新型风光互补型智慧路灯的设计研究
时间：2023-02-23 19:40:08 来源：千叶帆 本文已影响人
解荣杰，董琼蔚，殷煜钦，林彬彬，温 成
中国矿业大学徐海学院，江苏 徐州 221000
近几年“智慧城市”的理念逐渐兴起。随着“碳达峰，碳中和”等观念的深入人心，节能与智能的结合已是大势所趋。市场上以新能源为动力的汽车、电液混动的大型货车等交通工具逐步取代以汽油、柴油为动力的汽车。在众多清洁能源中，电能占据了相当大的一部分。根据调研结果，目前电能的主要生产方式仍以火力发电为主，占据发电总量的40%。火力发电污染严重，与“碳达峰，碳中和”的理念背道而驰，需要寻找新型的电能生产方式。文章基于以上理念提出风光互补型智慧路灯。
通过对比目前已有的风能、光能的收集方式，发现大型风力发电机多位于山顶、野外等空旷地带。城市地价较高，使用大型设备不切合实际，浪费资源。因此采用占地面积较小的垂直式叶片来收集城市中的风能，为周围小型设施，如路灯、小型无人售货机、共享电车充电桩等供电。同时，借助位于路灯顶端的光伏板收集城市光能，达到节能减排的目的。
全球气候变化和人类活动的关系已成为当今国际的焦点问题，关系到各个国家的切身利益与经济发展，采取措施应对气候变化已刻不容缓。如何实现“碳达峰，碳中和”，实现城市能源自循环、城市自然能源的充分利用成为目前急需解决的问题[1]。
在物联网阶段，各种智能设备对网络的需求越来越大，为了实现城市智能设备实时联网，网络基站建设成为一个难题。为了在不占用城市面积、避免大幅度改动已建设施的同时，充分收集城市中的清洁能源，文章将重点放在了城市中最常见的路灯上，通过模块化修改路灯结构，为城市清洁能源的收集以及物联网的构建提供基础。
2.1 各系统设计方案
风光互补智慧路灯主要由光能发电系统、照明系统、风力发电系统及监控系统组成。
2.1.1 光能发电系统
光能发电系统采用太阳能光伏板发电，通过稳压电路过滤不稳定的电能，路灯芯杆与底端电控箱相连。考虑到城市中部分路段（如市区中心、高层小区）的光能覆盖率较低，若每支路灯均安装光能发电系统则会徒增成本，出于对经济性的考虑，光能发电系统使用模块化设计，在光照充足的路段安装光伏板，而在光照条件较差的路段可安装小型风力发电机，对高空中的风能进行回收，以补偿光能发电的电能。
2.1.2 风力发电系统
风力发电机由叶片及叶片轮组成。叶片通过轴承安装在叶片轮上，叶片轮将动力传递至旋转架，再通过旋转架底端的齿轮传递至旁侧的齿轮轴上，实现动力传递的同时，也实现了一级增速。齿轮轴带动小皮带轮，通过皮带传动将动力传递至电机。采用皮带轮传动的主要原因如下。
（1）在工人师傅安装时，不需要过多考虑路灯的垂直度，路灯在长时间使用或遭受极端天气（如台风、暴雨暴雪等）后发生轻微倾斜也不会影响发电机的正常工作。一方面减轻维修工人的工作量，另一方面也降低维护成本。
（2）皮带轮传动相对于齿轮传动有较长的传动距离，齿轮传动有着较为严格的啮合要求，对安装要求极高。且齿轮不宜在潮湿的环境下工作，在长时间使用后可能会生锈，进而影响传动效率。同时长距离传动齿轮啮合对数较多，再加上轴承等其他零件影响传动效率，导致齿轮传动的成本太高。而皮带轮传动具有运行平稳、噪音低、两轴中心距调节范围大等优点。同时在过载时皮带传动具有过载保护的功能，保护系统安全。
（3）皮带轮传动对工作环境没有太高要求，对于润滑等要求较低，适合路灯底端较为潮湿的环境。
2.1.3 照明系统
照明系统由单片机控制，照明亮度根据亮度传感器自动调节，在特殊天气下可依据环境改变灯光颜色，增强光线的穿透能力。同时，路灯系统接受中央开关的统一控制，在特殊情况下可通过市政公用事业部门集中调控。照明系统中每一侧的路灯与灯杆都为一个独立的模块（以下简称照明模块），照明模块与灯杆通过螺栓固定，线路通过过渡接头与灯杆相连，便于安装与维护。同时针对不同的照明需求可自行设计其他灯杆外观或更换灯泡型号，实现路灯的多样化。照明模块的接口为通用接口，在非照明段也可安装小型风力发电机模块或光伏发电机模块，提高发电效率。照明系统主要控制模块包括路灯顶端Wi-Fi 模块、光伏板转向架模块、光照环境检测模块、灯具亮度调节模块、防过载刹车模块、电压稳压模块、电能分配模块与监控系统控制模块等。Wi-Fi 模块能够为以路灯为中心的所有无人智能设备提供网络覆盖，不需要再拉网线或再占用空间建立无线网络基站，也为日后物联网的搭建构建基础。
2.1.4 监控系统
监控系统安装于路灯顶端，便于实时监控紧急情况。路灯底部通过线缆将紧急通报按钮安装在人行道旁边，按下按钮后可与服务人员沟通，汇报紧急情况。同时每个路灯均有独立的IP 地址，可快速定位路灯所在位置以实施帮助和救援。每隔一个路灯安装一个液晶显示器，在平时可做投递广告、宣传所用，实现经济价值；
在紧急时可在显示屏中实时切换事故路段的监控，将显示屏调整为红色，提示当前路段发生事故，同时由道路最外端的显示屏提示当前道路拥堵，选择绕行等信息，及时为道路上的所有司机提供路段信息，协助交警、救护人员疏通紧急通行车道，提高救援效率。在浓雾天气时，可调整显示屏颜色为红光，红光具有较强的穿透能力，可帮助司机看清道路边缘，防止车辆发生事故，同时提示司机慢行，保证交通的安全性。针对道路中的不文明行为（行人横穿马路、非机动车占用车道等）进行抓拍监视，若有事故发生，则可以为事故处理提供依据。
2.2 系统层级设计
系统基于太阳能、风能设计，主要功能包括新能源获取后的转化与存储。控制部分分为应用层、平台层、网络层、设备层四个层级。在应用层中，多功能路灯系统应接入智慧城市管理平台；
平台层采用垂直架构，使用统一平台打通应用层和网络层，实现管理平台对运营网络的调度；
之后通过运营商网络及智能网关管理多功能路灯及其设备层，实现能量调度与信息分配。
2.2.1 各层级电路实现
（1）交流电能的产生。四个层级通力配合，实现太阳能、风能的收集、监控与调度。将太阳能、风能转换成统一的直流电能，再进行存储或逆变成稳定的交流电能。
（2）电能的存储。电能的存储依靠位于路灯底端的电控箱内的锂电池。在电控箱的控制下，蓄电池供电与电网供电相互补充。在长时间无风或无光的环境中，将使用传统的电网供电，以保证基础设计的正常使用。
（3）负载供电。负载供电可通过电池直接供电，也可使用逆变电路供电。在将来实现并网功能，建立多能互补发电系统。系统可实现太阳能、风能等多能互补供电，各个能源经过各自的能源转换装置和AC-DC、DC-DC 变换电路对电能进行转换和存储。
2.2.2 电能转换电路详细设计
（1）能源转换和电能变换电路总体设计。太阳能直接经过DC-DC 斩波器转换；
风能获取的电能需要经过AC-DC 整流器整流，然后再经过DC-DC 斩波器，经过整流和斩波器得到稳定的直流电能最终汇入直流母线，用于后续电能的存储和负载供电。系统采用单输入AC-DC，C-D 变换电路，每种新能源电能变换单独控制[2]。
（2）蓄电池充电电路原理及充电方式。在设计风光互补发电系统的电能存储及充电电路过程中，采用两种充电电路。①运用半桥式蓄电池组充电电路，将电路直接接在直流母线上，直接获取直流母线上的电能。然后单方向为蓄电池组充电，在后面添加逆变电路即可为交流负载供电。②运用电流可逆斩波充电电路，使蓄电池直流母线隔离，由直流母线通过逆变电路为负载双向供电[3]。
3.1 路灯控制模块设计
路灯控制模块选用基于51 架构的，支持ZigBee无线通信的CC2530 作为主控芯片，通过无线通信模块进行通信，以实现更高的集成度。采用光照传感器及红外传感器辅助判断的方法，采集环境亮度采集和灯亮度，并将数据上传至服务器，之后总控器依据数据判断各个灯所在环境的亮度来决定是否通过ZigBee 网络开启路灯[4]。
3.2 机械部分设计
机械部分主要结构为叶轮旋转部。整体路灯结构从上至下分为三个主要部分：灯杆固定部、叶轮旋转部和底端固定部。灯杆固定部与叶轮旋转部连接方式如图1 所示。
图1 灯杆固定部与叶轮旋转部连接示意图
3.2.1 灯杆固定部
灯杆固定部从外至内结构分别为灯杆、灯杆安装部、芯杆，Wi-Fi 模块安装与芯杆顶端。灯杆通过螺栓安装在灯杆固定部，芯杆贯穿整个路灯，将灯杆固定部与地面固定在一起。芯杆为管状结构，路灯上部所有线路经芯杆传递至路灯底部的电控箱内。
3.2.2 叶轮旋转部
叶轮旋转部从外到内的结构为叶片安装轮、空心旋转轴、芯杆。空心旋转轴的上下均通过推力球轴承与灯杆固定部、底端支撑部相连。动力传递路线如下：道路两侧行驶车辆带动的风能或自然风能驱动叶片旋转，叶片与叶轮通过螺栓连接；
叶轮与空心旋转轴通过焊接固定在一起，动力由叶轮传递至空心旋转轴上。空心旋转轴下端压在推力球轴承上，同时空心旋转轴下端的一部分穿过轴承，进入底端固定部。这一部分的外环固定有外齿环，而外齿环与安装在底端固定部上的小齿轮啮合，将动力传递到旁边的轴上。在轴的下端安装有皮带轮，动力再由皮带轮传递至点机上，以此实现动力的传递，也为芯杆中的导线提供出口。
3.2.3 底端固定部
底端固定部外侧为保护壳，起到防潮、防腐蚀的作用。内部设小齿轮轴，通过小齿轮与外齿环的啮合，将动力传导至齿轮轴上。齿轮轴下端安装皮带轮，通过皮带传动将动力传递至电机上，同时实现二级变速。底端固定部如图2 所示。
图2 底端固定部示意图
文章设计了一种风光互补型智慧路灯，应用了网络通信技术和数字装备，可以实现节能减排经试验证明，该路灯可以实现太阳能与风能的互补，保证了城市供电的稳定性。可以在宝贵的城市土地资源中充分利用城市中的自然能源，达到节能环保、美化环境的目的。路灯内置的Wi-Fi 模块可以为未来搭建城市物联网奠定基础。
猜你喜欢 灯杆皮带轮风能 为什么风能变成电？小天使·五年级语数英综合(2021年9期)2021-09-18智慧灯杆在5G建设中的应用分析科技研究·理论版(2021年4期)2021-09-10智慧灯杆的现状及应用场景研究科技视界(2021年12期)2021-07-12多功能灯杆智慧灯杆的模块化与标准化电子元器件与信息技术(2020年8期)2020-11-12基于ANSYS的空调压缩机皮带轮疲劳寿命研究汽车零部件(2020年4期)2020-05-25一种电动机皮带轮的设计与应用中国电气工程学报(2019年25期)2019-09-10易拆装组合式抽油机皮带轮的研制与应用新商务周刊(2018年12期)2018-12-08神奇的风能军事文摘·科学少年(2017年2期)2017-04-26为什么风能变成电家教世界·创新阅读(2017年1期)2017-02-07为什么风能变成电？文理导航·科普童话(2016年3期)2016-04-26 相关热词搜索：互补，路灯，风光，
