多能源自發(fā)電式智能道閘系統(tǒng)設(shè)計(jì)

童樂(lè)成 付濤 周艷 劉光輝

摘要：本設(shè)計(jì)為一套多能源自發(fā)電式智能道閘系統(tǒng)，該系統(tǒng)采用壓力發(fā)電、機(jī)械能發(fā)電、太陽(yáng)能發(fā)電獲取系統(tǒng)所需電能。多能源發(fā)電儲(chǔ)存在蓄電池中，給智能道閘系統(tǒng)提供電能。經(jīng)測(cè)算，該系統(tǒng)投入使用后，三種發(fā)電方式產(chǎn)生的電能完全滿(mǎn)足系統(tǒng)運(yùn)行需求，且系統(tǒng)將不再依賴(lài)傳統(tǒng)的電網(wǎng)能源，最終實(shí)現(xiàn)自發(fā)電、自供電，故該系統(tǒng)具有巨大的潛在市場(chǎng)、良好的經(jīng)濟(jì)效益和節(jié)能減排效果。

關(guān)鍵詞：壓力發(fā)電;機(jī)械能發(fā)電;太陽(yáng)能發(fā)電;節(jié)能減排

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)背景及意義

隨著汽車(chē)數(shù)量的日益劇增，全國(guó)各地對(duì)道閘的需求量也越來(lái)越大，而大量的道閘系統(tǒng)所消耗的電能也是相當(dāng)巨大的。本系統(tǒng)充分利用車(chē)輛通過(guò)道閘時(shí)自身的重力，帶動(dòng)敷設(shè)在道路中的壓力發(fā)電裝置和機(jī)械裝置產(chǎn)生電能，再輔以太陽(yáng)能發(fā)電裝置，多能源發(fā)電系統(tǒng)產(chǎn)生的電能儲(chǔ)存在蓄電池中，最終將不再依賴(lài)傳統(tǒng)的電網(wǎng)能源，該系統(tǒng)通過(guò)測(cè)算可實(shí)現(xiàn)自供電。當(dāng)有車(chē)輛駛?cè)牖蝰偝鰰r(shí)，檢測(cè)裝置通過(guò)STC89C51啟動(dòng)車(chē)輛識(shí)別裝置，識(shí)別通過(guò)后，啟動(dòng)道閘電機(jī)，同時(shí)進(jìn)行語(yǔ)音播報(bào)。本作品只需增設(shè)單片機(jī)控制系統(tǒng)、壓力發(fā)電、機(jī)械發(fā)電和小型太陽(yáng)能電池板等裝置，成本低且回收成本周期短，具有較好的經(jīng)濟(jì)效益和良好的推廣使用價(jià)值。

系統(tǒng)電能來(lái)源廣泛，發(fā)電過(guò)程中無(wú)污染，節(jié)能環(huán)保。從清潔能源產(chǎn)生過(guò)程中進(jìn)行開(kāi)發(fā)利用，降低資源消耗，實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排。

2 設(shè)計(jì)方案

2.1系統(tǒng)總體方案

該系統(tǒng)由發(fā)電系統(tǒng)、儲(chǔ)能系統(tǒng)和控制系統(tǒng)三部分組成，系統(tǒng)總體方案如圖1所示。

發(fā)電系統(tǒng)：發(fā)電部分的電能獲取形式有3種，分別為壓力發(fā)電、太陽(yáng)能發(fā)電、機(jī)械能發(fā)電。

儲(chǔ)能系統(tǒng)：儲(chǔ)能系統(tǒng)主要為蓄電池組，壓力發(fā)電、太陽(yáng)能發(fā)電、機(jī)械能發(fā)電所產(chǎn)生的電能將儲(chǔ)存在蓄電池組中，分別給道閘電機(jī)、照明、傳感器、攝像頭、語(yǔ)音播報(bào)系統(tǒng)、單片機(jī)等設(shè)備供電。

控制系統(tǒng)：控制系統(tǒng)的核心部件為單片機(jī)，被控對(duì)象為傳感器、車(chē)輛識(shí)別攝像頭、語(yǔ)音播報(bào)器、照明燈、道閘電機(jī)等部分組成。

多能源發(fā)電系統(tǒng)產(chǎn)生的電能儲(chǔ)存在蓄電池中，當(dāng)有車(chē)輛駛?cè)牖蝰偝鰰r(shí)，檢測(cè)裝置通過(guò)STC89C51啟動(dòng)車(chē)輛識(shí)別裝置，識(shí)別通過(guò)后，啟動(dòng)道閘電機(jī)同行，同時(shí)進(jìn)行語(yǔ)音播報(bào)，系統(tǒng)3D視圖如圖2所示。

3 理論設(shè)計(jì)計(jì)算

3.1壓電裝置產(chǎn)生的電能計(jì)算

系統(tǒng)選用PZT-5X型壓電陶瓷[1]，對(duì)PZT電學(xué)輸出進(jìn)行推導(dǎo)和驗(yàn)證：

式中：UE-單個(gè)PZT每小時(shí)在路面收集的能量;A-PZT的表面積;d33-壓電應(yīng)變常數(shù);g33-壓電電壓常數(shù);t-PZT的厚度;T3-PZT頂端應(yīng)力。

取車(chē)輛平均重力15000N/輛，其計(jì)算過(guò)程如下：

本設(shè)計(jì)中共采用64片PZT-5X壓電陶瓷，每天壓電發(fā)電時(shí)間以平均3.5h/天計(jì)算。

一天的總發(fā)電量：Q=35437.5×64×3.5=7938000J=2.2KW·h

3.2太陽(yáng)能裝置產(chǎn)生的電能計(jì)算

系統(tǒng)采用P60-260型太陽(yáng)能電池板，面積為1平方米，取10小時(shí)有效的正常光照時(shí)間計(jì)算，1平方米的該太陽(yáng)能電池板每小時(shí)能產(chǎn)生0.26kW·h的電能。所以一天的總發(fā)電量：

Q=260×1×3600×10=9.36×10J=2.6KW·h

3.3機(jī)械能裝置產(chǎn)生的電能計(jì)算

系統(tǒng)采用機(jī)械曲柄發(fā)電裝置，蓄能器并聯(lián)個(gè)數(shù)為8為，取每個(gè)凸棱的高度h=10cm，以普通車(chē)輛為例，平均質(zhì)量取1500kg，汽車(chē)軋過(guò)每個(gè)凸棱時(shí)產(chǎn)生的能量E約為：

則一輛汽車(chē)每軋過(guò)一個(gè)凸棱所產(chǎn)生的初始能量E=750J。

考慮機(jī)械曲柄發(fā)電裝置能量損耗為α，每次車(chē)輛軋過(guò)一個(gè)凸棱，用于發(fā)電的能量為E1，能量損耗為E2，

則有：

故一輛車(chē)經(jīng)過(guò)一個(gè)凸棱產(chǎn)生的能量E=637.5J;損耗的能量E=112.5J;那么道閘處8凸棱一次至少可產(chǎn)生的有效的能量為E=5100J;

假設(shè)該道閘平均每天通過(guò)的車(chē)輛數(shù)為500輛，則每天轉(zhuǎn)換的有效的機(jī)械能為：

E′=500×E=2550kJ

選取7.5r/s的發(fā)電機(jī)，發(fā)電機(jī)功率為0.25KW，則每秒鐘產(chǎn)能250J;求得每天發(fā)電小時(shí)數(shù)約h=2.8h，所以一天的總發(fā)電量：

Q=0.25×2.8=0.7kW·h

故該系統(tǒng)一天的總發(fā)電量為：

2.4道閘系統(tǒng)的能耗計(jì)算

道閘系統(tǒng)的耗能部分有：?jiǎn)纹瑱C(jī)控制模塊，傳感器模塊，LCD顯示模塊，識(shí)別攝像模塊，語(yǔ)音播報(bào)裝置，LED照明設(shè)備，閘桿脫扣電磁閥。其耗能參數(shù)如下表1所示：

取單片機(jī)控制模塊，LED顯示模塊和識(shí)別攝像模塊的工作時(shí)間以每天24小時(shí)計(jì)算;傳感器模塊，語(yǔ)音播報(bào)裝置和閘桿起落控制電機(jī)的工作時(shí)間以每天3.5小時(shí)計(jì)算;LED照明設(shè)備的工作時(shí)間以每天12小時(shí)計(jì)算。

該系統(tǒng)一天的總能耗為：

通過(guò)綜合計(jì)算，系統(tǒng)所產(chǎn)生的電能完全能夠滿(mǎn)足道閘系統(tǒng)運(yùn)行的需求。

4 經(jīng)濟(jì)效益分析

道閘系統(tǒng)總耗電量為2.9KW·h/天，平均電費(fèi)按0.62元/KW·h，每年電費(fèi)約656元，與系統(tǒng)搭建成本對(duì)比，約2年可收回成本。

目前電力70%來(lái)源于火力發(fā)電，一度電耗煤量約是400g標(biāo)準(zhǔn)煤，則單個(gè)道閘一年可減少燃煤423kg。按照中等城市的道閘數(shù)量為4000個(gè)計(jì)算，則1年可節(jié)約電量4.234×10kW·h，減少使用標(biāo)準(zhǔn)煤1693.6噸。

5 結(jié)語(yǔ)

系統(tǒng)通過(guò)壓力發(fā)電、機(jī)械能發(fā)電和太陽(yáng)能發(fā)電，3種潔凈能源獲取電能供給道閘系統(tǒng)，可實(shí)現(xiàn)自發(fā)電、自供電。達(dá)到減少對(duì)電網(wǎng)電能的消耗，降低碳排放的目的，從而減少環(huán)境污染。可應(yīng)用于商場(chǎng)，小區(qū)，檢查站，收費(fèi)站，加油站等地，除了能帶來(lái)較好的經(jīng)濟(jì)效益外，對(duì)減少碳排放量，具有良好的促進(jìn)作用。

參考文獻(xiàn)

[1]郭曉瑩，李茂軍，李琛.一種基于壓電片的能量轉(zhuǎn)換裝置及其優(yōu)化設(shè)計(jì)[J].壓電與聲光，2018，40（02）：300-303.

[2]李濤.光伏發(fā)電技術(shù)與機(jī)械的結(jié)合[J].世界有色金屬，2020（05）：238+241.

作者簡(jiǎn)介：

童樂(lè)成（2000-），男，漢族，浙江寧波人，新疆工程學(xué)院本科在讀，研究方向?yàn)殡姎夤こ碳捌渥詣?dòng)化。

通訊作者：

付濤（1985-），男，漢族，河南息縣人，碩士，副教授，研究方向?yàn)殡姎夤こ獭?/p>

周艷（1986-），女，漢族，河南息縣人，新疆大學(xué)MBA在讀，工程師，研究方向?yàn)榫W(wǎng)絡(luò)與通信傳輸及融媒體技術(shù)。

項(xiàng)目基金：2021年國(guó)家級(jí)大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計(jì)劃項(xiàng)目（202110994003）。