基于中國東北地區(qū)氣候資源特征的風(fēng)光化雪裝置設(shè)計(jì)

劉詩宇 劉園

摘要：目前我國東北地區(qū)普遍采用的人工清雪和機(jī)械清雪有著勞動強(qiáng)度大、工作效率低的缺點(diǎn)，清理不及時(shí)，大大增加了車輛以及路人的出行風(fēng)險(xiǎn)。結(jié)合東北地區(qū)特有的氣候資源條件，設(shè)計(jì)一款能夠及時(shí)有效清除路面積雪的自動化雪裝置具有及其重要的意義。研究了東北地區(qū)的氣候特征，決定融合該地區(qū)豐富的太陽能和風(fēng)能進(jìn)行供電，設(shè)計(jì)專用的冰層厚度和積雪深度傳感器，自動檢測雨雪狀況，反饋系統(tǒng)開啟或關(guān)閉進(jìn)行化雪，并研制出樣品模型，為相關(guān)產(chǎn)品的創(chuàng)新開發(fā)提供思路和參考。

關(guān)鍵詞：工業(yè)設(shè)計(jì) 路面化雪裝置 可持續(xù)設(shè)計(jì) 風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)

引言

我國東北地區(qū)的冬季冰雪覆蓋期長，積雪厚度大且不易清理，未融化的積雪經(jīng)車輛碾壓或行人踩踏后會形成冰凍層，凍結(jié)的殘雪、融水在低溫下容易形成堅(jiān)實(shí)的冰層，導(dǎo)致附著系數(shù)大大降低，使得汽車行駛和行人前進(jìn)的時(shí)候出現(xiàn)失穩(wěn)的現(xiàn)象。因此，能夠?qū)崟r(shí)且有效地清除路面上的冰雪對提高道路安全性和減少經(jīng)濟(jì)損失具有及其重大的意義。傳統(tǒng)的化雪方法為清除法和融化法。機(jī)械清除在雪層厚度較薄時(shí)可以使用機(jī)械吹雪，而當(dāng)雪已壓成冰，與路面緊密接觸時(shí)，機(jī)械鏟雪不僅不會將冰雪除凈，還會對路面產(chǎn)生一些破壞。人工清除勞動量大，效率低，還會對正常的交通產(chǎn)生一定的影響?；瘜W(xué)融化法則是利用融雪劑降低冰雪的熔點(diǎn)，容易對公共設(shè)施以及路面產(chǎn)生損害、破壞環(huán)境。熱融化法則是使冰雪受熱融化成水，清潔無污染，不過效率較低，面臨能源問題。另一種研究方向是發(fā)熱電纜以及路面改造，目前主要用于采暖保溫，用于戶外道路較少；路面改造需要對現(xiàn)有路面進(jìn)行破除和重建，成本相對較高，而且路面改造正處于材料研究階段，暫時(shí)不能推廣應(yīng)用。相比于化雪達(dá)到的效果，清雪對于環(huán)境、能源的影響更為重要。東北地區(qū)風(fēng)力足，太陽光輻射量大，這一自然屬性正可用于化雪裝置的設(shè)計(jì)，增加清潔能源的使用，有利于我國社會經(jīng)濟(jì)的可持續(xù)發(fā)展，同時(shí)在保護(hù)環(huán)境的方面也起到了重要的作用。從經(jīng)濟(jì)、社會、環(huán)境等各個方面的因素進(jìn)行綜合考慮，從可持續(xù)發(fā)展設(shè)計(jì)和綠色設(shè)計(jì)的角度出發(fā)，提出—種將物理熱熔化雪與風(fēng)光互補(bǔ)系統(tǒng)相結(jié)合的化雪融冰創(chuàng)新設(shè)計(jì)方案。做到時(shí)降時(shí)清，更契合于高效率、低成本，低污染的綜合要求。

一、熱力化雪裝置的國內(nèi)外研究現(xiàn)狀

1970年，Schnurr和Rogers研究了通過路面加熱來實(shí)現(xiàn)的融雪化冰系統(tǒng)，并得到了融雪所需的溫度與埋管深度、間距及其直徑等因素之間的關(guān)系。Hopstock，美國明尼蘇達(dá)大學(xué)的教授，在2005年提出可以高微波的吸收效率的方法，即在瀝青路面中添加鐵燧巖，并可以借此提高微波除冰的效率。Jack Monson在美國聯(lián)邦公路局實(shí)施的戰(zhàn)略研究計(jì)劃中，深入研究了微波除冰技術(shù)，微波除冰車雛形也在此時(shí)一并設(shè)計(jì)誕生。北方交通大學(xué)的關(guān)明慧對于利用微波加熱來清除道路冰雪這一技術(shù)進(jìn)行了研究，并繪制出了微波除冰機(jī)原理圖；大連理工大學(xué)的陳光對紅外線化雪加熱系統(tǒng)進(jìn)行了研究，同時(shí)匡用數(shù)值摸擬了加熱系統(tǒng)的融冰效果；西南科技大學(xué)的李丹，對鋼纖維石墨導(dǎo)電混凝土這—方法分別進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)室除冰研究和野外除冰的研究，得到了溫度和消耗功率的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。

二、主要設(shè)計(jì)思路及內(nèi)容

此裝置主要是將物理熱熔化雪與風(fēng)光互補(bǔ)系統(tǒng)相結(jié)合，與路燈電網(wǎng)連接，以風(fēng)能和太陽能發(fā)電為主，通過溫度傳感器和雪量檢測器實(shí)時(shí)監(jiān)測環(huán)境溫度和降雪量，在溫度和降雪量達(dá)到一定數(shù)值時(shí)自動開啟，對路燈周圍積雪進(jìn)行加熱消融，達(dá)到除雪的目的?；舅悸穭t是類比風(fēng)光互補(bǔ)路燈的供電原理，充分利用東北地區(qū)的氣候資源特征，冬季晴天日頭足，輻射量大，陰天和夜間風(fēng)速高且力度猛。將其產(chǎn)生或儲存的電量供給裝置進(jìn)行物理加熱，以達(dá)到融雪的目的。

在分析了其原理的基礎(chǔ)上，構(gòu)建模型模擬研究其溫度場所，進(jìn)而對風(fēng)光互補(bǔ)化雪這一裝置的不合理之處進(jìn)行優(yōu)化和改進(jìn)，提高其工作性能并使之合理化。

研究內(nèi)容：

（1）調(diào)查分析東北地區(qū)冬天的天氣狀況和路面積雪情況，細(xì)化在除雪過程中的問題

（2）搜集相關(guān)資料，對類似裝置進(jìn)行分析，了解現(xiàn)有相似裝置的使用狀況和存在問題并加以分析

（3）分析設(shè)計(jì)，草圖繪制，細(xì)化方案

（4）研究風(fēng)能和太陽能發(fā)電的技術(shù)原理，以及風(fēng)光互補(bǔ)系統(tǒng)的運(yùn)作方式，以及供電給發(fā)熱裝置的工作原理、放置方式等

（6）制作簡易裝置和模型，樣機(jī)造型設(shè)計(jì)和研究

（7）繪制最終圖紙和三維建模

（8）樣機(jī)制造和試用

三、風(fēng)光化雪裝置的基本組成及工作原理

（一）風(fēng)光化雪裝置的組成（如圖1）

（二）風(fēng)光化雪裝置加熱部分組成（如圖2）

（三）風(fēng)光化雪裝置的工作原理

該裝置設(shè)有可翻轉(zhuǎn)式發(fā)熱葉片，將嵌入式發(fā)熱片作為熱源，可向外界散射熱輻射。同時(shí)結(jié)合采用風(fēng)光互補(bǔ)系統(tǒng)為加熱裝置進(jìn)行供電，該裝置使用風(fēng)能和太陽能混合發(fā)電系統(tǒng)供電，由溫度傳感器和雪量監(jiān)測裝置對環(huán)境變化進(jìn)行數(shù)據(jù)處理并轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號傳遞給電子控制系統(tǒng)，通過電子控制系統(tǒng)對信號進(jìn)行處理，控制機(jī)械裝置運(yùn)轉(zhuǎn)，從而控制發(fā)熱葉片的開啟和閉合，對路面積雪進(jìn)行加熱融化，實(shí)現(xiàn)裝置的自動化控制。該化雪裝置耗能少，污染小，熱交換快，即時(shí)性強(qiáng)，能完成車行道周邊以及人行道等環(huán)境的冰雪清除工作。其工作原理（如圖3）所示。

四、風(fēng)光化雪裝置工作的理論基礎(chǔ)

（一）風(fēng)光互補(bǔ)系統(tǒng)

風(fēng)光互補(bǔ)系統(tǒng)實(shí)質(zhì)上是一種能量轉(zhuǎn)換裝置，可以將風(fēng)能和光能轉(zhuǎn)化為電能。由于風(fēng)能和太陽能具有很強(qiáng)的互補(bǔ)性，風(fēng)光互補(bǔ)系統(tǒng)保證了這兩種自然資源的平衡性和穩(wěn)定性。根據(jù)用電器的用電負(fù)荷情況和資源條件可以對系統(tǒng)容量進(jìn)行合理配置，避免了二者在獨(dú)立系統(tǒng)中的間斷不平衡。該系統(tǒng)也是一套供電系統(tǒng)，且為獨(dú)立分散式系統(tǒng)，基本不依賴市電，應(yīng)用范圍不受限，節(jié)能環(huán)保?？傮w結(jié)構(gòu)（如圖4）所示。

（二）風(fēng)光互補(bǔ)系統(tǒng)的國內(nèi)外研究及應(yīng)用

N.E.Busch與KT Ilenbach同為丹麥的科學(xué)家，在1981年，兩人對于混合利用風(fēng)能和光能這一方式進(jìn)行了研究。風(fēng)光互補(bǔ)系統(tǒng)最開始只是把風(fēng)機(jī)和光伏陣列板進(jìn)行了基本組合。根據(jù)概原理，前蘇聯(lián)的N.Aksarni等人對太陽能一風(fēng)能潛力的數(shù)值進(jìn)行了估算并加以統(tǒng)計(jì)，風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)在數(shù)據(jù)上得到了強(qiáng)有力的支持，為接下來的研究提供了科學(xué)依據(jù)；在此之前，美國C.I.Aspliden也對太陽能一風(fēng)能混合轉(zhuǎn)換系統(tǒng)進(jìn)行了氣象學(xué)的研究；隨后我國的余華揚(yáng)等人在1982年提出太陽能一風(fēng)能發(fā)電機(jī)的能量轉(zhuǎn)換裝置，自此，有關(guān)于風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)的研究進(jìn)入實(shí)際利用階段。

近年來，對于風(fēng)光互補(bǔ)系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)和合理配置的研究—直是各國所致力集中攻克的。Rajesh Karki等在加拿大Saskatchewan大學(xué)對獨(dú)立小型風(fēng)光發(fā)電系統(tǒng)進(jìn)行了研究，驗(yàn)證了其可靠性，同時(shí)計(jì)算出了成本，并提出了降低發(fā)電成本和提高系統(tǒng)可靠性的重要途徑，即根據(jù)負(fù)載和風(fēng)光資源條件合理配置發(fā)電系統(tǒng)，同時(shí)指出風(fēng)光互補(bǔ)系統(tǒng)擴(kuò)容的可行性。國內(nèi)的香港理工大學(xué)和中科院廣州能源所、半導(dǎo)體研究所共同提出了利用CAD進(jìn)行風(fēng)光互補(bǔ)系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)。同時(shí)，華南理工大學(xué)通過權(quán)值調(diào)節(jié)方式實(shí)現(xiàn)太陽能逆變器最優(yōu)功率傳輸，同時(shí)設(shè)計(jì)了新型無刷雙饋發(fā)電機(jī)（如圖4）。

在21世紀(jì)的發(fā)展計(jì)劃中，國務(wù)院在決策上指明了方向，確定下了發(fā)展風(fēng)能太陽能等自然資源的戰(zhàn)略這也使得現(xiàn)階段風(fēng)光互補(bǔ)技術(shù)在我國得到了初步應(yīng)用，尤其是在道路和景觀照明方面最為廣泛。風(fēng)光互補(bǔ)技術(shù)不單單在照明上得以使用，在報(bào)警電話和信號道路標(biāo)志等方面也同樣可以加以應(yīng)用；當(dāng)然還有一些活動會場，博覽會場以及一些場外照明或景觀點(diǎn)綴；海上導(dǎo)航系統(tǒng)，海上的輔助電源，電網(wǎng)的建設(shè)在成本上降低了，能源的損耗也相對減少；災(zāi)難來臨的時(shí)候也可以用做通信、輔助供電給應(yīng)急指示燈。

風(fēng)光互補(bǔ)系統(tǒng)的國內(nèi)外研究以及國內(nèi)對于該系統(tǒng)的應(yīng)用不僅提供了理論層面的支持，同時(shí)也在政策和戰(zhàn)略方面提供了保障。

（三）風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電充放電系統(tǒng)原理（如圖5）

整個系統(tǒng)由風(fēng)力發(fā)電機(jī)、光伏陣列、檢測電路、能量調(diào)節(jié)電路、蓄電池充放電路、單片機(jī)控制電路等部分構(gòu)成。光伏陣列主要實(shí)現(xiàn)了將光能轉(zhuǎn)換為電能；風(fēng)力發(fā)電機(jī)則把風(fēng)能轉(zhuǎn)換為電能i對能量調(diào)節(jié)的控制通過Q2、Q3兩個MOSFET管的開關(guān)來完成；蓄電池的智能充放電通過單片機(jī)及其外圍檢測電路來完成。

光能經(jīng)過太陽能電池板直接轉(zhuǎn)換為直流電，由Q3完成蓄電池的充電過程，通過三相橋式整流將風(fēng)力發(fā)電機(jī)產(chǎn)生的電能轉(zhuǎn)換為直流電，經(jīng)由Q2完成蓄電池的充電過程。太陽能電池板和風(fēng)機(jī)產(chǎn)生的電量可由Q2、Q3的斷開和接通進(jìn)行控制，Q2、Q3由單片機(jī)發(fā)出的PWM波觸發(fā)。通過A/D轉(zhuǎn)換，蓄電池的充電電流和電壓經(jīng)相關(guān)傳感器檢測傳送給單片機(jī)，隨后，依據(jù)相關(guān)參數(shù)以及控制流程，單片機(jī)控制蓄電池的充放電過程。當(dāng)蓄電池電壓充滿或風(fēng)機(jī)電壓過高時(shí)通過Q1進(jìn)行卸荷，以免蓄電池過充影響其他設(shè)備安全。

五、風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)的設(shè)備選型

風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)主要由風(fēng)力發(fā)電機(jī)、光伏組件、控制器、蓄電池、卸荷器、負(fù)載等組成：風(fēng)力發(fā)電機(jī)將風(fēng)能轉(zhuǎn)換成三相交流電能，整流后對蓄電池充電；太陽能電池板完成光能和電能的轉(zhuǎn)換，通過防反充二極管隔離來完成蓄電池的充電過程。

風(fēng)力發(fā)電機(jī)：

由國家氣象站的測量數(shù)據(jù)，近年來東北地區(qū)在冬季，每天有風(fēng)的平均時(shí)間為14h，平均風(fēng)速為8.1m/5。

光伏組件：

風(fēng)力發(fā)電機(jī)發(fā)電不足部分由太陽能發(fā)電補(bǔ)充，系統(tǒng)所需光伏組峰值功率由以下公式計(jì)算：

Pm=Ws/（Km·Ht）

式中：Pm為光伏陣列的最大功率；ws為負(fù)載日均所需電能；我國東北地區(qū)大部分屬于三類太陽能資源地區(qū)，所以每天能夠接受陽光照射的平均時(shí)長取7.1 h；Km是與各部件的效率以及環(huán)境溫度等因素有關(guān)的系數(shù)，取0.9。

蓄電池：

式中：Q為蓄電池的計(jì)算容量；I為放電時(shí)最大負(fù)荷電流； T為放電小時(shí)數(shù)，考慮最長連續(xù)陰雨天數(shù)為4天，每天用電4h，取48h；n為蓄電池容量系數(shù)，取1；t為最低平均溫度，取-20℃。

將有關(guān)數(shù)據(jù)代入通過計(jì)算得到有效結(jié)果，所選取裝置中的各部件名稱及參數(shù)如表1-1，1-2。

結(jié)論

針對東北地區(qū)冬季出行所面臨的主要問題，對現(xiàn)有的化雪融冰方法進(jìn)行了調(diào)查，分析利弊，歸納求新，通過實(shí)地調(diào)研，從東北地區(qū)氣候的氣候特點(diǎn)展開，以其自然資源優(yōu)勢為基礎(chǔ)，并結(jié)合了可持續(xù)設(shè)計(jì)與綠色設(shè)計(jì)的環(huán)境友好設(shè)計(jì)理念，提出了一種新型的風(fēng)光化雪裝置設(shè)計(jì)。風(fēng)光互補(bǔ)系統(tǒng)供電方式的研究為該設(shè)計(jì)方案的實(shí)施提供了理論依據(jù)，同時(shí)給出了概念設(shè)計(jì)圖，并進(jìn)行了相關(guān)設(shè)計(jì)。

本論文的研究過程中對于裝置整體系統(tǒng)的電路設(shè)計(jì)和計(jì)算方面解釋并不充分，由于學(xué)科領(lǐng)域不同，只是初步擬定了理想條件下所選用的裝置部件及其主要參數(shù)，驗(yàn)證了概念設(shè)計(jì)的可行性，制作出樣品模型，完善了概念設(shè)計(jì)為本項(xiàng)研究從理論分析向?qū)嶋H操作實(shí)驗(yàn)做好了準(zhǔn)備。在實(shí)驗(yàn)室中可模擬與外界環(huán)境有著能量交換的開放系統(tǒng)，進(jìn)一步進(jìn)行對該模型的檢測、試用和反饋等工作，通過實(shí)物模型進(jìn)一步完善該裝置的各方面設(shè)計(jì)同時(shí)也為相關(guān)領(lǐng)域的創(chuàng)新設(shè)計(jì)提供參考。