【摘要】為了克服普通路口警示燈的太陽(yáng)能電池板無(wú)法在夜間和陰雨天為蓄電池充電的問(wèn)題以及普通蓄電池壽命短的缺點(diǎn)，特研制出一種利用溫差發(fā)電技術(shù)和軸向風(fēng)力發(fā)電技術(shù)的新型路口警示燈，該警示燈利用風(fēng)能和太陽(yáng)能的互補(bǔ)來(lái)實(shí)現(xiàn)警示燈的穩(wěn)定工作，可分別利用風(fēng)能和太陽(yáng)能兩種可再生能源驅(qū)動(dòng)發(fā)電機(jī)工作，產(chǎn)生的兩種電源經(jīng)整流和穩(wěn)壓后給超級(jí)電容電池充電，供LED警示燈工作。

【關(guān)鍵詞】警示燈;風(fēng)力發(fā)電;溫差發(fā)電;超級(jí)電容電池

新型路口警示燈外觀新穎、安裝簡(jiǎn)單、工作可靠、警示效果突出，并且對(duì)環(huán)境無(wú)污染，使用壽命長(zhǎng)，維護(hù)使用方便。該警示燈能利用風(fēng)能驅(qū)動(dòng)頂部軸向風(fēng)力發(fā)電機(jī)工作，利用太陽(yáng)能集熱板驅(qū)動(dòng)溫差發(fā)電機(jī)工作，利用超級(jí)電容電池儲(chǔ)存電能，不但經(jīng)濟(jì)環(huán)保，而且具有顯著的節(jié)能減排的效果。

1.新型路口警示燈研制背景

現(xiàn)有的路口警示燈一般采用太陽(yáng)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(yáng)能電池板的發(fā)電量往往因?yàn)椴牧铣杀尽⒐ぷ鳝h(huán)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(yáng)能無(wú)法為蓄電池充電，容易造成蓄電池放電過(guò)度，從而造成鉛酸蓄電池的使用壽命和儲(chǔ)電能力快速降低，導(dǎo)致警示燈的運(yùn)行不夠穩(wěn)定。經(jīng)過(guò)實(shí)地調(diào)查發(fā)現(xiàn)，新安裝的警示燈通常在1～2兩年后就會(huì)出現(xiàn)蓄電池失效的情況。

為了解決以上問(wèn)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(zhǎng)，工作時(shí)無(wú)噪聲并且無(wú)須維護(hù)的溫差發(fā)電機(jī)供電，另一種是轉(zhuǎn)速低、噪音小、效率高、不受風(fēng)向變化影響的微型垂直軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)供電。

目前，市場(chǎng)上能買到的外形尺寸為40×40×4MM溫差發(fā)電機(jī)在發(fā)電組件兩面保持?jǐn)z氏60攝氏度的溫差時(shí)，輸出功率可達(dá)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(fēng)力發(fā)電機(jī)，在風(fēng)速為10m/s～20m/s 之間時(shí)功率能達(dá)到10W～50W，可以保證警示燈的正常工作需求和對(duì)超級(jí)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(yáng)能電池板最多只能提供10W的功率。

2.新型路口警示燈的設(shè)計(jì)思路

新型路口警示燈由底座、立桿、微型垂直軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)、溫差發(fā)電機(jī)、電源板、超級(jí)電容電池、LED警示燈等構(gòu)件組成。通過(guò)底座可以把警示燈固定于路面上，底座上的立桿用來(lái)支撐警示牌、風(fēng)力發(fā)電機(jī)、溫差發(fā)電機(jī)和太陽(yáng)能集熱板。

警示燈的最上端為太陽(yáng)能集熱板，集熱板上方罩著透明玻璃保溫外殼，中間開(kāi)孔安裝LED燈珠，下方與溫差發(fā)電機(jī)的吸熱面連接（根據(jù)需要可安裝40×40×4MM溫差發(fā)電機(jī)5～10片，接觸面需涂抹導(dǎo)熱硅脂），未安裝溫差發(fā)電機(jī)的位置鋪設(shè)4MM厚的隔熱層。溫差發(fā)電機(jī)的散熱面與散熱底盤連接（接觸面需涂抹導(dǎo)熱硅脂），電源輸出線和頂部LED電源線通過(guò)中空的風(fēng)力發(fā)電機(jī)定子軸管與風(fēng)力發(fā)電機(jī)的電源輸出線一起引至指示牌箱體內(nèi)，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(nèi)直接與電源控制板連接，另外還可根據(jù)需要在箱體上安裝光線感應(yīng)器，光線感應(yīng)器可以感知光線變化，通過(guò)電源控制板來(lái)控制警示燈的開(kāi)關(guān)。

3.新型路口警示燈的工作原理和參數(shù)配置

3.1 溫差發(fā)電機(jī)的工作原理和功率匹配

不同的金屬導(dǎo)體（或半導(dǎo)體）具有不同的自由電子密度（或載流子密度），當(dāng)兩種不同的金屬導(dǎo)體相互接觸時(shí)，在接觸面上的電子就會(huì)由高濃度向低濃度擴(kuò)散。而電子的擴(kuò)散速率與接觸區(qū)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(xù)擴(kuò)散，在兩塊金屬的另兩個(gè)端點(diǎn)形成穩(wěn)定的電壓。這種現(xiàn)象稱為塞貝克效應(yīng)。根據(jù)塞貝克效，將一個(gè)P型溫差電元件和一個(gè)N型溫差電元件在熱端用金屬導(dǎo)體電極連接起來(lái)，在其冷端分別連接冷端電極，就構(gòu)成一個(gè)溫差電單體。在溫差電單體開(kāi)路端接入負(fù)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(huì)建立溫差，就會(huì)有電流流經(jīng)負(fù)載RL，負(fù)載上將會(huì)得到一定的電功率，從而實(shí)現(xiàn)了由熱能到電能的直接轉(zhuǎn)換。為保持電流的持續(xù)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(duì)熱極供熱，從冷極排熱。

用半導(dǎo)體材料制成的溫差電單體經(jīng)過(guò)一定的工藝加工成片狀結(jié)構(gòu)（簡(jiǎn)稱發(fā)電片），然后根據(jù)需要進(jìn)行適當(dāng)?shù)拇⒙?lián)后，就可以輸出符合超級(jí)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(fā)電機(jī)。 通常一片外形尺寸為40×40×4MM溫差發(fā)電片在60℃溫差下可以產(chǎn)生3V左右的電壓和3A的電流，功率達(dá)到10W，因此我們?nèi)绻胱寽夭畎l(fā)電機(jī)為工作電壓為直流12V，功率為60W的設(shè)備供電，我們就最少需要8塊功率為10W的溫差發(fā)電片，其中每4片發(fā)電片串連成一個(gè)回路，形成2個(gè)串連回路，然后把這2個(gè)串連回路并接起來(lái)，就可形成一臺(tái)輸出電壓為直流12V，功率為60W的溫差發(fā)電機(jī)。

溫差發(fā)電機(jī)的工作穩(wěn)定狀態(tài)取決于兩極的溫差穩(wěn)定情況，溫差過(guò)小則發(fā)電功率不足，溫差過(guò)大則會(huì)損壞發(fā)電機(jī)，所以持續(xù)穩(wěn)定的熱源對(duì)溫差發(fā)電機(jī)至關(guān)重要。以太陽(yáng)能為熱源的溫差發(fā)電機(jī)就存在供熱不穩(wěn)定的情況，不能獨(dú)立為設(shè)備供電，于是同位素溫差發(fā)電機(jī)（又稱核電池）應(yīng)運(yùn)而生，不僅可以做到體積小、功率大且輸出穩(wěn)定，而且使用壽命非常長(zhǎng)。

前蘇聯(lián)從1960年代末開(kāi)始研究制造放射性同位素溫差電機(jī)，該類型發(fā)電機(jī)以Sr90為熱源，可穩(wěn)定提供7～30V，80W的輸出，平均使用壽命大于10年。而美國(guó)國(guó)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(fā)電裝置。其中旅行者1號(hào)飛船上的所有電能均由熱電轉(zhuǎn)換模塊提供，該電力系統(tǒng)已安全運(yùn)行了33多年。雖然同位素溫差發(fā)電機(jī)性能優(yōu)良，但是因?yàn)閮r(jià)格昂貴，目前還無(wú)法達(dá)到民用標(biāo)準(zhǔn)，所以新型路口警示燈任然采用價(jià)格便宜的太陽(yáng)能集熱板為溫差發(fā)電機(jī)提供熱源。

3.2 微型垂直軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)的工作原理和功率匹配

垂直軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)是采用空氣動(dòng)力學(xué)原理，采用由輪轂固定在一起的垂直葉片組形成的風(fēng)輪作為接受風(fēng)力的單元，利用風(fēng)力吹動(dòng)風(fēng)輪旋轉(zhuǎn)，帶動(dòng)稀土永磁發(fā)電機(jī)進(jìn)行旋轉(zhuǎn)發(fā)電。風(fēng)力發(fā)電機(jī)因風(fēng)量不穩(wěn)定，故其輸出的是13～25V變化的交流電，須經(jīng)控制器的整流和穩(wěn)壓后才能對(duì)超級(jí)電容蓄電池充電。由于垂直軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)的抗風(fēng)能力強(qiáng)，發(fā)電功率上升速度快，在低風(fēng)速運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)的發(fā)電量也較大，非常適合在沿海及山區(qū)多風(fēng)地帶使用。

風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的功率是由蓄電池功率決定的，風(fēng)力發(fā)電機(jī)的功率只對(duì)電池充電速度有影響，所以我們選擇風(fēng)力發(fā)電機(jī)時(shí)要首先考慮電池組功率和用電設(shè)備功率的匹配，然后再根據(jù)當(dāng)?shù)氐娘L(fēng)力情況選擇合適的風(fēng)力發(fā)電機(jī)功率。風(fēng)力發(fā)電機(jī)功率的大小不僅取決于機(jī)頭功率的大小，而且與風(fēng)量的大小密切相關(guān)。在沿海地區(qū)，小的風(fēng)力發(fā)電機(jī)會(huì)比大的更合適。因?yàn)樗菀妆灰蚝ｊ憸夭疃纬傻某掷m(xù)微風(fēng)帶動(dòng)而發(fā)電，所以新型路口警示燈選用100W風(fēng)力垂軸發(fā)電機(jī)。

3.3 超級(jí)電容電池性能分析和容量選定

超級(jí)電容電池又叫黃金電容、法拉電容，它通過(guò)極化電解質(zhì)來(lái)儲(chǔ)能，屬于雙層電容的一種。由于其儲(chǔ)能的過(guò)程并不發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，因此這種儲(chǔ)能過(guò)程是可逆的，所以超級(jí)電容器可以反復(fù)充放電幾萬(wàn)次以上。目前性能最好的高能鎳碳超級(jí)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(shè)備供電上具備以下技術(shù)優(yōu)勢(shì)：

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

（2）循環(huán)使用壽命長(zhǎng)，沒(méi)有“記憶效應(yīng)”，預(yù)計(jì)深度充放電循環(huán)使用次數(shù)可達(dá)5萬(wàn)次以上;

（3）功率密度高，可達(dá)2.0度/kg以上，相當(dāng)于普通電池的數(shù)十倍;

（4）電池生產(chǎn)所用的原材料均是廉價(jià)的綠色環(huán)保金屬，生產(chǎn)、使用、儲(chǔ)存以及拆解過(guò)程均沒(méi)有污染;

（5）充放電線路簡(jiǎn)單，安全系數(shù)高，適合長(zhǎng)期免維護(hù)使用;

（6）工作環(huán)境溫度范圍寬，在-40℃～+70℃之間均能正常充放電。

正是因?yàn)槌?jí)電容電池具備以上優(yōu)點(diǎn)，非常適合在工作環(huán)境惡劣、充放電頻率高、負(fù)載功率小的新型路口警示燈上應(yīng)用。所以才被選做警示燈的儲(chǔ)能裝置。按照警示燈10W左右的功率計(jì)算，我們選用2組128W（3.2V 40AH）的超級(jí)電容電池即可滿足警示燈48小時(shí)的工作需求（采用點(diǎn)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(tǒng)圖和工作原理

4.系統(tǒng)圖

5.工作原理

當(dāng)可再生能源風(fēng)能和太陽(yáng)能任何一種具備發(fā)電條件時(shí)，垂軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)或太陽(yáng)能溫差發(fā)電機(jī)即開(kāi)始工作，產(chǎn)生電能。風(fēng)力電經(jīng)過(guò)整流與溫差電分別經(jīng)穩(wěn)壓模塊調(diào)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(duì)超級(jí)電容電池進(jìn)行充電。當(dāng)風(fēng)能和太陽(yáng)能都不具備發(fā)電條件時(shí)，超級(jí)電容電池通過(guò)充放電控制模塊向輸出控制模塊供電，驅(qū)動(dòng)LED正常工作。另外輸出控制模塊可以外接光控開(kāi)關(guān)，保證警示燈只在光線微弱時(shí)開(kāi)始工作。

6.總結(jié)

新型路口警示燈充分利用了可再生自然能源風(fēng)能和太陽(yáng)能，并根據(jù)警示燈工作條件惡劣這一特點(diǎn)，創(chuàng)新選取了太陽(yáng)溫差發(fā)電機(jī)、垂軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)和超級(jí)電容電池作為警示燈的電源系統(tǒng)，在保證系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行的同時(shí)又做到了節(jié)能環(huán)保。同時(shí)，警示燈外型美觀、設(shè)計(jì)緊湊，頂部的太陽(yáng)能集熱板及保溫玻璃外殼不僅用來(lái)為溫差發(fā)電機(jī)提供熱源，同時(shí)也是警示燈頂部發(fā)光器;而垂軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)的葉輪不僅可以利用自然風(fēng)驅(qū)動(dòng)，而且可以利用汽車高速行駛時(shí)產(chǎn)生的風(fēng)力驅(qū)動(dòng)，并且在轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)會(huì)產(chǎn)生向上升起的氣流，可以有效解決溫差發(fā)電機(jī)的散熱問(wèn)題;標(biāo)識(shí)箱外面張貼路口標(biāo)識(shí)、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(jí)電容電池的應(yīng)用徹底解決了普通鉛酸蓄電池因過(guò)放和反復(fù)不完全充電引起的壽命縮短的問(wèn)題。

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作者簡(jiǎn)介：李衛(wèi)方（1973—），男，山東萊陽(yáng)人，大學(xué)本科，工程師，現(xiàn)供職于煙臺(tái)市老干部活動(dòng)中心。