占志龍　胡仕剛　李權(quán)接　譚飄　余勁　唐志軍

基金項(xiàng)目：國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目（61674056，61875054）。

摘要：論文設(shè)計(jì)了一種基于收費(fèi)站的能量收集系統(tǒng)。該系統(tǒng)由減速帶發(fā)電模塊、太陽(yáng)能發(fā)電模塊發(fā)電和電能轉(zhuǎn)換模塊組成。理論計(jì)算結(jié)果表明，該系統(tǒng)符合設(shè)計(jì)要求，具有一定的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。

關(guān)鍵詞：減速帶;液壓發(fā)電模塊;能量收集系統(tǒng)

中圖分類(lèi)號(hào)：TM919文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：1672-9129（2020）07-0067-01

Abstract：This paper designs an energy collection system based on toll station. The system consists of power generation module of speed belt， solar power generation module and electric energy conversion module. The theoretical calculation results show that the system meets the design requirements and has certain practical application value.

Key words：speed bumps;Hydraulic power generation module;Energy collection system

人類(lèi)對(duì)能源的需求正在逐步遞增，其中尤其典型代表是電能，在當(dāng)前社會(huì)主要以化石燃料燃燒發(fā)電為主，然而化石燃料的開(kāi)采將會(huì)帶來(lái)眾多的環(huán)境問(wèn)題。在日常生活中我們發(fā)現(xiàn)收費(fèi)站僅僅作為一個(gè)具有收費(fèi)功能的場(chǎng)所，事實(shí)上它可以具有多功能。例如，利用收費(fèi)站的減速帶吸收汽車(chē)經(jīng)過(guò)減速帶時(shí)下壓的能量并且在收費(fèi)廳樓頂安置太陽(yáng)能板吸收太陽(yáng)能的能量收集系統(tǒng)[1]。為了充分利用收費(fèi)站收集電能，論文設(shè)計(jì)了一種基于收費(fèi)站的能量收集系統(tǒng)。

1系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

1.1系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì)。在收費(fèi)站口的減速帶下方安置一組液壓馬達(dá)發(fā)電機(jī)，當(dāng)車(chē)輛通過(guò)減速帶的時(shí)，車(chē)子將減速帶向下壓，使液壓桿推動(dòng)并擠壓液壓缸內(nèi)的油性介質(zhì)，油性介質(zhì)順著管道流向電磁閥，經(jīng)電磁閥控制流速后流過(guò)液壓馬達(dá)帶動(dòng)發(fā)電機(jī)發(fā)電，同時(shí)油性介質(zhì)流向上油腔[1];在回位彈簧的作用下將液壓桿向上拉升，拉升使其處于上油腔的液體在整流橋的作用下再次流向液壓馬達(dá)，最終油性介質(zhì)從液壓馬達(dá)處流處，回到了下油腔實(shí)現(xiàn)復(fù)位，整個(gè)過(guò)程實(shí)現(xiàn)了二次發(fā)電。減速帶產(chǎn)生的電能與收費(fèi)站樓頂上的太陽(yáng)能板產(chǎn)生的電能一起經(jīng)過(guò)電流轉(zhuǎn)化模塊處理后存入蓄電池中，然后通過(guò)電能輸出模塊將電供給收費(fèi)站和電網(wǎng)。當(dāng)電量不足，電網(wǎng)通過(guò)輸出電路反向?qū)π铍姵爻潆娨跃S持電量需求。

1.2機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。該系統(tǒng)主要由三部分組成，減速帶發(fā)電模塊和太陽(yáng)能發(fā)電模塊發(fā)電，然后通過(guò)電能轉(zhuǎn)換模塊進(jìn)行輸出。減速帶發(fā)電模塊運(yùn)用液壓發(fā)電的原理，借助液壓馬達(dá)進(jìn)行發(fā)電，通過(guò)整流橋來(lái)控制系統(tǒng)中液體流動(dòng)方向，利用回位彈簧實(shí)現(xiàn)液體兩次通過(guò)液壓馬達(dá)進(jìn)行兩次發(fā)電。太陽(yáng)能發(fā)電模塊由pv方陣來(lái)將太陽(yáng)能轉(zhuǎn)換成電能，由控制器來(lái)進(jìn)行管理然后存入蓄電池[2]。

1.3減速帶發(fā)電模塊。減速帶發(fā)電模塊裝置通過(guò)在收費(fèi)站口的減速帶下方安置一組液壓馬達(dá)發(fā)電機(jī)，當(dāng)車(chē)輛通過(guò)減速帶的時(shí)，車(chē)子下壓減速帶，使液壓桿推動(dòng)并擠壓液壓缸內(nèi)的油性介質(zhì)，油性介質(zhì)順著管道流向電磁閥，經(jīng)電磁閥控制流速后流向液壓馬達(dá)帶動(dòng)發(fā)電機(jī)發(fā)電，同時(shí)油性介質(zhì)流入上油腔;在回位彈簧的作用下將液壓桿向上拉升，拉升使其處于上油腔的液體流出并且在整流橋的作用下再次流向液壓馬達(dá)正極，進(jìn)行第二次發(fā)電，最終油性介質(zhì)又流從液壓馬達(dá)留回了下油腔。減速帶發(fā)電模塊三維圖如圖2所示[3]。

2軟件設(shè)計(jì)與理論計(jì)算

控制部分，綜合運(yùn)用了單片機(jī)和傳感器，另外加上整流模塊和升壓降模塊。首先壓力傳感器接收到壓力信號(hào)，然后將相應(yīng)的信號(hào)傳給單片機(jī)，單片機(jī)對(duì)不同的電磁閥做出相應(yīng)的反應(yīng)，然后將發(fā)電機(jī)發(fā)的電經(jīng)過(guò)整流和升壓降模塊然后和太陽(yáng)能發(fā)的電經(jīng)過(guò)控制器最終匯入蓄電池中[3]。

2.1已知電機(jī)輸出軸的功率P1=1KW，轉(zhuǎn)速n1=380rpm，轉(zhuǎn)矩T1=25131N·mm，計(jì)算作用在齒輪上的力FT=（2T1/d1）*（tanɑ/cosβ）=703N。

2.2發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速為380rpm，發(fā)電機(jī)輸入軸與液壓馬達(dá)輸出軸上齒輪轉(zhuǎn)動(dòng)比為3，則液壓馬達(dá)轉(zhuǎn)速為127rpm。取發(fā)電機(jī)輸出軸齒輪與液壓馬達(dá)輸出軸上的齒輪傳動(dòng)機(jī)械效率η齒輪=0.98，馬達(dá)輸出軸上的功率P2=Pd*η齒輪=1*0.98=0.98KW、轉(zhuǎn)速n2=127rpm、轉(zhuǎn)矩T2=73.7N·m。選擇液壓達(dá)型號(hào)為BMT-800，轉(zhuǎn)速140rpm，勵(lì)13MPa，輸入流量125L/min。液壓馬達(dá)每通過(guò)7500L的液體油，則可以產(chǎn)生1KW的電量，液壓缸壓縮高度h=10cm，半徑r=10cm，每次下壓的油量：Q1=π*h*r2≈3.14L，液壓油上下兩次經(jīng)過(guò)液壓馬達(dá)和每輛車(chē)經(jīng)過(guò)一個(gè)減速帶會(huì)下壓減速帶兩次（前輪后輪），故每次通過(guò)的油量：Q2≈4Q1=12.56L。

按照6個(gè)減速帶的規(guī)格來(lái)計(jì)算，產(chǎn)生1KW的電量需要通過(guò)的車(chē)輛數(shù)：N=7500L/（4*Q2）=149輛[3]。

3結(jié)論

基于收費(fèi)站的能量收集系統(tǒng)采用多套減速帶共用一套發(fā)電系統(tǒng)，成本較低，有利于大范圍的推廣。其發(fā)電效率可觀，成本可以快速收回。并可拆卸，有利于維修護(hù)理。論文所設(shè)計(jì)的能量收集系統(tǒng)，具有一定的實(shí)用性。通過(guò)理論計(jì)算結(jié)果可以看出，該系統(tǒng)滿足設(shè)計(jì)要求。

參考文獻(xiàn)：

[1]謝達(dá).路面減速帶液壓式振動(dòng)能量回收系統(tǒng)設(shè)計(jì)與研究[D].江蘇：江蘇大學(xué)，2017：6-1.

[2]美國(guó)國(guó)際太陽(yáng)能協(xié)會(huì)，李雅琪譯.太陽(yáng)能光伏發(fā)電設(shè)計(jì)與安裝指南[M].湖南科學(xué)技術(shù)出版社，2013.

[3]朱子豪.基于車(chē)輛運(yùn)行的減速帶振動(dòng)能量回收方法研究[D].上海：上海工程技術(shù)大學(xué)，2015：12-1.

通信作者：胡仕剛（1980.9—），男，湖北咸寧人，博士/教授，從事集成電路設(shè)計(jì)研究與教學(xué)。