基于光-动互补发电的子母交互型道路交通照明系统设计

王晚香,吴卫铭,谷明欣,冯显锟

(1.大连交通大学 交通运输工程学院,辽宁 大连 116028;2.中车沈阳机车车辆有限公司,辽宁 沈阳 110142)

节能减排是贯彻落实科学发展观,构建社会主义和谐社会的重大举措,也是建设资源节约型、环境友好型社会的必然选择。2021年10月,国务院印发《2030年前碳达峰行动方案》(简称《方案》),旨在扎实推进碳达峰行动。《方案》明确重点实施能源绿色低碳转型行动、交通运输绿色低碳行动、绿色低碳科技创新行动等“碳达峰十大行动”。2022年4月,教育部印发《加强碳达峰碳中和高等教育人才培养体系建设工作方案》,提出加快传统交通运输类和建筑类等重点领域专业人才培养转型升级。

目前,道路照明系统设计主要侧重于探索车流量与路灯点亮个数之间的关系[1]、LED 路灯的通用性和模块化特征[2],以及道路照明系统的应用及合理控制[3]等方面,并取得了一定的研究成果,但研究成果缺乏对新能源供能的挖掘,同时也未考虑色温对交通安全的影响。

路灯是道路交通照明系统的重要组成部分,许多学者从多方面对其展开了研究,其中风-光互补路灯是道路交通照明系统在节能减排方面的一项重要突破。林辉等[4]对风-光互补路灯发电量、用电量、亮灯情况进行监测,形成了常用功率的配置容量,但由于部分内陆地区常年无风且风力发电机需要一定级别的风力带动,该方法无法广泛推广。此外,彭蒙等[5]提出光-雨互补发电的路灯系统,该系统中太阳能电池板和雨水发电产生的电能能够与蓄电池的电能进行交换,但是互补发电的能力受到下雨天数的影响,推广地区受限。

当前,全国约80%的地区夜间道路照明灯为黄色高压钠灯,其最大的缺点是耗电大。我国城市道路照明的用电量约占全国用电量的三分之一以上,年均用电量超过400 亿kW·h,按1 元/h的电价计算,照明投资超过400亿元[6]。因此,改进照明系统供能结构十分必要。

色感是驾驶员的视觉特性之一,如果司机长时间行驶在夜间高压钠灯的暖色调照明环境下,容易产生疲劳,存在交通隐患。白色LED路灯相比钠灯有一定的节能效果,但是对于车流拥挤和长途驾驶情况,司机容易产生眩晕感,同样存在交通隐患。此外,在雨雪雾等恶劣天气下,白色LED路灯照明穿透力受限,照明效果差。因此,本文设计的一种能够根据道路环境进行智能调光的照明系统。

1 设计思路

1.1 设计原理

基于光-动互补发电的子母交互型道路交通照明系统,利用太阳能追光和减速带发电网络作为系统的供能体系,使新能源发电系统的稳定性更强。此外,利用子母交互的布局可实现智能调光,打破LED路灯单一调光的局限性,使夜间交通照明更具人性化。

1.2 系统组成

本系统包括两个主要部分:新能源供能结构和光照调节结构。

(1)新能源供能结构

在原有太阳能发电技术的基础上,利用光敏技术将其改造成可自主追光的光伏发电体系。通过建立城市减速带发电网络,回收汽车行驶的冲击动能和部分自重势能,并利用地下装置将其转化成电能,以此补充光伏发电的不足。此外,通过DC/DC固定的直流电压变换成可变的直流电压方便负载使用,形成一个新型互补的发电供能体系,见图1。

那时候的齐海峰20岁，还在光明菜站卖肉，每天系个蓝色的粗布围裙，穿双黑色大号胶鞋，拿把大砍刀，站在一排猪肉后面，虎视眈眈地盯着你问：“你要哪块儿？”然后一刀下去，肥肉变戏法似的不知道从哪里就冒了出来。

(2)光照调节结构

光照调节结构能够根据道路环境进行三级色温变换,三级光源包含小功率冷光源、正常功率冷光源、正常功率暖光源。结合道路路灯排布结构,设计子母交互式路灯布局见图2。其中,母灯位于前区和中区之间的位置,其余为仅照明的子灯。母灯上集成车流量检测、环境检测装置。子母交互式调光逻辑为:母灯通过各级传感的检测,利用网络将数据传送至路灯控制器,路灯控制器经过判断统一调整该路段所有子灯和母灯的色温强度,以此实现根据实际环境智能调光的功能。

(a) 路边双侧排布

(b) 路边单侧排布图2 子母交互式路灯布局

2 技术方案

2.1 光伏追光设计

光伏发电在当前新能源照明系统中应用最为广泛,而光伏电池板是新能源照明系统中最重要的部件。光伏电池板由晶硅材料做成,类似二极管中的 P-N 结,工作原理与二极管相似[7],在阳光照射下产生直流电。在追踪太阳光的过程中,利用两个光敏电阻接收太阳光量差值程度的不同来调节舵机角度值的变化,从而实现光伏电池板追踪太阳光线的功能。

光敏电阻是一种阻值随着光照强度发生变化的组件。利用这一特点,将两个完全相同的光敏电阻分别放置于一块光伏电池板左下及右下位置,当太阳光线垂直照射光伏电池板时,光敏电阻接收到相同的光照,舵机不转动。当光线照射的方向和电池板垂直的方向形成一定夹角时,接收光照较多的光敏电阻的阻值降低,此时舵机转动,直到光敏电阻产生相同的光照强度,形成新的静止状态。此外,为了使装置灵敏度更高,需融入灵敏度控制算法,即根据环境检测数据和接收电压差值综合判断舵机的转动幅度,见图3。

图3 追光逻辑设计

香港大学的 Kpcheung和Scmhui教授研究了传统太阳发电装置并利用太阳能追光术的发电装置获取能量差异[8],发现在日照时间内跟踪装置获取能量强度始终高于固定装置获取能量强度,因此,对这一结构进行优化是有必要的。

2.2 动能回收及发电装置设计

光伏转化供能系统在工作时会产生一部分电能损耗,无法被路灯照明系统利用。恶劣天气下,光伏发电系统将会出现短时间的瘫痪,此时路灯的照明系统只能依靠蓄电池中残余电量和城市电网的集中供应,削弱了清洁能源发电的效益。汽车通过减速带的过程中,存在自重势能和冲击动能浪费的情况,利用减速带能量回收的方式将此部分能量损失转化成电能,补充光伏发电的不足。其结构主要包括路面可压式升降减速带、缓冲组件、传动部分、增速装置、电机组、蓄电池组、电池健康监测等,见图4。

图4 减速带发电的装置结构

减速带在工作时凸出于路面,为了不影响减速效果,本文设计的减速带下降后的高度在2.5～5 cm范围内。同时,其摩擦系数应比原标准材料略高,可根据具体路段和制作材料而定。具体发电原理为:车辆压过减速带,减速带通过缓冲组件向下带动压合装置进而带动齿轮、转子等一系列结构实现传动。通过变速装置提高转子转速进而带动电机组工作产生电能。通过转速检测监控转子的转速,防止因转速过高而损耗电机。通过电缆连接至蓄电池组中,并接入转换模块,便于实现减速带发电。

减速带网络的建立,则是将城市中的医院、学校、大型停车场、大型港口、高速收费站等地区的所有减速带按照上述做相应的改进,结合所处位置合理编排组合,形成一个“星状式”城市减速带发电网络,见图5。根据减速带位置、能量传输效率等因素合理分配供能路段,弥补太阳能发电不足,形成城市道路交通照明的第二供能系统。减速带发电网络仅供应部分路段,改进区域为城市减速带组密集地区,该网络与传统的路灯供能体系并存,可达到最优效果。

图5 减速带发电网络

2.3 智能调光设计

应用子母灯调光的具体过程为:当夜间道路环境优良,母灯检测车流量处于C级时,所有路灯启动小功率冷光源,节约电能;当母灯检测到车流量逐渐加大,车流量处于B级时,所有路灯启动正常功率冷光源,提高夜间道路照明条件;当母灯检测道路处于拥堵情况,车流量处于A级时,所有路灯启动正常功率暖光源,防止司机因冷色光而产生眩晕感。在雨雪天和雾霾天气下,母灯通过环境检测器检测周围环境,当检测指标超过设定值时,无论道路车流量多少,所有路灯均启动黄色暖光源,提高照明系统在恶劣天气下的穿透力。智能调光逻辑见图6。

图6 智能调光逻辑

路灯控制结构设计见图7。连接蓄电池发电的太阳能电池板为主要供能来源,当光伏发电效率不足时,可利用减速带发电网络中存储在蓄电池的能源;当路灯系统供电充足时,减速带发电网络的能源可输送至城市电网获得额外效益。微控制器将从外界读取的车流量和各环境检测指标植与设定的阈值对比,实现按需调光,三个调光电路独立存在,互不影响。此外,黄色光源的色温规定在3 000 K左右,白色光源的色温规定在5 000 K左右[11],城市主干路及次干路区间车流量一天之内变化较大,可以首先普及色温切换的路灯系统。

(a) 子灯

(b) 母灯图7 路灯控制结构设计

3 减速带发电网络设计

一个区域减速带的发电量计算[12]:

β=P·T·A

(1)

每日发电量计算:

δ=β·α/3 600

(2)

式中:P为发电机的功率,kW;T为一个减速带运动的时间,s;A为一组减速带的数量;β为一辆车通过一个路段的发电量,(kW·s)/辆;δ为每日发电量,(kW·h)/日;α为一天内通过的车辆数目。

建立减速带发电网络的目的在于电能的远距离输送与供应,但是电能从发电组传输到各路段储能站的过程中存在能量损耗,因此应对减速带发电网络的路线选择进行优化,减少电能在传输路线上的消耗。本文将这一问题转化为运筹学中的最小生成树问题,以此作为减速带发电网络初步规划理论。

最小生成树是图论中提出的概念,针对无向图,每一点均保持联通,每一条线记作边,每一边上的数值记作权值。最小生成树就是通过求解全局节点且权值之和最小的路线方案,常用于交通网络规划,通信网络规划等方面。

由于能量在传输过程中存在不同程度的损耗,因此需利用优化的思维控制能量总消耗。为了简化分析过程,设减速带组的供电量可以达到图8中所有路段互补电量的需求。由于储能站是虚拟选址,所以图示位置是在电子地图上选取具有代表性的地点代替,利用两点间街道的距离代替权值,以某市一地下停车场及周边区域为背景进行阐述。

图8 网络模型

以S为节点寻找最小生成树,以求取该网络的最短路径,利用Lingo软件编程求解得出最小权值总和为947,见图9,最小生成树为1-2,1,4,1-5,4-3所构成的图形。此过程仅为该地区减速带发电网络布局的初步方案,后续应结合多重因素和实际约束条件逐步完善模型。

图9 Lingo软件求解结果

4 结论

本文设计了一种基于光-动互补发电的子母交互型道路交通照明系统,该系统保留了目前太阳能发电的技术并通过光敏电阻和小型舵机进行优化,实现“光伏逐日”,尽可能提高太阳能发电效率。此外,本文创新性地提出利用减速带发电网络进行互补发电,改造减速带的结构并形成减速带发电网络,以此进行光-动互补,完善路灯发电供能体系。该系统弥补了目前黄色钠灯能耗大、存在交通安全隐患的不足,节约能源、保证交通安全。