解榮杰，董瓊蔚，殷煜欽，林彬彬，溫 成

中國(guó)礦業(yè)大學(xué)徐海學(xué)院，江蘇 徐州 221000

0 引言

近幾年“智慧城市”的理念逐漸興起。隨著“碳達(dá)峰，碳中和”等觀念的深入人心，節(jié)能與智能的結(jié)合已是大勢(shì)所趨。市場(chǎng)上以新能源為動(dòng)力的汽車、電液混動(dòng)的大型貨車等交通工具逐步取代以汽油、柴油為動(dòng)力的汽車。在眾多清潔能源中，電能占據(jù)了相當(dāng)大的一部分。根據(jù)調(diào)研結(jié)果，目前電能的主要生產(chǎn)方式仍以火力發(fā)電為主，占據(jù)發(fā)電總量的40%?；鹆Πl(fā)電污染嚴(yán)重，與“碳達(dá)峰，碳中和”的理念背道而馳，需要尋找新型的電能生產(chǎn)方式。文章基于以上理念提出風(fēng)光互補(bǔ)型智慧路燈。

通過(guò)對(duì)比目前已有的風(fēng)能、光能的收集方式，發(fā)現(xiàn)大型風(fēng)力發(fā)電機(jī)多位于山頂、野外等空曠地帶。城市地價(jià)較高，使用大型設(shè)備不切合實(shí)際，浪費(fèi)資源。因此采用占地面積較小的垂直式葉片來(lái)收集城市中的風(fēng)能，為周圍小型設(shè)施，如路燈、小型無(wú)人售貨機(jī)、共享電車充電樁等供電。同時(shí)，借助位于路燈頂端的光伏板收集城市光能，達(dá)到節(jié)能減排的目的。

1 研究背景

全球氣候變化和人類活動(dòng)的關(guān)系已成為當(dāng)今國(guó)際的焦點(diǎn)問(wèn)題，關(guān)系到各個(gè)國(guó)家的切身利益與經(jīng)濟(jì)發(fā)展，采取措施應(yīng)對(duì)氣候變化已刻不容緩。如何實(shí)現(xiàn)“碳達(dá)峰，碳中和”，實(shí)現(xiàn)城市能源自循環(huán)、城市自然能源的充分利用成為目前急需解決的問(wèn)題[1]。

在物聯(lián)網(wǎng)階段，各種智能設(shè)備對(duì)網(wǎng)絡(luò)的需求越來(lái)越大，為了實(shí)現(xiàn)城市智能設(shè)備實(shí)時(shí)聯(lián)網(wǎng)，網(wǎng)絡(luò)基站建設(shè)成為一個(gè)難題。為了在不占用城市面積、避免大幅度改動(dòng)已建設(shè)施的同時(shí)，充分收集城市中的清潔能源，文章將重點(diǎn)放在了城市中最常見的路燈上，通過(guò)模塊化修改路燈結(jié)構(gòu)，為城市清潔能源的收集以及物聯(lián)網(wǎng)的構(gòu)建提供基礎(chǔ)。

2 新型風(fēng)光互補(bǔ)型智慧路燈整體設(shè)計(jì)方案

2.1 各系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案

風(fēng)光互補(bǔ)智慧路燈主要由光能發(fā)電系統(tǒng)、照明系統(tǒng)、風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)及監(jiān)控系統(tǒng)組成。

2.1.1 光能發(fā)電系統(tǒng)

光能發(fā)電系統(tǒng)采用太陽(yáng)能光伏板發(fā)電，通過(guò)穩(wěn)壓電路過(guò)濾不穩(wěn)定的電能，路燈芯桿與底端電控箱相連?？紤]到城市中部分路段（如市區(qū)中心、高層小區(qū)）的光能覆蓋率較低，若每支路燈均安裝光能發(fā)電系統(tǒng)則會(huì)徒增成本，出于對(duì)經(jīng)濟(jì)性的考慮，光能發(fā)電系統(tǒng)使用模塊化設(shè)計(jì)，在光照充足的路段安裝光伏板，而在光照條件較差的路段可安裝小型風(fēng)力發(fā)電機(jī)，對(duì)高空中的風(fēng)能進(jìn)行回收，以補(bǔ)償光能發(fā)電的電能。

2.1.2 風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)

風(fēng)力發(fā)電機(jī)由葉片及葉片輪組成。葉片通過(guò)軸承安裝在葉片輪上，葉片輪將動(dòng)力傳遞至旋轉(zhuǎn)架，再通過(guò)旋轉(zhuǎn)架底端的齒輪傳遞至旁側(cè)的齒輪軸上，實(shí)現(xiàn)動(dòng)力傳遞的同時(shí)，也實(shí)現(xiàn)了一級(jí)增速。齒輪軸帶動(dòng)小皮帶輪，通過(guò)皮帶傳動(dòng)將動(dòng)力傳遞至電機(jī)。采用皮帶輪傳動(dòng)的主要原因如下。

（1）在工人師傅安裝時(shí)，不需要過(guò)多考慮路燈的垂直度，路燈在長(zhǎng)時(shí)間使用或遭受極端天氣（如臺(tái)風(fēng)、暴雨暴雪等）后發(fā)生輕微傾斜也不會(huì)影響發(fā)電機(jī)的正常工作。一方面減輕維修工人的工作量，另一方面也降低維護(hù)成本。

（2）皮帶輪傳動(dòng)相對(duì)于齒輪傳動(dòng)有較長(zhǎng)的傳動(dòng)距離，齒輪傳動(dòng)有著較為嚴(yán)格的嚙合要求，對(duì)安裝要求極高。且齒輪不宜在潮濕的環(huán)境下工作，在長(zhǎng)時(shí)間使用后可能會(huì)生銹，進(jìn)而影響傳動(dòng)效率。同時(shí)長(zhǎng)距離傳動(dòng)齒輪嚙合對(duì)數(shù)較多，再加上軸承等其他零件影響傳動(dòng)效率，導(dǎo)致齒輪傳動(dòng)的成本太高。而皮帶輪傳動(dòng)具有運(yùn)行平穩(wěn)、噪音低、兩軸中心距調(diào)節(jié)范圍大等優(yōu)點(diǎn)。同時(shí)在過(guò)載時(shí)皮帶傳動(dòng)具有過(guò)載保護(hù)的功能，保護(hù)系統(tǒng)安全。

（3）皮帶輪傳動(dòng)對(duì)工作環(huán)境沒有太高要求，對(duì)于潤(rùn)滑等要求較低，適合路燈底端較為潮濕的環(huán)境。

2.1.3 照明系統(tǒng)

照明系統(tǒng)由單片機(jī)控制，照明亮度根據(jù)亮度傳感器自動(dòng)調(diào)節(jié)，在特殊天氣下可依據(jù)環(huán)境改變燈光顏色，增強(qiáng)光線的穿透能力。同時(shí)，路燈系統(tǒng)接受中央開關(guān)的統(tǒng)一控制，在特殊情況下可通過(guò)市政公用事業(yè)部門集中調(diào)控。照明系統(tǒng)中每一側(cè)的路燈與燈桿都為一個(gè)獨(dú)立的模塊（以下簡(jiǎn)稱照明模塊），照明模塊與燈桿通過(guò)螺栓固定，線路通過(guò)過(guò)渡接頭與燈桿相連，便于安裝與維護(hù)。同時(shí)針對(duì)不同的照明需求可自行設(shè)計(jì)其他燈桿外觀或更換燈泡型號(hào)，實(shí)現(xiàn)路燈的多樣化。照明模塊的接口為通用接口，在非照明段也可安裝小型風(fēng)力發(fā)電機(jī)模塊或光伏發(fā)電機(jī)模塊，提高發(fā)電效率。照明系統(tǒng)主要控制模塊包括路燈頂端Wi-Fi 模塊、光伏板轉(zhuǎn)向架模塊、光照環(huán)境檢測(cè)模塊、燈具亮度調(diào)節(jié)模塊、防過(guò)載剎車模塊、電壓穩(wěn)壓模塊、電能分配模塊與監(jiān)控系統(tǒng)控制模塊等。Wi-Fi 模塊能夠?yàn)橐月窡魹橹行牡乃袩o(wú)人智能設(shè)備提供網(wǎng)絡(luò)覆蓋，不需要再拉網(wǎng)線或再占用空間建立無(wú)線網(wǎng)絡(luò)基站，也為日后物聯(lián)網(wǎng)的搭建構(gòu)建基礎(chǔ)。

2.1.4 監(jiān)控系統(tǒng)

監(jiān)控系統(tǒng)安裝于路燈頂端，便于實(shí)時(shí)監(jiān)控緊急情況。路燈底部通過(guò)線纜將緊急通報(bào)按鈕安裝在人行道旁邊，按下按鈕后可與服務(wù)人員溝通，匯報(bào)緊急情況。同時(shí)每個(gè)路燈均有獨(dú)立的IP 地址，可快速定位路燈所在位置以實(shí)施幫助和救援。每隔一個(gè)路燈安裝一個(gè)液晶顯示器，在平時(shí)可做投遞廣告、宣傳所用，實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)價(jià)值；在緊急時(shí)可在顯示屏中實(shí)時(shí)切換事故路段的監(jiān)控，將顯示屏調(diào)整為紅色，提示當(dāng)前路段發(fā)生事故，同時(shí)由道路最外端的顯示屏提示當(dāng)前道路擁堵，選擇繞行等信息，及時(shí)為道路上的所有司機(jī)提供路段信息，協(xié)助交警、救護(hù)人員疏通緊急通行車道，提高救援效率。在濃霧天氣時(shí)，可調(diào)整顯示屏顏色為紅光，紅光具有較強(qiáng)的穿透能力，可幫助司機(jī)看清道路邊緣，防止車輛發(fā)生事故，同時(shí)提示司機(jī)慢行，保證交通的安全性。針對(duì)道路中的不文明行為（行人橫穿馬路、非機(jī)動(dòng)車占用車道等）進(jìn)行抓拍監(jiān)視，若有事故發(fā)生，則可以為事故處理提供依據(jù)。

2.2 系統(tǒng)層級(jí)設(shè)計(jì)

系統(tǒng)基于太陽(yáng)能、風(fēng)能設(shè)計(jì)，主要功能包括新能源獲取后的轉(zhuǎn)化與存儲(chǔ)?？刂撇糠址譃閼?yīng)用層、平臺(tái)層、網(wǎng)絡(luò)層、設(shè)備層四個(gè)層級(jí)。在應(yīng)用層中，多功能路燈系統(tǒng)應(yīng)接入智慧城市管理平臺(tái)；平臺(tái)層采用垂直架構(gòu)，使用統(tǒng)一平臺(tái)打通應(yīng)用層和網(wǎng)絡(luò)層，實(shí)現(xiàn)管理平臺(tái)對(duì)運(yùn)營(yíng)網(wǎng)絡(luò)的調(diào)度；之后通過(guò)運(yùn)營(yíng)商網(wǎng)絡(luò)及智能網(wǎng)關(guān)管理多功能路燈及其設(shè)備層，實(shí)現(xiàn)能量調(diào)度與信息分配。

2.2.1 各層級(jí)電路實(shí)現(xiàn)

（1）交流電能的產(chǎn)生。四個(gè)層級(jí)通力配合，實(shí)現(xiàn)太陽(yáng)能、風(fēng)能的收集、監(jiān)控與調(diào)度。將太陽(yáng)能、風(fēng)能轉(zhuǎn)換成統(tǒng)一的直流電能，再進(jìn)行存儲(chǔ)或逆變成穩(wěn)定的交流電能。

（2）電能的存儲(chǔ)。電能的存儲(chǔ)依靠位于路燈底端的電控箱內(nèi)的鋰電池。在電控箱的控制下，蓄電池供電與電網(wǎng)供電相互補(bǔ)充。在長(zhǎng)時(shí)間無(wú)風(fēng)或無(wú)光的環(huán)境中，將使用傳統(tǒng)的電網(wǎng)供電，以保證基礎(chǔ)設(shè)計(jì)的正常使用。

（3）負(fù)載供電。負(fù)載供電可通過(guò)電池直接供電，也可使用逆變電路供電。在將來(lái)實(shí)現(xiàn)并網(wǎng)功能，建立多能互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)。系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)太陽(yáng)能、風(fēng)能等多能互補(bǔ)供電，各個(gè)能源經(jīng)過(guò)各自的能源轉(zhuǎn)換裝置和AC-DC、DC-DC 變換電路對(duì)電能進(jìn)行轉(zhuǎn)換和存儲(chǔ)。

2.2.2 電能轉(zhuǎn)換電路詳細(xì)設(shè)計(jì)

（1）能源轉(zhuǎn)換和電能變換電路總體設(shè)計(jì)。太陽(yáng)能直接經(jīng)過(guò)DC-DC 斬波器轉(zhuǎn)換；風(fēng)能獲取的電能需要經(jīng)過(guò)AC-DC 整流器整流，然后再經(jīng)過(guò)DC-DC 斬波器，經(jīng)過(guò)整流和斬波器得到穩(wěn)定的直流電能最終匯入直流母線，用于后續(xù)電能的存儲(chǔ)和負(fù)載供電。系統(tǒng)采用單輸入AC-DC，C-D 變換電路，每種新能源電能變換單獨(dú)控制[2]。

（2）蓄電池充電電路原理及充電方式。在設(shè)計(jì)風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)的電能存儲(chǔ)及充電電路過(guò)程中，采用兩種充電電路。①運(yùn)用半橋式蓄電池組充電電路，將電路直接接在直流母線上，直接獲取直流母線上的電能。然后單方向?yàn)樾铍姵亟M充電，在后面添加逆變電路即可為交流負(fù)載供電。②運(yùn)用電流可逆斬波充電電路，使蓄電池直流母線隔離，由直流母線通過(guò)逆變電路為負(fù)載雙向供電[3]。

3 新型風(fēng)光互補(bǔ)型智慧路燈詳細(xì)設(shè)計(jì)

3.1 路燈控制模塊設(shè)計(jì)

路燈控制模塊選用基于51 架構(gòu)的，支持ZigBee無(wú)線通信的CC2530 作為主控芯片，通過(guò)無(wú)線通信模塊進(jìn)行通信，以實(shí)現(xiàn)更高的集成度。采用光照傳感器及紅外傳感器輔助判斷的方法，采集環(huán)境亮度采集和燈亮度，并將數(shù)據(jù)上傳至服務(wù)器，之后總控器依據(jù)數(shù)據(jù)判斷各個(gè)燈所在環(huán)境的亮度來(lái)決定是否通過(guò)ZigBee 網(wǎng)絡(luò)開啟路燈[4]。

3.2 機(jī)械部分設(shè)計(jì)

機(jī)械部分主要結(jié)構(gòu)為葉輪旋轉(zhuǎn)部。整體路燈結(jié)構(gòu)從上至下分為三個(gè)主要部分：燈桿固定部、葉輪旋轉(zhuǎn)部和底端固定部。燈桿固定部與葉輪旋轉(zhuǎn)部連接方式如圖1 所示。

圖1 燈桿固定部與葉輪旋轉(zhuǎn)部連接示意圖

3.2.1 燈桿固定部

燈桿固定部從外至內(nèi)結(jié)構(gòu)分別為燈桿、燈桿安裝部、芯桿，Wi-Fi 模塊安裝與芯桿頂端。燈桿通過(guò)螺栓安裝在燈桿固定部，芯桿貫穿整個(gè)路燈，將燈桿固定部與地面固定在一起。芯桿為管狀結(jié)構(gòu)，路燈上部所有線路經(jīng)芯桿傳遞至路燈底部的電控箱內(nèi)。

3.2.2 葉輪旋轉(zhuǎn)部

葉輪旋轉(zhuǎn)部從外到內(nèi)的結(jié)構(gòu)為葉片安裝輪、空心旋轉(zhuǎn)軸、芯桿?？招男D(zhuǎn)軸的上下均通過(guò)推力球軸承與燈桿固定部、底端支撐部相連。動(dòng)力傳遞路線如下：道路兩側(cè)行駛車輛帶動(dòng)的風(fēng)能或自然風(fēng)能驅(qū)動(dòng)葉片旋轉(zhuǎn)，葉片與葉輪通過(guò)螺栓連接；葉輪與空心旋轉(zhuǎn)軸通過(guò)焊接固定在一起，動(dòng)力由葉輪傳遞至空心旋轉(zhuǎn)軸上?？招男D(zhuǎn)軸下端壓在推力球軸承上，同時(shí)空心旋轉(zhuǎn)軸下端的一部分穿過(guò)軸承，進(jìn)入底端固定部。這一部分的外環(huán)固定有外齒環(huán)，而外齒環(huán)與安裝在底端固定部上的小齒輪嚙合，將動(dòng)力傳遞到旁邊的軸上。在軸的下端安裝有皮帶輪，動(dòng)力再由皮帶輪傳遞至點(diǎn)機(jī)上，以此實(shí)現(xiàn)動(dòng)力的傳遞，也為芯桿中的導(dǎo)線提供出口。

3.2.3 底端固定部

底端固定部外側(cè)為保護(hù)殼，起到防潮、防腐蝕的作用。內(nèi)部設(shè)小齒輪軸，通過(guò)小齒輪與外齒環(huán)的嚙合，將動(dòng)力傳導(dǎo)至齒輪軸上。齒輪軸下端安裝皮帶輪，通過(guò)皮帶傳動(dòng)將動(dòng)力傳遞至電機(jī)上，同時(shí)實(shí)現(xiàn)二級(jí)變速。底端固定部如圖2 所示。

圖2 底端固定部示意圖

4 結(jié)束語(yǔ)

文章設(shè)計(jì)了一種風(fēng)光互補(bǔ)型智慧路燈，應(yīng)用了網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)和數(shù)字裝備，可以實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排經(jīng)試驗(yàn)證明，該路燈可以實(shí)現(xiàn)太陽(yáng)能與風(fēng)能的互補(bǔ)，保證了城市供電的穩(wěn)定性?？梢栽趯氋F的城市土地資源中充分利用城市中的自然能源，達(dá)到節(jié)能環(huán)保、美化環(huán)境的目的。路燈內(nèi)置的Wi-Fi 模塊可以為未來(lái)搭建城市物聯(lián)網(wǎng)奠定基礎(chǔ)。