劉沁，季銀煉＊，蔣孟杰，樊少帥，劉舒榮

（1.南京師范大學(xué)泰州學(xué)院，江蘇 泰州 225300；2.上海袋式除塵配件有限公司，上海 201108）

隨著室外運動場所的照明用電需求的增加，可以研究利用室外風(fēng)能及籃球撞擊籃板的壓力產(chǎn)生的電能作為籃球架照明的供電來源。新型籃球架可充分利用運動場的戶外天氣條件，實現(xiàn)對風(fēng)能的轉(zhuǎn)化和儲存，既節(jié)約資源又保護(hù)環(huán)境。新型籃球架還能將設(shè)備使用時產(chǎn)生的壓力轉(zhuǎn)化成電能，豐富了能源供應(yīng)方式，使能源供應(yīng)更加穩(wěn)定且高效。照明系統(tǒng)可分為三個模塊。

1 風(fēng)力發(fā)電模塊

風(fēng)是生活中常見的自然現(xiàn)象，是由于太陽輻射導(dǎo)致地球表面受熱不均，引起大氣層中壓力分布不平衡，在水平梯度的作用下，空氣沿水平方向運動而形成的。風(fēng)能資源的總儲量非常巨大，并且還具有可持續(xù)再生性、清潔性、高儲存量等諸多特質(zhì)。因此，利用風(fēng)能發(fā)電是一種可靠、可行、可持續(xù)的能源利用方式。

研究帶壓力發(fā)電照明的籃球架時，應(yīng)考慮籃球架的使用情形，以實現(xiàn)能源的高效轉(zhuǎn)化和利用，結(jié)合籃球架布置的地理位置，把風(fēng)能發(fā)電板塊加入照明籃球架的整體設(shè)計之中。

1.1 系統(tǒng)原理

利用燈架上架設(shè)的小型風(fēng)力發(fā)電機(jī)進(jìn)行發(fā)電，其原理是借助風(fēng)力帶動風(fēng)車葉片旋轉(zhuǎn)，再通過增速機(jī)提升旋轉(zhuǎn)速度，從而推動發(fā)電機(jī)發(fā)電。其中，葉片接受風(fēng)力并通過機(jī)頭轉(zhuǎn)為電能，尾翼使葉片始終對著來風(fēng)的方向從而獲得最大的風(fēng)能；機(jī)頭的轉(zhuǎn)子是永磁體，定子繞組切割磁力線從而產(chǎn)生電能，以提供籃球架的照明用能。

1.2 發(fā)電機(jī)組的選擇

根據(jù)研究，采用永磁同步發(fā)電機(jī)變速恒頻直驅(qū)風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)，不需要再加裝勵磁裝置，減少了勵磁的消耗，并且該系統(tǒng)不需要電刷和滑環(huán)，具有效率高、使用壽命長、免維修等諸多優(yōu)勢[1]。風(fēng)能的利用過程往往會帶來噪聲污染，該系統(tǒng)采用不帶齒輪箱的發(fā)電機(jī)，可以大幅減少系統(tǒng)運行噪聲，提高運行效率和可靠性，簡化運行維護(hù)程序，降低綜合成本。該部分原理如圖1 所示。

風(fēng)力發(fā)電易受天氣、風(fēng)速、季節(jié)性變化等因素影響，為了克服風(fēng)力發(fā)電利用的不穩(wěn)定性因素，在籃球架的能源輸配中設(shè)置儲能管理模塊，該模塊由蓄電池及充放電管理裝置組成，將風(fēng)力發(fā)電未得到利用的一部分電能儲存起來，在惡劣環(huán)境或風(fēng)速達(dá)不到要求的情況下，也能實現(xiàn)籃球架的照明。該裝置還與壓力發(fā)電相結(jié)合，實現(xiàn)雙電源供電形式，照明供電的效率和穩(wěn)定性得到了很大提高。

圖1 永磁同步發(fā)電機(jī)原理圖

2 壓力發(fā)電模塊

2.1 壓力發(fā)電的設(shè)計原理

壓力發(fā)電的設(shè)計原理是以柔性壓力橡膠為壓力發(fā)電模塊的核心裝置，通過籃球撞擊籃板使壓力橡膠在一定方向上受到不均勻的壓力，壓力橡膠形狀發(fā)生改變，在內(nèi)部產(chǎn)生偏離原狀態(tài)的電荷，從而產(chǎn)生電能[2]。由于壓力分布不均勻，導(dǎo)致柔性壓力橡膠發(fā)出頻率不同的交流電。

2.2 系統(tǒng)應(yīng)用

壓力發(fā)電系統(tǒng)具有如下特點：（1）壓力發(fā)電材料柔韌性好、易加工、性能良好；（2）系統(tǒng)可串聯(lián)多個壓力橡膠，使得輸出電壓達(dá)到一定數(shù)值后持續(xù)向下傳遞。

根據(jù)壓力發(fā)電的原理，針對傳統(tǒng)籃球場照明用電量大，供電方式單一、不穩(wěn)定、效率低等問題，結(jié)合壓力發(fā)電系統(tǒng)以上特點，對傳統(tǒng)籃球架做出一定的改進(jìn)和創(chuàng)新。改進(jìn)后的新型籃球照明系統(tǒng)可以提高能源利用率、節(jié)約電能、減少碳排放，符合綠色環(huán)保的理念。

2.3 系統(tǒng)的組成

2.3.1 濾波電路

在整流電路中輸出的電壓都是單向脈動性電壓，不能直接用于電路中。因此，輸出的電壓需要通過濾波消除交流成分，實現(xiàn)交流電向直流電的轉(zhuǎn)化方可應(yīng)用于電子電路[3]。實現(xiàn)這一轉(zhuǎn)化過程的電路即為濾波電路，該系統(tǒng)采用LC 濾波電路。LC 濾波電路的優(yōu)點如下:

（1）可以通過低阻抗旁路來過濾一次和高次諧波，紋波小、負(fù)載水平高、輸出電壓高。

（2）工作時具有很強(qiáng)的屏蔽干擾信號的功能。通過LC 電路的電感可以吸收干擾信號，使其以磁和熱的形式輸出。被電感吸收的干擾信號未輸出部分通過電容輸出到地面，以此在端口獲得純凈的直流電。

（3）可以保證輸出電壓穩(wěn)定。由于通過濾波電路的直流電的電阻較小，在使濾波成效得到提高的同時，保證了直流電的輸出電壓不會減少[4]。

通過電容C6 濾波電路過濾掉脈動性直流電壓的交流成分后，再將直流電壓輸入到L1 和C5 電路。由于L1 對交流成分的感抗大，通過輸入L1 電路可以在出口端得到較大的交流電壓，通過C6 電路可得到較小的交流成分[4]。由于L1 電路對直流電無感抗，故L1 可被視為通路，而且直流部分電阻較小。因此，L1 通過直流電時的電壓降非常小，輸出端直流電壓較高[5]。濾波電路如圖2 所示。

圖2 整流濾波電路圖

2.3.2 降壓電路

該系統(tǒng)的壓力發(fā)電模塊的降壓電路采用LM2596，該電路配有的頻率振蕩器及基準(zhǔn)穩(wěn)壓器共同組成了控制電源管理集成電路的開關(guān)電壓[6]。系統(tǒng)采用四倍壓整流，通過二極管和電容器共同作用，將由壓力橡膠發(fā)出的幅值較低的交流電轉(zhuǎn)化為幅值較高的直流電，通過LM2596 電路一部分直接供電，一部分儲存到蓄電池中[7]。當(dāng)蓄電池充滿時，繼電器通過降壓電路切斷輸出通路，實現(xiàn)自動斷電。這樣不僅節(jié)能環(huán)保，而且能使電瓶的使用壽命延長。該降壓電路如圖3 所示。

圖3 LM2596 集成電路圖

3 蓄電池充放電管理模塊

3.1 儲能裝置

由于通過整流、濾波的電流并不是穩(wěn)定的直流電，易使電壓產(chǎn)生突變，本系統(tǒng)增設(shè)儲能裝置調(diào)節(jié)電流與電壓以及保護(hù)電路。由于超級電容具有快速充電效應(yīng)，可以將電能迅速蓄積儲存，因此本設(shè)計采用介于普通電容器與超級電容器之間的儲能裝置。該裝置能量密度及功率密度都較大、使用壽命較長、充電速度快、大電流放電性能好、可靠性高、內(nèi)阻小、充放電效率高。本設(shè)計并聯(lián)多個超級電容組成儲能電路，滿足儲蓄容量和電壓等級的需求，同時該儲能裝置解決了傳統(tǒng)儲能裝置效率低、損耗大、充電慢等問題，符合人們對儲能裝置綠色節(jié)能、低消耗、高效率、穩(wěn)定安全的要求。

3.2 儲能電路

本設(shè)計的電能儲存電路采用以充電電池為儲存媒介的電路，其目的是將柔性壓力發(fā)電橡膠的壓電振子產(chǎn)生的電能儲存在鎳氫電池中。壓力發(fā)電裝置由多片柔性壓力發(fā)電陶瓷并聯(lián)組成,可以產(chǎn)生足夠大的電能供后續(xù)使用。但由于籃球擊打籃板過程中用力存在隨機(jī)性,導(dǎo)致柔性壓力發(fā)電橡膠受到的壓力大小不同,柔性壓力發(fā)電橡膠輸出的電壓不穩(wěn)定，從而產(chǎn)生交流電。所以本系統(tǒng)使用全橋校正器對不穩(wěn)定的交流電進(jìn)行整流，然后用儲存電容元件將電壓穩(wěn)定下來,儲存到可充電的鎳氫電池中,使該電池中的電能也能夠持續(xù)穩(wěn)定地供照明使用。該部分電路如圖4 所示。

圖4 儲能電路圖

3.3 蓄電池

帶壓力發(fā)電照明的新型籃球架系統(tǒng)以壓力發(fā)電和風(fēng)力發(fā)電作為籃球場的供電電源。在供電系統(tǒng)中啟動發(fā)動機(jī)時，蓄電池給啟動機(jī)供電；當(dāng)發(fā)電機(jī)過載時，蓄電池可以協(xié)助發(fā)電機(jī)向用電設(shè)備供電；當(dāng)發(fā)電機(jī)不發(fā)電或電壓較低時，蓄電池向用電設(shè)備供電不穩(wěn)定；當(dāng)發(fā)電機(jī)端電壓高于鎳氫電池的電壓時，蓄電池可將一部分電能轉(zhuǎn)化為化學(xué)能儲存起來[8]。

本系統(tǒng)選用的蓄電池是鎳氫蓄電池，其工作系統(tǒng)相對簡單，電池耐過充電和過放電能力較強(qiáng)，無需監(jiān)測每只單體電池的電壓。電池在充電過程中可以通過消耗氧氣的副反應(yīng)來實現(xiàn)均衡，無需采用特別的均衡電路，而且循環(huán)使用壽命長、無污染，具有較高的回收價值。

3.4 充放電管理控制

蓄電池充滿電后，如果不能及時斷電，會導(dǎo)致蓄電池發(fā)熱，損害電池的使用壽命，加速電池老化，甚至可能會引起電池爆炸。從系統(tǒng)的安全性考慮，在電路中安裝安全自動切斷保護(hù)器，能在電壓異常的情況下起保護(hù)作用。其原理為當(dāng)鎳氫電池電壓超過或低于保護(hù)器動作電壓時，保護(hù)器能迅速可靠地切斷負(fù)載電源，從而保護(hù)電路和照明燈；當(dāng)電壓恢復(fù)正常時，保護(hù)器自動連接電源，恢復(fù)供電，實現(xiàn)全自動控制，不僅可延長電池的使用壽命，還可防止過充過放，保證設(shè)備在運行時的安全性[9]。

4 結(jié)語

通過以上研究設(shè)計的一款新型籃球架供電系統(tǒng)可用來解決傳統(tǒng)發(fā)電方式效率低、供電方式單一、能源利用率低等問題。本設(shè)計采用壓力發(fā)電與風(fēng)力發(fā)電相結(jié)合的模式實現(xiàn)了籃球架照明系統(tǒng)的自供電能力，不僅減少了電能的消耗，還降低了碳排放，符合節(jié)能環(huán)保的理念。通過對系統(tǒng)電路的設(shè)計，使供電裝置能安全、有效、穩(wěn)定地運行。