王晚香,吳衛(wèi)銘,谷明欣,馮顯錕

(1.大連交通大學(xué) 交通運(yùn)輸工程學(xué)院,遼寧 大連 116028;2.中車沈陽機(jī)車車輛有限公司,遼寧 沈陽 110142)

節(jié)能減排是貫徹落實(shí)科學(xué)發(fā)展觀,構(gòu)建社會主義和諧社會的重大舉措,也是建設(shè)資源節(jié)約型、環(huán)境友好型社會的必然選擇。2021年10月,國務(wù)院印發(fā)《2030年前碳達(dá)峰行動方案》(簡稱《方案》),旨在扎實(shí)推進(jìn)碳達(dá)峰行動?！斗桨浮访鞔_重點(diǎn)實(shí)施能源綠色低碳轉(zhuǎn)型行動、交通運(yùn)輸綠色低碳行動、綠色低碳科技創(chuàng)新行動等“碳達(dá)峰十大行動”。2022年4月,教育部印發(fā)《加強(qiáng)碳達(dá)峰碳中和高等教育人才培養(yǎng)體系建設(shè)工作方案》,提出加快傳統(tǒng)交通運(yùn)輸類和建筑類等重點(diǎn)領(lǐng)域?qū)I(yè)人才培養(yǎng)轉(zhuǎn)型升級。

目前,道路照明系統(tǒng)設(shè)計(jì)主要側(cè)重于探索車流量與路燈點(diǎn)亮個數(shù)之間的關(guān)系[1]、LED 路燈的通用性和模塊化特征[2],以及道路照明系統(tǒng)的應(yīng)用及合理控制[3]等方面,并取得了一定的研究成果,但研究成果缺乏對新能源供能的挖掘,同時(shí)也未考慮色溫對交通安全的影響。

路燈是道路交通照明系統(tǒng)的重要組成部分,許多學(xué)者從多方面對其展開了研究,其中風(fēng)-光互補(bǔ)路燈是道路交通照明系統(tǒng)在節(jié)能減排方面的一項(xiàng)重要突破。林輝等[4]對風(fēng)-光互補(bǔ)路燈發(fā)電量、用電量、亮燈情況進(jìn)行監(jiān)測,形成了常用功率的配置容量,但由于部分內(nèi)陸地區(qū)常年無風(fēng)且風(fēng)力發(fā)電機(jī)需要一定級別的風(fēng)力帶動,該方法無法廣泛推廣。此外,彭蒙等[5]提出光-雨互補(bǔ)發(fā)電的路燈系統(tǒng),該系統(tǒng)中太陽能電池板和雨水發(fā)電產(chǎn)生的電能能夠與蓄電池的電能進(jìn)行交換,但是互補(bǔ)發(fā)電的能力受到下雨天數(shù)的影響,推廣地區(qū)受限。

當(dāng)前,全國約80%的地區(qū)夜間道路照明燈為黃色高壓鈉燈,其最大的缺點(diǎn)是耗電大。我國城市道路照明的用電量約占全國用電量的三分之一以上,年均用電量超過400 億kW·h,按1 元/h的電價(jià)計(jì)算,照明投資超過400億元[6]。因此,改進(jìn)照明系統(tǒng)供能結(jié)構(gòu)十分必要。

色感是駕駛員的視覺特性之一,如果司機(jī)長時(shí)間行駛在夜間高壓鈉燈的暖色調(diào)照明環(huán)境下,容易產(chǎn)生疲勞,存在交通隱患。白色LED路燈相比鈉燈有一定的節(jié)能效果,但是對于車流擁擠和長途駕駛情況,司機(jī)容易產(chǎn)生眩暈感,同樣存在交通隱患。此外,在雨雪霧等惡劣天氣下,白色LED路燈照明穿透力受限,照明效果差。因此,本文設(shè)計(jì)的一種能夠根據(jù)道路環(huán)境進(jìn)行智能調(diào)光的照明系統(tǒng)。

1 設(shè)計(jì)思路

1.1 設(shè)計(jì)原理

基于光-動互補(bǔ)發(fā)電的子母交互型道路交通照明系統(tǒng),利用太陽能追光和減速帶發(fā)電網(wǎng)絡(luò)作為系統(tǒng)的供能體系,使新能源發(fā)電系統(tǒng)的穩(wěn)定性更強(qiáng)。此外,利用子母交互的布局可實(shí)現(xiàn)智能調(diào)光,打破LED路燈單一調(diào)光的局限性,使夜間交通照明更具人性化。

1.2 系統(tǒng)組成

本系統(tǒng)包括兩個主要部分:新能源供能結(jié)構(gòu)和光照調(diào)節(jié)結(jié)構(gòu)。

(1)新能源供能結(jié)構(gòu)

在原有太陽能發(fā)電技術(shù)的基礎(chǔ)上,利用光敏技術(shù)將其改造成可自主追光的光伏發(fā)電體系。通過建立城市減速帶發(fā)電網(wǎng)絡(luò),回收汽車行駛的沖擊動能和部分自重勢能,并利用地下裝置將其轉(zhuǎn)化成電能,以此補(bǔ)充光伏發(fā)電的不足。此外,通過DC/DC固定的直流電壓變換成可變的直流電壓方便負(fù)載使用,形成一個新型互補(bǔ)的發(fā)電供能體系,見圖1。

那時(shí)候的齊海峰20歲，還在光明菜站賣肉，每天系個藍(lán)色的粗布圍裙，穿雙黑色大號膠鞋，拿把大砍刀，站在一排豬肉后面，虎視眈眈地盯著你問：“你要哪塊兒？”然后一刀下去，肥肉變戲法似的不知道從哪里就冒了出來。

(2)光照調(diào)節(jié)結(jié)構(gòu)

光照調(diào)節(jié)結(jié)構(gòu)能夠根據(jù)道路環(huán)境進(jìn)行三級色溫變換,三級光源包含小功率冷光源、正常功率冷光源、正常功率暖光源。結(jié)合道路路燈排布結(jié)構(gòu),設(shè)計(jì)子母交互式路燈布局見圖2。其中,母燈位于前區(qū)和中區(qū)之間的位置,其余為僅照明的子燈。母燈上集成車流量檢測、環(huán)境檢測裝置。子母交互式調(diào)光邏輯為:母燈通過各級傳感的檢測,利用網(wǎng)絡(luò)將數(shù)據(jù)傳送至路燈控制器,路燈控制器經(jīng)過判斷統(tǒng)一調(diào)整該路段所有子燈和母燈的色溫強(qiáng)度,以此實(shí)現(xiàn)根據(jù)實(shí)際環(huán)境智能調(diào)光的功能。

(a) 路邊雙側(cè)排布

(b) 路邊單側(cè)排布圖2 子母交互式路燈布局

2 技術(shù)方案

2.1 光伏追光設(shè)計(jì)

光伏發(fā)電在當(dāng)前新能源照明系統(tǒng)中應(yīng)用最為廣泛,而光伏電池板是新能源照明系統(tǒng)中最重要的部件。光伏電池板由晶硅材料做成,類似二極管中的 P-N 結(jié),工作原理與二極管相似[7],在陽光照射下產(chǎn)生直流電。在追蹤太陽光的過程中,利用兩個光敏電阻接收太陽光量差值程度的不同來調(diào)節(jié)舵機(jī)角度值的變化,從而實(shí)現(xiàn)光伏電池板追蹤太陽光線的功能。

光敏電阻是一種阻值隨著光照強(qiáng)度發(fā)生變化的組件。利用這一特點(diǎn),將兩個完全相同的光敏電阻分別放置于一塊光伏電池板左下及右下位置,當(dāng)太陽光線垂直照射光伏電池板時(shí),光敏電阻接收到相同的光照,舵機(jī)不轉(zhuǎn)動。當(dāng)光線照射的方向和電池板垂直的方向形成一定夾角時(shí),接收光照較多的光敏電阻的阻值降低,此時(shí)舵機(jī)轉(zhuǎn)動,直到光敏電阻產(chǎn)生相同的光照強(qiáng)度,形成新的靜止?fàn)顟B(tài)。此外,為了使裝置靈敏度更高,需融入靈敏度控制算法,即根據(jù)環(huán)境檢測數(shù)據(jù)和接收電壓差值綜合判斷舵機(jī)的轉(zhuǎn)動幅度,見圖3。

圖3 追光邏輯設(shè)計(jì)

香港大學(xué)的 Kpcheung和Scmhui教授研究了傳統(tǒng)太陽發(fā)電裝置并利用太陽能追光術(shù)的發(fā)電裝置獲取能量差異[8],發(fā)現(xiàn)在日照時(shí)間內(nèi)跟蹤裝置獲取能量強(qiáng)度始終高于固定裝置獲取能量強(qiáng)度,因此,對這一結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化是有必要的。

2.2 動能回收及發(fā)電裝置設(shè)計(jì)

光伏轉(zhuǎn)化供能系統(tǒng)在工作時(shí)會產(chǎn)生一部分電能損耗,無法被路燈照明系統(tǒng)利用。惡劣天氣下,光伏發(fā)電系統(tǒng)將會出現(xiàn)短時(shí)間的癱瘓,此時(shí)路燈的照明系統(tǒng)只能依靠蓄電池中殘余電量和城市電網(wǎng)的集中供應(yīng),削弱了清潔能源發(fā)電的效益。汽車通過減速帶的過程中,存在自重勢能和沖擊動能浪費(fèi)的情況,利用減速帶能量回收的方式將此部分能量損失轉(zhuǎn)化成電能,補(bǔ)充光伏發(fā)電的不足。其結(jié)構(gòu)主要包括路面可壓式升降減速帶、緩沖組件、傳動部分、增速裝置、電機(jī)組、蓄電池組、電池健康監(jiān)測等,見圖4。

圖4 減速帶發(fā)電的裝置結(jié)構(gòu)

減速帶在工作時(shí)凸出于路面,為了不影響減速效果,本文設(shè)計(jì)的減速帶下降后的高度在2.5～5 cm范圍內(nèi)。同時(shí),其摩擦系數(shù)應(yīng)比原標(biāo)準(zhǔn)材料略高,可根據(jù)具體路段和制作材料而定。具體發(fā)電原理為:車輛壓過減速帶,減速帶通過緩沖組件向下帶動壓合裝置進(jìn)而帶動齒輪、轉(zhuǎn)子等一系列結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)傳動。通過變速裝置提高轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速進(jìn)而帶動電機(jī)組工作產(chǎn)生電能。通過轉(zhuǎn)速檢測監(jiān)控轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速,防止因轉(zhuǎn)速過高而損耗電機(jī)。通過電纜連接至蓄電池組中,并接入轉(zhuǎn)換模塊,便于實(shí)現(xiàn)減速帶發(fā)電。

減速帶網(wǎng)絡(luò)的建立,則是將城市中的醫(yī)院、學(xué)校、大型停車場、大型港口、高速收費(fèi)站等地區(qū)的所有減速帶按照上述做相應(yīng)的改進(jìn),結(jié)合所處位置合理編排組合,形成一個“星狀式”城市減速帶發(fā)電網(wǎng)絡(luò),見圖5。根據(jù)減速帶位置、能量傳輸效率等因素合理分配供能路段,彌補(bǔ)太陽能發(fā)電不足,形成城市道路交通照明的第二供能系統(tǒng)。減速帶發(fā)電網(wǎng)絡(luò)僅供應(yīng)部分路段,改進(jìn)區(qū)域?yàn)槌鞘袦p速帶組密集地區(qū),該網(wǎng)絡(luò)與傳統(tǒng)的路燈供能體系并存,可達(dá)到最優(yōu)效果。

圖5 減速帶發(fā)電網(wǎng)絡(luò)

2.3 智能調(diào)光設(shè)計(jì)

應(yīng)用子母燈調(diào)光的具體過程為:當(dāng)夜間道路環(huán)境優(yōu)良,母燈檢測車流量處于C級時(shí),所有路燈啟動小功率冷光源,節(jié)約電能;當(dāng)母燈檢測到車流量逐漸加大,車流量處于B級時(shí),所有路燈啟動正常功率冷光源,提高夜間道路照明條件;當(dāng)母燈檢測道路處于擁堵情況,車流量處于A級時(shí),所有路燈啟動正常功率暖光源,防止司機(jī)因冷色光而產(chǎn)生眩暈感。在雨雪天和霧霾天氣下,母燈通過環(huán)境檢測器檢測周圍環(huán)境,當(dāng)檢測指標(biāo)超過設(shè)定值時(shí),無論道路車流量多少,所有路燈均啟動黃色暖光源,提高照明系統(tǒng)在惡劣天氣下的穿透力。智能調(diào)光邏輯見圖6。

圖6 智能調(diào)光邏輯

路燈控制結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)見圖7。連接蓄電池發(fā)電的太陽能電池板為主要供能來源,當(dāng)光伏發(fā)電效率不足時(shí),可利用減速帶發(fā)電網(wǎng)絡(luò)中存儲在蓄電池的能源;當(dāng)路燈系統(tǒng)供電充足時(shí),減速帶發(fā)電網(wǎng)絡(luò)的能源可輸送至城市電網(wǎng)獲得額外效益。微控制器將從外界讀取的車流量和各環(huán)境檢測指標(biāo)植與設(shè)定的閾值對比,實(shí)現(xiàn)按需調(diào)光,三個調(diào)光電路獨(dú)立存在,互不影響。此外,黃色光源的色溫規(guī)定在3 000 K左右,白色光源的色溫規(guī)定在5 000 K左右[11],城市主干路及次干路區(qū)間車流量一天之內(nèi)變化較大,可以首先普及色溫切換的路燈系統(tǒng)。

(a) 子燈

(b) 母燈圖7 路燈控制結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

3 減速帶發(fā)電網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)

一個區(qū)域減速帶的發(fā)電量計(jì)算[12]:

β=P·T·A

(1)

每日發(fā)電量計(jì)算:

δ=β·α/3 600

(2)

式中:P為發(fā)電機(jī)的功率,kW;T為一個減速帶運(yùn)動的時(shí)間,s;A為一組減速帶的數(shù)量;β為一輛車通過一個路段的發(fā)電量,(kW·s)/輛;δ為每日發(fā)電量,(kW·h)/日;α為一天內(nèi)通過的車輛數(shù)目。

建立減速帶發(fā)電網(wǎng)絡(luò)的目的在于電能的遠(yuǎn)距離輸送與供應(yīng),但是電能從發(fā)電組傳輸?shù)礁髀范蝺δ苷镜倪^程中存在能量損耗,因此應(yīng)對減速帶發(fā)電網(wǎng)絡(luò)的路線選擇進(jìn)行優(yōu)化,減少電能在傳輸路線上的消耗。本文將這一問題轉(zhuǎn)化為運(yùn)籌學(xué)中的最小生成樹問題,以此作為減速帶發(fā)電網(wǎng)絡(luò)初步規(guī)劃理論。

最小生成樹是圖論中提出的概念,針對無向圖,每一點(diǎn)均保持聯(lián)通,每一條線記作邊,每一邊上的數(shù)值記作權(quán)值。最小生成樹就是通過求解全局節(jié)點(diǎn)且權(quán)值之和最小的路線方案,常用于交通網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃,通信網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃等方面。

由于能量在傳輸過程中存在不同程度的損耗,因此需利用優(yōu)化的思維控制能量總消耗。為了簡化分析過程,設(shè)減速帶組的供電量可以達(dá)到圖8中所有路段互補(bǔ)電量的需求。由于儲能站是虛擬選址,所以圖示位置是在電子地圖上選取具有代表性的地點(diǎn)代替,利用兩點(diǎn)間街道的距離代替權(quán)值,以某市一地下停車場及周邊區(qū)域?yàn)楸尘斑M(jìn)行闡述。

圖8 網(wǎng)絡(luò)模型

以S為節(jié)點(diǎn)尋找最小生成樹,以求取該網(wǎng)絡(luò)的最短路徑,利用Lingo軟件編程求解得出最小權(quán)值總和為947,見圖9,最小生成樹為1-2,1,4,1-5,4-3所構(gòu)成的圖形。此過程僅為該地區(qū)減速帶發(fā)電網(wǎng)絡(luò)布局的初步方案,后續(xù)應(yīng)結(jié)合多重因素和實(shí)際約束條件逐步完善模型。

圖9 Lingo軟件求解結(jié)果

4 結(jié)論

本文設(shè)計(jì)了一種基于光-動互補(bǔ)發(fā)電的子母交互型道路交通照明系統(tǒng),該系統(tǒng)保留了目前太陽能發(fā)電的技術(shù)并通過光敏電阻和小型舵機(jī)進(jìn)行優(yōu)化,實(shí)現(xiàn)“光伏逐日”,盡可能提高太陽能發(fā)電效率。此外,本文創(chuàng)新性地提出利用減速帶發(fā)電網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行互補(bǔ)發(fā)電,改造減速帶的結(jié)構(gòu)并形成減速帶發(fā)電網(wǎng)絡(luò),以此進(jìn)行光-動互補(bǔ),完善路燈發(fā)電供能體系。該系統(tǒng)彌補(bǔ)了目前黃色鈉燈能耗大、存在交通安全隱患的不足,節(jié)約能源、保證交通安全。