基于波浪能發電的超高橋面智能噴淋降溫系統

何家裕

（武漢理工大學 信息工程學院，湖北 武漢 430070）

1 概述

夏季時，許多地區的橋面溫度可達60℃，而且高溫是橋面鋪筑層發生損壞的主要原因之一。由于橋面復雜的交通狀況、惡劣的建設環境，超高橋梁橋面的降溫成為極為關注和亟待解決的問題之一。現總結出以下幾個問題。

1.1 橋體在高溫下極易受損

高溫條件下，瀝青混合料橋面鋪筑層在行車荷載作用下容易沿橋梁縱向發生推移和留下車轍現象；鋪筑層因受熱膨脹而上拱，易出現斷裂現象；車輪與鋪筑層間的摩擦系數降低，附著力減小，車輛制動力下降，極易發生交通事故，嚴重影響橋面的交通狀況，甚至帶來人員傷亡。

1.2 超高橋面引水困難

許多橋梁遠離城鎮或建設于山區，橋梁較高，如果采取噴淋降溫，則鋪設水管、搭建電力系統不便。因此，橋面的噴淋降溫方式難以實現或成本較高。

1.3 人工降溫成本高，影響交通

目前，橋面的降溫方式主要通過灑水車人工進行橋面噴灑降溫，灑水車的作業會消耗大量的清潔水，成本較高。灑水車在橋面作業時，車速較慢，占用車道。

2 超高橋面智能噴淋降溫系統及其優點

基于以上問題，我們研發出一種基于波浪能發電的超高橋面智能噴淋降溫系統。如圖1所示，該系統利用強力吸盤將發電設備固定于橋墩上，采集江面的波浪能，通過液壓傳動、機械傳動、電磁感應，將波浪能轉化為電能。利用強力吸盤在橋墩上安裝多級轉換水箱，構成多級引水系統，將水從江面逐級引至超高橋面的蓄水箱中。橋面裝有噴淋系統、溫度傳感器等，通過溫度傳感器對橋面溫度實時監測，將數據傳輸至處理器，控制噴淋系統對橋面進行噴淋降溫，降低高溫對橋面的損壞程度，延長橋面鋪筑層、防水粘結層的使用壽命。

圖1 基于波浪能發電的超高橋面智能噴淋降溫系統示意圖

2.1 自給自足，節省能源

系統將充分利用波浪能、太陽能等清潔能源進行發電，利用江水進行噴灑降溫，節省能源，減少成本，綠色環保。

2.2 超高引水，可調性強

多級引水裝置將不受橋梁高度、地域影響，通過波浪能為發電機供電，將水從江面逐級引至橋面，解決一次性超高橋梁引水困難問題。

2.3 保護橋梁，延長壽命

此智能噴淋降溫系統通過對橋面進行降溫，從而降低高溫造成的橋面鋪筑層、防水粘結層的損壞程度，延長其使用壽命，減少經濟損失。

2.4 精準監測，智能降溫

此橋面智能降溫系統對橋面進行實時溫度監測、降溫，從源頭上降低溫度過高的可能性。

3 設計方案

3.1 波浪能發電裝置

3.1.1 波浪發電結構

波浪能發電裝置結構如圖2所示。當波浪波動時，浮筒上下浮動，1號液壓缸活塞上下往復移動，推動2號液壓缸活塞左右往復運動，帶動齒條在滑軌上做往復運動。通過齒輪的嚙合傳動以及齒輪傳動系的提速，帶動永磁發電機輸入軸往復旋轉，即永磁發電機的轉子轉動。通過電磁感應，產生電能，經整流模塊整流后，將電能儲存于超級電容中。

圖2 波浪能發電裝置結構示意圖

3.1.2 高度調節器

由于江面水位不固定，因氣溫上漲或下降，為了使發電裝置正常工作，在發電裝置上設計一高度調節器。高度調節器的移動導軌通過工業吸盤固定在橋墩上。高度調節器裝有水位傳感器、傳動系統、自鎖裝置等，通過對江面水位的監測，實時調節發電設備的高度，使設備與水面始終保持在合適的高度范圍內，保證設備的正常工作。

水位傳感器將實時監測發電設備與江面的高度差，當高度差超過發電機正常工作的范圍，將數據返回處理器，解除自鎖，傳動系統將整個發電裝置上下移動至合適高度后，再次鎖定裝置，保證發電裝置正常工作。

3.2 多級引水系統

通過設置多級水泵及轉換水箱，將水逐級從河面引至橋面。各級轉換水箱內設有水位傳感器、控制電路、小型水泵等裝置。水位傳感器對各級轉換水箱內水位進行監測，控制系統自動調節各級水泵的工作狀態，將水從江面引至橋面的蓄水箱中。

3.2.1 轉換水箱

轉換水箱主要包含四部分：①傳感器。通過水位傳感器來確定水箱內水位高度，從而確定水泵開閉狀態。②控制電路。通過接收水位傳感器發送的信號，對水泵進行控制，實現多級引水。③水泵。水泵工作時，可將本級轉換水箱中的水傳送到下一級轉換水箱中。④支撐板。固定傳感器以及控制電路部分，并且將水箱分為兩部分，下部空間進行蓄水、上部空間放置電路板等。

3.2.2 多級引水系統

以二級引水系統為例，其工作流程如下：兩個轉換水箱內的控制電路實時處理本水箱內水位傳感器數據信號以及其他轉換水箱內控制電路發送的信號。引水開始時，由最底層水泵抽水送入第一級轉換水箱，當第一級轉換水箱內水泵通電時，將水送入第二級轉換水箱。當第一級轉換水箱水位超高時，向最底層控制板發送請求，停止最底層水泵抽水，同時本級轉換水箱內水泵保持開啟，向第二級轉換水箱送水。當收到第二級控制板停止請求時，斷開水泵電源開關。第二級轉換水箱內當水位位于兩個浮球之間時，持續向橋面蓄水箱蓄水。

3.3 噴淋降溫裝置

噴灑裝置由蓄水箱、加壓水泵、水管、噴頭組成，通過噴頭的特定結構，達到最大面積噴灑效果。在橋梁道路兩側安裝噴灑噴頭，噴頭噴射角度為90°，兩側噴頭交叉分布，以達到噴灑能夠覆蓋整個橋面的效果。

4 系統控制程序設計

主程序開始，系統初始化，然后通過串口給MLX90615紅外溫度傳感器發送指令，紅外溫度傳感器持通過串口持續返回溫度數據，設置串口接收中斷保存溫度數據，設置定時器中斷，每10 ms進入一次中斷，進入中斷后通過CAN發送水位數據和溫度數據，并對水位、溫度進行判斷，當水位低于20%時，報警指示燈閃爍；當溫度高于45℃時，打開水泵繼電器，同時報警指示燈閃爍。開啟CAN接受中斷，接收各級水箱的水位數據。開啟ADC采樣，對電池進行電量采集。

4.1 人機交互與遠程通訊

4.1.1 人機交互界面

在主控系統旁提供人機交互觸控屏，實時顯示橋面降溫系統的水壓、水位、橋梁溫度、電池電量等基礎數據，且可以在人機交互觸控屏控制整個系統的各部分的工作狀態、調整系統參數等。

4.1.2 遠程通訊

利用GPRS網絡模塊經過通信基站建立橋面降溫系統與云端服務器及遠程控制終端之間的通訊。云端服務器后臺儲存降溫系統的水壓、水位、溫度、電池電量等基礎數據，并在應用端對接收到的信息和數據進行算法分析和處理，實現在遠程控制終端實時監控系統的工作狀態、溫度、水位、蓄電等情況。

4.1.3 云服務

云端除了持久化數據，還對信息和數據進行相應的云計算、數據處理與挖掘，并且與橋梁建設與維護行業牢牢結合。利用云服務對傳感器所采集的數據進行計算分析，判斷橋面各時間段的平均溫度，調整噴淋降溫系統工作狀態。同時，利用采集的數據，繪制橋面溫度云圖，為橋梁防高溫措施提供參考。

5 結束語

本研究針對現在高溫橋面產生的一系列問題提供了一個解決方案。該系統能夠依靠波浪能發電提供電量，節約能源，續航性強，且能夠實時監控橋面狀況，作出適當調控，真正滿足當代社會智能綠色高效生活的需求。