關于新式節能環保型路口警示燈的研究

【摘要】為了克服普通路口警示燈的太陽能電池板無法在夜間和陰雨天為蓄電池充電的問題以及普通蓄電池壽命短的缺點，特研制出一種利用溫差發電技術和軸向風力發電技術的新型路口警示燈，該警示燈利用風能和太陽能的互補來實現警示燈的穩定工作，可分別利用風能和太陽能兩種可再生能源驅動發電機工作，產生的兩種電源經整流和穩壓后給超級電容電池充電，供LED警示燈工作。

【關鍵詞】警示燈;風力發電;溫差發電;超級電容電池

新型路口警示燈外觀新穎、安裝簡單、工作可靠、警示效果突出，并且對環境無污染，使用壽命長，維護使用方便。該警示燈能利用風能驅動頂部軸向風力發電機工作，利用太陽能集熱板驅動溫差發電機工作，利用超級電容電池儲存電能，不但經濟環保，而且具有顯著的節能減排的效果。

1.新型路口警示燈研制背景

現有的路口警示燈一般采用太陽能電池板和鉛酸蓄電池為警示燈的工作提供能源。但是太陽能電池板的發電量往往因為材料成本、工作環境、老化程度等因素影響不能始終保持給鉛酸蓄電池提供足夠的充電能量，特別是夜間和陰雨天太陽能無法為蓄電池充電，容易造成蓄電池放電過度，從而造成鉛酸蓄電池的使用壽命和儲電能力快速降低，導致警示燈的運行不夠穩定。經過實地調查發現，新安裝的警示燈通常在1～2兩年后就會出現蓄電池失效的情況。

為了解決以上問題，新型路口警示燈采用了兩種供電模式，一種是體積小、壽命長，工作時無噪聲并且無須維護的溫差發電機供電，另一種是轉速低、噪音小、效率高、不受風向變化影響的微型垂直軸風力發電機供電。

目前，市場上能買到的外形尺寸為40×40×4MM溫差發電機在發電組件兩面保持攝氏60攝氏度的溫差時，輸出功率可達到10W左右（電壓：3.5V，電流：3A）;外形尺寸為D30*H30CM的圓柱形微型垂直軸風力發電機，在風速為10m/s～20m/s 之間時功率能達到10W～50W，可以保證警示燈的正常工作需求和對超級電容電池的充電需求，而普通路口警示燈所用的外形尺寸為20×40CM的太陽能電池板最多只能提供10W的功率。

2.新型路口警示燈的設計思路

新型路口警示燈由底座、立桿、微型垂直軸風力發電機、溫差發電機、電源板、超級電容電池、LED警示燈等構件組成。通過底座可以把警示燈固定于路面上，底座上的立桿用來支撐警示牌、風力發電機、溫差發電機和太陽能集熱板。

警示燈的最上端為太陽能集熱板，集熱板上方罩著透明玻璃保溫外殼，中間開孔安裝LED燈珠，下方與溫差發電機的吸熱面連接（根據需要可安裝40×40×4MM溫差發電機5～10片，接觸面需涂抹導熱硅脂），未安裝溫差發電機的位置鋪設4MM厚的隔熱層。溫差發電機的散熱面與散熱底盤連接（接觸面需涂抹導熱硅脂），電源輸出線和頂部LED電源線通過中空的風力發電機定子軸管與風力發電機的電源輸出線一起引至指示牌箱體內，連接到電源控制板上。指示牌箱體上的LED閃光器電源線和蓄電池的電源線則在箱體內直接與電源控制板連接，另外還可根據需要在箱體上安裝光線感應器，光線感應器可以感知光線變化，通過電源控制板來控制警示燈的開關。

3.新型路口警示燈的工作原理和參數配置

3.1 溫差發電機的工作原理和功率匹配

不同的金屬導體（或半導體）具有不同的自由電子密度（或載流子密度），當兩種不同的金屬導體相互接觸時，在接觸面上的電子就會由高濃度向低濃度擴散。而電子的擴散速率與接觸區的溫度成正比，所以只要維持兩金屬間的溫差，就能使電子持續擴散，在兩塊金屬的另兩個端點形成穩定的電壓。這種現象稱為塞貝克效應。根據塞貝克效，將一個P型溫差電元件和一個N型溫差電元件在熱端用金屬導體電極連接起來，在其冷端分別連接冷端電極，就構成一個溫差電單體。在溫差電單體開路端接入負載RL，如果溫差電單體的熱面吸收熱量，那么溫差電單體熱極和冷極之間就會建立溫差，就會有電流流經負載RL，負載上將會得到一定的電功率，從而實現了由熱能到電能的直接轉換。為保持電流的持續輸出，熱極和冷極之間就必須始終保持一定的溫差，這就需要不斷地對熱極供熱，從冷極排熱。

用半導體材料制成的溫差電單體經過一定的工藝加工成片狀結構（簡稱發電片），然后根據需要進行適當的串并聯后，就可以輸出符合超級電容電池充電要求的電壓和電流，得到我們想要功率的溫差發電機。 通常一片外形尺寸為40×40×4MM溫差發電片在60℃溫差下可以產生3V左右的電壓和3A的電流，功率達到10W，因此我們如果想讓溫差發電機為工作電壓為直流12V，功率為60W的設備供電，我們就最少需要8塊功率為10W的溫差發電片，其中每4片發電片串連成一個回路，形成2個串連回路，然后把這2個串連回路并接起來，就可形成一臺輸出電壓為直流12V，功率為60W的溫差發電機。

溫差發電機的工作穩定狀態取決于兩極的溫差穩定情況，溫差過小則發電功率不足，溫差過大則會損壞發電機，所以持續穩定的熱源對溫差發電機至關重要。以太陽能為熱源的溫差發電機就存在供熱不穩定的情況，不能獨立為設備供電，于是同位素溫差發電機（又稱核電池）應運而生，不僅可以做到體積小、功率大且輸出穩定，而且使用壽命非常長。

前蘇聯從1960年代末開始研究制造放射性同位素溫差電機，該類型發電機以Sr90為熱源，可穩定提供7～30V，80W的輸出，平均使用壽命大于10年。而美國國家航空和宇航局也先后在多艘宇宙飛船上使用以各種放射性同位素為熱源的溫差發電裝置。其中旅行者1號飛船上的所有電能均由熱電轉換模塊提供，該電力系統已安全運行了33多年。雖然同位素溫差發電機性能優良，但是因為價格昂貴，目前還無法達到民用標準，所以新型路口警示燈任然采用價格便宜的太陽能集熱板為溫差發電機提供熱源。

3.2 微型垂直軸風力發電機的工作原理和功率匹配

垂直軸風力發電機是采用空氣動力學原理，采用由輪轂固定在一起的垂直葉片組形成的風輪作為接受風力的單元，利用風力吹動風輪旋轉，帶動稀土永磁發電機進行旋轉發電。風力發電機因風量不穩定，故其輸出的是13～25V變化的交流電，須經控制器的整流和穩壓后才能對超級電容蓄電池充電。由于垂直軸風力發電機的抗風能力強，發電功率上升速度快，在低風速運轉時的發電量也較大，非常適合在沿海及山區多風地帶使用。

風力發電系統的功率是由蓄電池功率決定的，風力發電機的功率只對電池充電速度有影響，所以我們選擇風力發電機時要首先考慮電池組功率和用電設備功率的匹配，然后再根據當地的風力情況選擇合適的風力發電機功率。風力發電機功率的大小不僅取決于機頭功率的大小，而且與風量的大小密切相關。在沿海地區，小的風力發電機會比大的更合適。因為它更容易被因海陸溫差而形成的持續微風帶動而發電，所以新型路口警示燈選用100W風力垂軸發電機。

3.3 超級電容電池性能分析和容量選定

超級電容電池又叫黃金電容、法拉電容，它通過極化電解質來儲能，屬于雙層電容的一種。由于其儲能的過程并不發生化學反應，因此這種儲能過程是可逆的，所以超級電容器可以反復充放電幾萬次以上。目前性能最好的高能鎳碳超級電容電池采用新型固體功能材料制作，具有超高容量和耐壓值。用于小功率設備供電上具備以下技術優勢：

（1）充電速度快：由于不存在電能轉化化學能的化學反應，充電10幾分鐘可達其額定容量的95%以上;

（2）循環使用壽命長，沒有“記憶效應”，預計深度充放電循環使用次數可達5萬次以上;

（3）功率密度高，可達2.0度/kg以上，相當于普通電池的數十倍;

（4）電池生產所用的原材料均是廉價的綠色環保金屬，生產、使用、儲存以及拆解過程均沒有污染;

（5）充放電線路簡單，安全系數高，適合長期免維護使用;

（6）工作環境溫度范圍寬，在-40℃～+70℃之間均能正常充放電。

正是因為超級電容電池具備以上優點，非常適合在工作環境惡劣、充放電頻率高、負載功率小的新型路口警示燈上應用。所以才被選做警示燈的儲能裝置。按照警示燈10W左右的功率計算，我們選用2組128W（3.2V 40AH）的超級電容電池即可滿足警示燈48小時的工作需求（采用點亮1秒后再熄滅1秒的秒閃方式工作）。

3.4 新型路口警示燈的系統圖和工作原理

4.系統圖

5.工作原理

當可再生能源風能和太陽能任何一種具備發電條件時，垂軸風力發電機或太陽能溫差發電機即開始工作，產生電能。風力電經過整流與溫差電分別經穩壓模塊調壓至同一電壓后接入充放電控制模塊。充放電控制模塊分配部分電源到輸出控制模塊供LED使用，分配另一部分電源對超級電容電池進行充電。當風能和太陽能都不具備發電條件時，超級電容電池通過充放電控制模塊向輸出控制模塊供電，驅動LED正常工作。另外輸出控制模塊可以外接光控開關，保證警示燈只在光線微弱時開始工作。

6.總結

新型路口警示燈充分利用了可再生自然能源風能和太陽能，并根據警示燈工作條件惡劣這一特點，創新選取了太陽溫差發電機、垂軸風力發電機和超級電容電池作為警示燈的電源系統，在保證系統穩定運行的同時又做到了節能環保。同時，警示燈外型美觀、設計緊湊，頂部的太陽能集熱板及保溫玻璃外殼不僅用來為溫差發電機提供熱源，同時也是警示燈頂部發光器;而垂軸風力發電機的葉輪不僅可以利用自然風驅動，而且可以利用汽車高速行駛時產生的風力驅動，并且在轉動時會產生向上升起的氣流，可以有效解決溫差發電機的散熱問題;標識箱外面張貼路口標識、安裝LED閃光器，里面安裝蓄電池及電源控制板，空間利用合理。最重要的是超級電容電池的應用徹底解決了普通鉛酸蓄電池因過放和反復不完全充電引起的壽命縮短的問題。

參考文獻

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作者簡介：李衛方（1973—），男，山東萊陽人，大學本科，工程師，現供職于煙臺市老干部活動中心。