一種基于收費站的能量收集系統(tǒng)設(shè)計

占志龍　胡仕剛　李權(quán)接　譚飄　余勁　唐志軍

基金項目：國家自然科學(xué)基金資助項目（61674056，61875054）。

摘要：論文設(shè)計了一種基于收費站的能量收集系統(tǒng)。該系統(tǒng)由減速帶發(fā)電模塊、太陽能發(fā)電模塊發(fā)電和電能轉(zhuǎn)換模塊組成。理論計算結(jié)果表明，該系統(tǒng)符合設(shè)計要求，具有一定的實際應(yīng)用價值。

關(guān)鍵詞：減速帶;液壓發(fā)電模塊;能量收集系統(tǒng)

中圖分類號：TM919文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A文章編號：1672-9129（2020）07-0067-01

Abstract：This paper designs an energy collection system based on toll station. The system consists of power generation module of speed belt， solar power generation module and electric energy conversion module. The theoretical calculation results show that the system meets the design requirements and has certain practical application value.

Key words：speed bumps;Hydraulic power generation module;Energy collection system

人類對能源的需求正在逐步遞增，其中尤其典型代表是電能，在當(dāng)前社會主要以化石燃料燃燒發(fā)電為主，然而化石燃料的開采將會帶來眾多的環(huán)境問題。在日常生活中我們發(fā)現(xiàn)收費站僅僅作為一個具有收費功能的場所，事實上它可以具有多功能。例如，利用收費站的減速帶吸收汽車經(jīng)過減速帶時下壓的能量并且在收費廳樓頂安置太陽能板吸收太陽能的能量收集系統(tǒng)[1]。為了充分利用收費站收集電能，論文設(shè)計了一種基于收費站的能量收集系統(tǒng)。

1系統(tǒng)硬件設(shè)計與實現(xiàn)

1.1系統(tǒng)總體方案設(shè)計。在收費站口的減速帶下方安置一組液壓馬達(dá)發(fā)電機(jī)，當(dāng)車輛通過減速帶的時，車子將減速帶向下壓，使液壓桿推動并擠壓液壓缸內(nèi)的油性介質(zhì)，油性介質(zhì)順著管道流向電磁閥，經(jīng)電磁閥控制流速后流過液壓馬達(dá)帶動發(fā)電機(jī)發(fā)電，同時油性介質(zhì)流向上油腔[1];在回位彈簧的作用下將液壓桿向上拉升，拉升使其處于上油腔的液體在整流橋的作用下再次流向液壓馬達(dá)，最終油性介質(zhì)從液壓馬達(dá)處流處，回到了下油腔實現(xiàn)復(fù)位，整個過程實現(xiàn)了二次發(fā)電。減速帶產(chǎn)生的電能與收費站樓頂上的太陽能板產(chǎn)生的電能一起經(jīng)過電流轉(zhuǎn)化模塊處理后存入蓄電池中，然后通過電能輸出模塊將電供給收費站和電網(wǎng)。當(dāng)電量不足，電網(wǎng)通過輸出電路反向?qū)π铍姵爻潆娨跃S持電量需求。

1.2機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計。該系統(tǒng)主要由三部分組成，減速帶發(fā)電模塊和太陽能發(fā)電模塊發(fā)電，然后通過電能轉(zhuǎn)換模塊進(jìn)行輸出。減速帶發(fā)電模塊運用液壓發(fā)電的原理，借助液壓馬達(dá)進(jìn)行發(fā)電，通過整流橋來控制系統(tǒng)中液體流動方向，利用回位彈簧實現(xiàn)液體兩次通過液壓馬達(dá)進(jìn)行兩次發(fā)電。太陽能發(fā)電模塊由pv方陣來將太陽能轉(zhuǎn)換成電能，由控制器來進(jìn)行管理然后存入蓄電池[2]。

1.3減速帶發(fā)電模塊。減速帶發(fā)電模塊裝置通過在收費站口的減速帶下方安置一組液壓馬達(dá)發(fā)電機(jī)，當(dāng)車輛通過減速帶的時，車子下壓減速帶，使液壓桿推動并擠壓液壓缸內(nèi)的油性介質(zhì)，油性介質(zhì)順著管道流向電磁閥，經(jīng)電磁閥控制流速后流向液壓馬達(dá)帶動發(fā)電機(jī)發(fā)電，同時油性介質(zhì)流入上油腔;在回位彈簧的作用下將液壓桿向上拉升，拉升使其處于上油腔的液體流出并且在整流橋的作用下再次流向液壓馬達(dá)正極，進(jìn)行第二次發(fā)電，最終油性介質(zhì)又流從液壓馬達(dá)留回了下油腔。減速帶發(fā)電模塊三維圖如圖2所示[3]。

2軟件設(shè)計與理論計算

控制部分，綜合運用了單片機(jī)和傳感器，另外加上整流模塊和升壓降模塊。首先壓力傳感器接收到壓力信號，然后將相應(yīng)的信號傳給單片機(jī)，單片機(jī)對不同的電磁閥做出相應(yīng)的反應(yīng)，然后將發(fā)電機(jī)發(fā)的電經(jīng)過整流和升壓降模塊然后和太陽能發(fā)的電經(jīng)過控制器最終匯入蓄電池中[3]。

2.1已知電機(jī)輸出軸的功率P1=1KW，轉(zhuǎn)速n1=380rpm，轉(zhuǎn)矩T1=25131N·mm，計算作用在齒輪上的力FT=（2T1/d1）*（tanɑ/cosβ）=703N。

2.2發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速為380rpm，發(fā)電機(jī)輸入軸與液壓馬達(dá)輸出軸上齒輪轉(zhuǎn)動比為3，則液壓馬達(dá)轉(zhuǎn)速為127rpm。取發(fā)電機(jī)輸出軸齒輪與液壓馬達(dá)輸出軸上的齒輪傳動機(jī)械效率η齒輪=0.98，馬達(dá)輸出軸上的功率P2=Pd*η齒輪=1*0.98=0.98KW、轉(zhuǎn)速n2=127rpm、轉(zhuǎn)矩T2=73.7N·m。選擇液壓達(dá)型號為BMT-800，轉(zhuǎn)速140rpm，勵13MPa，輸入流量125L/min。液壓馬達(dá)每通過7500L的液體油，則可以產(chǎn)生1KW的電量，液壓缸壓縮高度h=10cm，半徑r=10cm，每次下壓的油量：Q1=π*h*r2≈3.14L，液壓油上下兩次經(jīng)過液壓馬達(dá)和每輛車經(jīng)過一個減速帶會下壓減速帶兩次（前輪后輪），故每次通過的油量：Q2≈4Q1=12.56L。

按照6個減速帶的規(guī)格來計算，產(chǎn)生1KW的電量需要通過的車輛數(shù)：N=7500L/（4*Q2）=149輛[3]。

3結(jié)論

基于收費站的能量收集系統(tǒng)采用多套減速帶共用一套發(fā)電系統(tǒng)，成本較低，有利于大范圍的推廣。其發(fā)電效率可觀，成本可以快速收回。并可拆卸，有利于維修護(hù)理。論文所設(shè)計的能量收集系統(tǒng)，具有一定的實用性。通過理論計算結(jié)果可以看出，該系統(tǒng)滿足設(shè)計要求。

參考文獻(xiàn)：

[1]謝達(dá).路面減速帶液壓式振動能量回收系統(tǒng)設(shè)計與研究[D].江蘇：江蘇大學(xué)，2017：6-1.

[2]美國國際太陽能協(xié)會，李雅琪譯.太陽能光伏發(fā)電設(shè)計與安裝指南[M].湖南科學(xué)技術(shù)出版社，2013.

[3]朱子豪.基于車輛運行的減速帶振動能量回收方法研究[D].上海：上海工程技術(shù)大學(xué)，2015：12-1.

通信作者：胡仕剛（1980.9—），男，湖北咸寧人，博士/教授，從事集成電路設(shè)計研究與教學(xué)。