迟迟得不到解决。这些问题都与人类社会发展的能源和环境要求相违背，亟需我们去解决。而本文所介绍的道路光电—压电式能源自足系统就是结合了太阳能和压电式发电来为道路系统提供能源，为解决相关问题提供了一种新的思路。

2.研究背景

2.1 相关技术介绍

2.1.1 太阳能。

太阳能是可再生能源，利用光电材料制作的太阳能发电装置具有环保、结构简单，成本低，易于实现等优点。但是由于太阳能密度不受人控制，加之不同地区、不同地形所收到的太阳能存在差异，很难合理有效的利用，故此太阳能的利用范围并不广泛。

2.1.2 压电效应。

压电体受到外机械力作用而发生电极化，并导致压电体两端表面内出现符号相反的束缚电荷，其电荷密度与外机械力成正比，这种现象称之为正压电效应。自居里夫人发现压电效应以来，机械能的回收利用技术也得到了长足的发展，压电陶瓷正是基于该原理诞生的，利用压电效应提供能源越来越受人们的重视。

2.1.3 道路光电—压电式能源自足系统。

基于上述光电式-压电原理来开发适用于道路使用环境的光电-压电发电技术，围绕采用光电-压电方式来收集道路中的能量，构建道路交通用电自足系统，从而达到节能、环保的目的。针对道路中大量存在的太阳能和机械能，将其收集起来并转换为电能，供给道路基本设施的用电，以此减少对电网的依赖以及对电网电能的消耗，迎合可持续发展的大方向。

2.2 相关技术的研究现状

2.2.1 国内研究现状。

在道路新能源利用领域，我国已经开始利用太阳能、风能等新能源发电设施来为道路系统补充能源；利用压电材料作为路面车辆的感知系统，从而测车重等，很少涉及到利用压电效应来发电。此外，我国将两种方式结合的研究也还不够成熟。

2.2.2 国外研究现状。

光电式发电是将光能转化为电能的技术，在国外已是较为成熟的技术。另外以色列的一家公司于 2008 年宣布研制出了基于压电换能器的路面能量收集系统(IPEGTM)。但是将这两种方式结合起来运用的研究也极少。

3.研究意义

光电式发电是将光能转化为电能的重要技术，已在实际中得到了广泛的应用，而压电式发电技术也渐渐在交通领域中出现。但目前，就将光电式与压电式有机的结合在一起的研究还不是特别成熟，都是基于理论研究，本研究希望能研发出适合于道路中能量收集的光电-压电式装置，在不同的实际路况中能持续高效的发电。

构建的道路能量自足系统，可以简化道路的电网结构，减少电网的负担，减少因火力发电而造成的污染与浪费，同时对大气环境也起到改善作用，提高道路用电的独立性，对当今社会的发展具有很大的实际意义。

4.道路光电—压电式能量自足系统的构建

光电-压电式是将光能和机械能等能量，通过能量转化装置转化为电能，然后经能量输入端口将电能储蓄起来，最后用于道路照明、交通信号灯和道路中其他用电系统。其模型如图1所示。

图1 道路光电—压电式能量自足系统

4.1 光电输入端口

4.1.1 光伏发电基础。

太阳能电池板组所输出的电流为直流电，为了适应交通用电设施的规格，应对光伏发电装置的输出电流进行逆变。通常的光伏逆变器采用电压型逆变的拓扑结构。

系统采用三相桥的电路结构，逆变电压通过电感与储能装置的端口相连接。系统的控制目标即是使逆变器输出的正弦波电流的频率与电网电压的频率相同，以达到将光伏发电设备的电能顺利输入储能装置的目的。

4.1.2 光电输入方案。

在此系统中光伏发电作为系统的重要能量来源，必须提高本模块的能量转换效率，尽可能转换利用有限的太阳能资源。

系统中的太阳能光伏发电机构提供两种开发方案，两个方案有不同的适用情况。方案一：跟踪太阳高度的太阳能电池板角度调整装置，根据当地纬度以及太阳高度变化情况设定周期的电池板调整计划，通过在单片机内集成计时器进行控制；方案二：固定太阳能电池板位置，减少成本，但发电量减少，电池板角度通过纬度及安装方法确定。

4.2 压电输入端口

4.2.1 压电发电基础。

压电发电是根据行车数量和车辆通过的最大重量确定压电陶瓷在路面下的铺设深度，利用压电材料将机械能转化为电能的的正压电效应，将转化电流输入储能设备。

4.2.2 压电发电特性分析。

压电发电装置主要由压电振子组成，而压电压电振子发电能力的性能指标主要有电压(V)、电流(I)、输出功率(P)、电量(UE)。通过对陶瓷压电片材的静力学分析（不考虑压电片中间粘结剂的影响），计算压电振子受外界激励时产生的电量(UE)。

式中：F-压电元件所承受的压力； h-压电元件的厚度；

A-压电元件的尺寸；ω-加载频率；

ε-压电材料的自由介电常数，ε=r×ε0；

对于埋置在路面内部的压电换能器，假设换能器所转换的电能全部输出并储存，根据下式可计算出换能器在一次标准轴载通过后所转换的电能UE：其中，q为表面所带电荷量；V0表示开路条件下换能器两端电势差；A为压电陶瓷面积；h为压电陶瓷厚度；ε0为压电陶瓷的真空介电常数；εr为压电陶瓷的相对介电常数。

4.3 储能核心

储能核心作为本系统的能量中转部分，在系统中起着极其重要的作用。由于储能设备在布置上被置于地下，故在技术上要满足足够的防水和耐腐蚀的性能，设置一定的安全检测装置并且拥有多个输出端口和预留端口。

储能在分布式发电中起的作用可概括为；(1)对系统起稳定的作用。能量存储使得分布式发电机即使在负荷波动较快和较大的情况(系统达到峰荷时) 下能够运行在一个稳定的输出水平；(2)适量的储能。可以在发电单元不能正常运行的情况下起过渡作用。

4.4 输出端口

道路照明设施的接通应该为道路的光照强度低且有车辆通过的时候，由于系统本身应用范围定位在偏远的电网难以架设或架设成本高的地区，故在照明的输出控制方面以太阳能光伏电池板的输入电能和压电发电设备的输入电能作为信号源，对照明设施进行逻辑控制，完成车辆来时的提前亮灯以及照明灯的延时熄灭的功能。

4.4.1 照明输出设施。

如图2，以三个路灯为一组收集能量共同输入一个储能设备，并使用同一个输出控制端口，当光电输入信号为逻辑信号0时，表示光线很暗，此时若①端或③端有压电逻辑信号1输入，则表示有车辆通过，则通过延时的电磁继电器控制输出电路接通，即三个灯泡全亮。

图2 照明设施系统简图

4.4.2 照明输出电路控制参数的确定

4.4.2.1 每组设备的设备数量及设备安放间隔距离的确定

在输出设备的控制要求下，系统以两个及以上单体设备为一组，保证在系统两端有压电逻辑信号1输入时，则整组系统的照明设备都开启，以达到适用于双行车方向的提前照亮行车路径的功能目标。

4.4.2.2 照明时长的确定

端口的照明时长t应根据该路段理论最小车速v，每组中响铃两设备间距离m以及每组设备个数来确定。功能上应满足在每组设备照明开启到关闭保证行车触发后续的照明组，即应该有

其中c为延时照明余量。

5.结论与展望

光电-压电式道路自足系统作为一种新型的道路供配电系统，是一种将可再生资源转化成电能的绿色能源利用技术，具有广泛的应用前景和低碳意义，顺应低碳经济、节能环保的时代主题。 虽然该系统还仅仅只是一个设想，仍有许多问题有待进一步深入研究，但是其优越的绿色、环保和节能能力是其它系统所不能比拟的，相信在未来会有更多的地区和人们会选择这种能量自足系统。

[1]赵鸿铎,梁颖慧,凌建明.基于压电效应的路面能量收集技术[J].上海交通大学学报,2008,1-2.

[2]赵晓康.压电发电技术在道路应用中的可行性研究[D].长安大学.2013.

[3]王强.基于压电材料的振动能量采集技术的研究[D].江苏:江苏大学,2008：2-15.

[4]王雪文.太阳能电池板自动跟踪控制系统的设计[N].西北大学学报.2004.4.

[5]程华，徐政.分布式发电中的储能技术[J].浙江大学.2003.6:4-7.

[6]严俊，赵立飞.储能技术在分布式发电中的应用[J].东南大学.2006.9：2-5.

曹文斌（1995.10-），男，山东枣庄，重庆交通大学交通运输学院，交通管理专业。

武超（1995.9-），男，陕西西安，重庆交通大学河海学院，地质工程专业。