基于雙能源循環(huán)系統(tǒng)的發(fā)電地磚

劉 毅，黃沖沖，鄭寶柱，李 娜

中國(guó)礦業(yè)大學(xué)銀川學(xué)院，寧夏 銀川 750000

0 引言

利用道路發(fā)電的研究工作在國(guó)內(nèi)外起步都較晚，但在研究人員的不懈努力下，道路發(fā)電取得了一定的成果。隨著科學(xué)技術(shù)的飛速發(fā)展，發(fā)電地磚也得到了技術(shù)改進(jìn)，但是現(xiàn)有技術(shù)發(fā)電地板以壓電模式為主，并且處于較低水平，成本極高、發(fā)電效率低、輸出功率小，還不能進(jìn)入商用階段[1]。

1 研究方法

1.1 文獻(xiàn)調(diào)研

2009年，坎貝爾·庫克所設(shè)計(jì)的原型地磚，受到了媒體的廣泛關(guān)注，經(jīng)過技術(shù)改良和完善后，所設(shè)計(jì)的地磚長(zhǎng)60 cm、寬45 cm，一旦有行人踩踏在地磚上，其轉(zhuǎn)換成的電能有5%將被收集起來用于點(diǎn)亮一個(gè)LED燈，而剩余95%的電能可用于其他用途，或者儲(chǔ)存在電池中。當(dāng)大街上人來人往時(shí)，踩踏所產(chǎn)生的能量很多都將被收集起來加以利用，而這些行人可能都不知道自己正在為發(fā)電做貢獻(xiàn)。這種地磚還附帶防水功能，能夠在雨雪天氣和冰凍環(huán)境下使用。每一塊地磚的使用壽命約為5年[2]。

1.2 實(shí)地問卷調(diào)研

以走訪調(diào)研的形式了解發(fā)電地磚實(shí)際應(yīng)用的情況和安裝方式。調(diào)查將發(fā)電地磚用于人行道、商場(chǎng)地面的可行性。調(diào)查數(shù)據(jù)顯示，該地磚的優(yōu)點(diǎn)是容易清理、不易藏污、無污染，防火、防水、防腐性能好；缺點(diǎn)是熱得快、涼得更快，成本高、鋪裝復(fù)雜、施工煩瑣。

發(fā)電地磚由玻璃鋼和可回收再生的材料制成。地磚的綠色表面材料為回收再生的透明塑料PVC，內(nèi)部壓電元件則使用再生鋁制造，而且產(chǎn)生電能的過程沒有污染，經(jīng)久耐用[3]，可以用于人流密集場(chǎng)所。

2 模型建立

2.1 結(jié)構(gòu)組成

模型主要由踩踏板、套管、復(fù)位彈簧、太陽能板、蓄電池、齒輪組、支撐軸、線圈、空心圓永磁鐵、飛輪、整流器、LED燈、濾波電容組成。

2.2 軟件建模

用三維仿真軟件UG NX12.0對(duì)磁電轉(zhuǎn)換機(jī)械結(jié)構(gòu)進(jìn)行建模，在新建的基準(zhǔn)坐標(biāo)系YOZ平面內(nèi)選擇草圖界面，繪制輪廓，約束尺寸，繪制圓弧完成草圖繪制；返回基準(zhǔn)坐標(biāo)系YOZ進(jìn)行回轉(zhuǎn)拉伸等操作，在指定區(qū)域（如套管、齒輪等）進(jìn)行布爾求差，然后將模型存為.x_t通用格式。

2.3 模擬性能分析

結(jié)合實(shí)際考慮，齒數(shù)增加，其直徑也隨之增加，故主動(dòng)輪齒數(shù)定為45～120齒，因增速齒輪速比小于1，為使傳動(dòng)效率最大，從動(dòng)輪齒數(shù)固定為最小值，為8齒。

式中：l為傳動(dòng)比；z2為從動(dòng)輪齒數(shù)；z1為主動(dòng)輪齒數(shù)。

根據(jù)式（1）計(jì)算得出傳動(dòng)比繪制成折線圖，如圖1所示。從圖1可以看出，隨著齒數(shù)增加，傳動(dòng)比不斷減小。根據(jù)齒輪組配齒理論可知，一對(duì)齒輪的齒數(shù)盡可能彼此沒有公約數(shù)（1除外），且兩嚙合的周期越長(zhǎng)越好，倘若不是，將加劇磨損，從而縮短使用壽命。由此可得，主動(dòng)輪齒數(shù)為79齒，從動(dòng)輪為8齒，無論從尺寸還是傳動(dòng)比方面看都是最優(yōu)選擇。

圖1 性能分析圖

2.4 材料性能分析

考慮到盡量不影響太陽能板吸收率，通過反射程度衡量板面材料。反射率可通過其折射率進(jìn)行計(jì)算，兩者關(guān)系如下：

式中：R為反射率；n為折射率。

鋼化玻璃折射率n=1.473，通過式（2）計(jì)算可得，反射率為3.6%。PVC的反射率為4.5%。

根據(jù)式（2）計(jì)算出鋼化玻璃與PVC反射率都比較小，說明透光率大，透明性好，對(duì)太陽能板吸收率影響小。

3 硬件電路設(shè)計(jì)

3.1 設(shè)計(jì)思路

磁電轉(zhuǎn)換輸出5 V 0.12 A交流電，需AC/DC整流后與太陽能板18 V 20 W串聯(lián)，對(duì)內(nèi)置充電電池進(jìn)行充電儲(chǔ)能，四組LED發(fā)光管并于電源側(cè)，串接電源開關(guān)。因?yàn)椴忍ぎa(chǎn)生電能波動(dòng)較大，所以將一大一小兩個(gè)濾波電容并聯(lián)，以獲得更大的濾波頻段。大電容濾除低頻波，小電容濾除高頻波。電容值與濾除頻率的平方成反比。該電路選用 2 200 μF、100 μF。

3.2 硬件電路圖

BAT1模擬太陽能板輸出18 V直流電壓。交流發(fā)電機(jī)模擬磁電轉(zhuǎn)換機(jī)組輸出5 V交流電壓。全橋整流器交流電源正負(fù)半周變化，因二極管D1、D2、D3、D4單向?qū)ㄐ?，在?fù)載上便得到全波整流電壓[4]。C1、C2并聯(lián)濾波電容2 200 μF/100 μF，用來濾除交流成分，使輸出直流更平滑，提高濾波電容的工作效果。D6、D7模擬負(fù)載，D6為L(zhǎng)ED并聯(lián)燈組，由主電路直接控制，當(dāng)兩個(gè)電源只要有一個(gè)工作就會(huì)通過LED顯示，可以作為檢測(cè)電路好壞的指標(biāo)之一。D7模擬負(fù)載如路燈、廣告牌等直流用電設(shè)備。B1模擬蓄電池組，通過主電路完成充電任務(wù)，當(dāng)合閘后為D7供電。接地、R1、D5都起保護(hù)作用。整體電路結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 硬件電路圖

4 實(shí)物搭建

4.1 預(yù)期效果

通過總發(fā)電量衡量發(fā)電地磚的實(shí)用性。其計(jì)算式為

式中：W為發(fā)電量；t為發(fā)電時(shí)間；U為總電壓；I為總電流；cosφ為功率因數(shù)。

通過式（3）可得，每塊地磚總裝機(jī)發(fā)電量約為每天1.12 kW·h，對(duì)200 W路燈可持續(xù)供電5 h，對(duì)廣告牌1 000顆LED燈可持續(xù)供電10 h。

4.2 裝配順序

裝配順序如下：距上頂板安裝內(nèi)套筒1，距下底板安裝外套筒2，套筒空心處安裝復(fù)位彈簧。安裝三組夾角120°的磁電轉(zhuǎn)換機(jī)組架，上頂板面覆蓋太陽能板并用塑料透明PVC防滑墊結(jié)合鋼化玻璃保護(hù)。

4.3 功能流程

地磚功能流程如圖3所示。太陽能、動(dòng)能作為雙能源輸入，其動(dòng)能經(jīng)磁電轉(zhuǎn)換裝置轉(zhuǎn)換為交流電，再通過全橋整流器整流為直流電。直流電經(jīng)過濾波電路去除諧波等干擾因素，為蓄電池充電和LED檢測(cè)氛圍燈直接輸出。蓄電池作為直流用電設(shè)備供電，用電設(shè)備若在地磚周圍發(fā)出可見光可直接被太陽能板再次吸收循環(huán)利用，從而實(shí)現(xiàn)動(dòng)能→電能→可見光→電能的雙能源循環(huán)。

圖3 地磚功能流程圖

5 結(jié)論與展望

文章所設(shè)計(jì)的發(fā)電地磚以雙能源循環(huán)系統(tǒng)為基礎(chǔ)，采用太陽能與磁電轉(zhuǎn)換雙能源發(fā)電方式，實(shí)現(xiàn)每塊地磚總裝機(jī)發(fā)電量約為每天1.12 kW·h，對(duì)1 000顆LED廣告牌持續(xù)供電10 h，可安裝于人行道、辦公樓等人流密集場(chǎng)所。對(duì)于并網(wǎng)的實(shí)際要求，系統(tǒng)是否需要更新以及現(xiàn)有技術(shù)是否能夠滿足要求，都有待于進(jìn)一步的研究，更先進(jìn)的能源轉(zhuǎn)換系統(tǒng)以及更完美的傳動(dòng)效率比也有待進(jìn)一步探索。