CN101833864A - 一种太阳能和风能互补发电为电源的交通信号控制装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种太阳能和风能互补发电为电源的交通信号控制装置，包括风力发电机和风力发电机控制器，太阳能电池板和光电板控制器，直流控制器，手持遥控器，蓄电池组和LED交通信号灯组；所述发电设备通过所述直流控制器分别与所述蓄电池组和所述LED交通信号灯组电连接，所述直流控制器或手持遥控器控制所述LED交通信号灯组。本发明的有益效果是：利用自然界再生资源风和太阳能作为能源，针对距离市区较偏远的路口实现无线传输的多相交通信号控制功能，可优化自然环境、节约能源。并且，利用手持便携式遥控器在现场实现手动实时指挥控制功能，以及在一定距离内遥控进行交通控制方案、控制计划录入、调整和修改功能等。

Description

一种太阳能和风能互补发电为电源的交通信号控制装置

技术领域

本发明涉及一种太阳能和风能互补发电装置，特别涉及一种以太阳能和风能互补发电为电源的交通信号控制装置。

背景技术

通常，环保、节能型的发电方式大多采用风能发电和光能发电。

风能发电系统主要由风力发电机组、控制器、蓄电池组、逆变器、直流交流负载等部分组成。一般由一台或几台风力发电机组组成，风力机将风能转化为机械能，然后通过风力发电机转换为电能，再通过控制器对蓄电池充电，经过逆变器对负载供电。风力机一般为水平轴、上风向、三叶片布置。

风力机输出功率为：

P＝0.5ρπR²V³C_p            (1)

式中：R为风轮半径；

V为风速；

C_p为风能利用系数，最大值为0.593。

风轮叶片有定桨距和变桨距之分：定桨距风力机在额定风速下范围内，C_p没有达到最佳值，输出功率低；超过额定风速后，C_p偏离最佳值，输出功率降低。变桨距风力机，启动时通过调节桨距角可以使C_p增大，输出功率较大；超过额定风速后，通过调节桨距角使C_p保持在最佳，输出功率保持在额定值。发电机多数采用笼型异步发电机。

光能发电系统主要由太阳能光伏电池组、控制器、蓄电池组、逆变器、直流交流负载等部分组成。一般由太阳能电池板矩阵组成，太阳能电池板的光伏效应将光能转化为电能，然后对蓄电池充电，通过逆变器将直流电转化为交流电对负载进行供电。

理想的PN结太阳电池I-V电流、电压方程为：

$I_s=I_{\mathrm{sc}}-I_o(e^{q^{V_s/\mathrm{KT}}}-1)---\left(2\right)$

式中：I_s、V_s为光伏电池的输出电流和输出电压；

I_sc、I_o为光伏电池的短路电流和PN结反向饱和电流；

K为波尔兹曼常数；

K＝1.38×10^-23J/K；

T为温度；

q为电子电荷量；

q＝1.6×10^-19C。

目前，位于城市市区的交通信号控制机大都使用普通市电作为电源，而位于市郊等供电不便的地区的交通信号机，大都采用太阳能光伏发电提供电力，其优点是无需线缆，省时省工，一次投资、终身受益，维护成本低。

一般交通信号控制装置均可提供两相至多相交通控制信号，合理分配交通路口各方向通行权，实现交通流的有序进行，满足最大限度的车辆通行。相邻路口的交通信号控制装置之间可以通过无线遥控传送数据和控制信号。但是，对于我国北方地区平均日照量较低，尤其是冬日和阴雨雪天气日照资源的不确定性，导致仅仅使用光能发电时效率不高，供电不稳定，不适宜用于24小时连续工作的交通信号控制装置的供电。现有的太阳能交通信号系统，不具备可实现交通控制方案、控制计划录入、调整和修改功能的便携式手持遥控设备。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是，为克服现有技术的不足，提供一种以太阳能和风能互补发电为电源的交通信号控制装置。

本发明所采用的技术方案是：一种太阳能和风能补发电为电源的交通信号控制装置，包括：发电设备，直流控制器，蓄电池组和LED交通信号灯组，手持遥控器；所述发电设备通过所述直流控制器分别与所述蓄电池组和所述LED交通信号灯组电连接，所述直流控制器或手持遥控器控制所述LED交通信号灯组。

所述发电设备包括：风力发电机和风力发电机控制器，太阳能电池板和光电板控制器；所述风力发电机与风力机控制器电连接；所述太阳能电池板与光电板控制器电连接。

所述直流控制器包括交通信号主/从控制器、GPS信号接收机模块和LED灯控制器，所述交通信号主控制器与从控制器通过无线数传模块无线连接，所述交通信号从控制器与所述LED交通信号灯组连接。

所述手持遥控器包括单片机、存储器、键盘电路、液晶屏、电池和无线数传模块、GPS信号接收机模块，所述存储器、键盘电路和无线数传模块与所述单片机相互电连接，所述单片机的输出与所述液晶屏连接，所述手持遥控器与所述交通信号主控制器无线连接。

所述无线数传模块的型号是JZ872系列模块。

所述交通信号主/从控制器为一个主控制器和四个从控制器；所述GPS信号接收机模块的型号是HOLUXGR-88卫星定位接收模块。

所述风力发电机的型号是FM-FH100型，所述太阳能电池板的型号是Pdc150-12S型，所述太阳能电池板安装倾角为所在地区地理位置纬度值Φ+5°。

本发明的有益效果是：利用自然界再生资源风和太阳能作为能源，针对距离市区较偏远的路口实现无线传输的多相交通信号控制功能，可优化自然环境、节约能源。并且，利用手持便携式遥控器在现场实现手动实时指挥控制功能，以及在一定距离内遥控进行交通控制方案、控制计划录入、调整和修改功能等。

附图说明

图1为本发明太阳能和风能互补发电为电源的交通信号控制装置示意图；

图2为本发明的太阳能和风能互补发电设备连接示意图；

图3为本发明的负载设备连接示意图；

图4为本发明的交通信号控制装置在路口设置的示意图；

图5为本发明的主从控制器连接示意图；

图6为本发明手持遥控器各部件连接关系示意图；

图7为本发明手持遥控器电路原理图。

具体实施方式

图1是本发明一种以太阳能和风能互补发电为电源的交通信号控制装置示意图，图2是太阳能和风能互补发电设备连接示意图。如图1和图2所示，交通信号控制装置包括：LED交通信号灯组1，安装在信号灯杆上；风力发电机2，太阳能电池板3，控制箱4，手持遥控器5。风力发电机2安装在信号灯杆的顶端，将风能转换成三相交流电能，经过整流后对蓄电池进行充电。太阳能电池板3安装在信号灯组1与风力发电机2之间，根据负载日均所需电能计算出发电系统所需光伏组件峰值功率，选取一定面积的太阳能板，光伏组件将太阳能转换成电能，经防反充二极管隔离后对蓄电池进行充电。控制箱4设置在信号灯杆下方，内装交通信号控制器、蓄电池组、GPS信号接收机模块和LED灯控制器、无线数传模块等。

所述风力发电机2和风力发电机控制器，太阳能电池板3和光电板控制器组成发电设备，风能、太阳能互补发电设备一般由一台或几台风力发电机组和太阳能电池板矩阵组成，完成风能-电能、光能-电能的转换；所述发电设备通过所述直流控制器分别与所述蓄电池组和所述LED交通信号灯组1电连接，所述直流控制器或手持遥控器5控制所述LED交通信号灯组1；所述风力发电机2与风力机控制器电连接；所述太阳能电池板3与光电板控制器电连接，风力发电机2将风能转换成三相交流电能，经过整流后对蓄电池进行充电，太阳能电池板3根据负载日均所需电能计算出发电系统所需光伏组件峰值功率，选取一定面积的太阳能板，光伏组件将太阳能转换成电能，经防反充二极管隔离后对蓄电池进行充电，所述风力发电机2的型号是FM-FH100型，所述太阳能电池板3的型号是Pdc150-12S型，所述太阳能电池板3安装倾角为所在地区的地理位置纬度值Φ+5°。该装置能根据日照强弱、风力的大小及负荷的变化，不断对蓄电池组的工作状态进行切换和调节，一方面把调整后的电能直接送往直流负载；另一方面，把多余的电能送往蓄电池组储存。当发电量不能满足负载需要时，控制器又把蓄电池的电能送往负载，使其在充电、放电或浮充电等多种工况下交替运行，从而保证太阳能和风能互补发电装置工作的连续性和稳定性。本装置还可以根据需要，选择性使用逆变器。当负载为交流负载时，需要逆变器将蓄电池输出的直流转换成交流，本文所述系统为直流负载，可省去逆变器环节。另外，风力发电机可选用一台FM-FH100型风力发电机可满足要求。该机组的风轮直径1.80m，额定转速400r/min，额定功率100W，额定工作电压28V，额定风速8m/s，重量30kg，启动风速为2.5m/s，安全风速30m/s，立架高度6～10m，采用电磁限速调速方式。

太阳能光电池组选用Pdc150-12S型太阳能单晶硅电池组，该组件的峰值功率150W，开路电压21.6V，短路电流4.91A，功率偏差±5％，组件安装的最佳倾角比纬度大5。

如果某地区的纬度为39.1°，日辐射量H_t＝14356，最佳倾角为Φ+5，斜面日辐射量＝16722，修正系数K_op＝1.0692，计算数据如下：

太阳能电池组件串联数：

N_s＝(U_f+U_D+U_c)/U_oc＝(14+0.7+0)/17.1＝0.92≈1

U_R：太阳电池方阵输出最小电压；

U_oc：太阳电池组件的最佳工作电压；

U_f：蓄电池浮充电压；

U_D：二极管压降，一般取0.7V；

U_c：其它因素引起的压降。

太阳能电池组件日发电量：

Q_p＝I_oc×H×K_op×C_z＝2.22×14359×(2.778/10000)×1.0692×0.8≈7.57AhI_oc为太阳能电池组件最佳工作电流；K_op为斜面修正系数；C_z为修正系数，主要为组合、衰减、灰尘、充电效率等的损失，一般取0.8。

B_cb＝A×Q_L×N_L＝1.2×(4.5×12+3×4+1.5×8+3×24)/12×7＝105Ah

Q_L＝(4.5×12+3×4+1.5×8+3×24)/12＝12.5Ah

N_p＝(B_cb+N_w×Q_L)/(Q_p×N_w)＝(105+7×12.5)/(7.57×7)＝3.63≈4

并联的太阳能电池组的组数，在两组连续阴雨天之间的最短间隔天数内的发电量，不仅需供负载使用，还需补足蓄电池在最长连续阴雨天内所亏损电量。

故太阳能电池方阵功率为：P＝P_o×N_s×N_p＝38×1×4＝152W

计算结果，需太阳能电池方阵功率为152W，蓄电池容量为150Ah。

经有关太阳能专业人员初步测算，可选择如下型号太阳能光电池组：

型号	Pdc150-12S
		开路电压Voc(V)	21.1
最佳工作电压Vmp(V)	17.1
		短路电流lsc(A)	4.91
最佳工作电流lmp(A)	4.67
		最大功率Wp(w)	150
外形尺寸	1470×700×35mm
		重量	12.0Kg

蓄电池的容量计算对保证连续供电很重要。在一年内，方阵发电量各月份有很大差别。方阵的发电量在不能满足用电需要的月份，要靠蓄电池的电能给以补足；在超过用电需要的月份，是靠蓄电池将多余的电能储存起来。所以方阵发电量的不足和过剩值，是确定蓄电池容量的依据之一。同样，连续阴雨天期间的负载用电也必须从蓄电池取得。所以，这期间的耗电量也是确定蓄电池容量的因素之一。蓄电池在本装置中同时起到能量调节和平衡负载两大作用。它将风力发电机2和太阳能电池3输出的电能转化为化学能储存起来，以供电能不足时使用。在常用的蓄电池中，主要有铅酸蓄电池、碱性镍蓄电池和铁镍蓄电池三种。

因此，蓄电池的容量B_C计算公式为：B_C＝A×Q_L×N_L×T_O/C_C Ah，式中：A为安全系数，取1.1～1.4之间；Q_L为负载日平均耗电量，为工作电流乘以日工作小时数；N_L为最长连续阴雨天数；T_O为温度修正系数，一般在0℃以上取1，-10℃以上取1.1，-10℃以下取1.2；C_C为蓄电池放电深度，一般铅酸蓄电池取0.75，经测试，横式或竖式大型多相位LED信号灯直流18V稳压源下，红色LED功耗最大，三个箭头全点亮时达到4.41W，再加上控制器、通讯模块和蓄电池本身的损耗，整个装置最大瞬时功率小于10W。如果根据天气亮度调整控制LED电流，并且保证7天的供电容量，所以蓄电池容量为：

B_C＝A×Q_L×N_L×T_O/C_C＝1.2×(4.5×12+3×4+1.5×8+3×24)/12×7×1/0.75

＝140Ah

据此，选用150安时、12V的免维护铅酸蓄电池可完全满足需要。

初步查询结果如下：

LED信号灯具的选用，根据灯具日平均功耗、当地连续阴雨天气情况、蓄电池容量及成本、太阳能电池组发电功率、重量及面积选定。

经测试，整屏分段LED渐变式信号灯在直流18V稳压源下，红色LED功耗最大，黄色LED功耗居中，绿色LED功耗最小。考虑到为了电池节能，延长电池放电时间，必须采用根据天气亮度调整控制LED电流，从而达到调节信号灯亮度的目的。

根据经验，将一天24小时分成三段，其中白天12小时，LED信号灯可以最大亮度工作，早晨和黄昏4小时中以最大亮度工作的三分之二电流工作，夜间8小时以最大亮度工作的二分之一电流工作，完全能满足正常交通指挥和人们视觉的需要。

对于横式竖式大型多相位LED信号灯，其三个箭头全点亮的功率为：

P＝3×69×1.202×18＝4.41W

加上控制器、通讯模块的损耗，最大瞬时功率应小于10W。基本可以满足该地区连续7天阴雨天气的单点交通信号控制运行的需要。所以，选择横式或竖式大型多相位LED信号灯。

由于铅酸免维护蓄电池输出标准大多是12V，所以LED连接组合方式应适合于蓄电池12V输出形式，在灯板上采用在保证最大亮度的同时限制最大工作电流的措施。

直流负载设备包括：无线数传模块、交通信号主/从控制器、LED灯控制器、LED交通信号灯。如图3所示，交通信号主控制器通过无线数传模块分别与交通信号从控制器和手持遥控器无线连接，交通信号从控制器分别与所述LED交通信号灯组连接。

所述直流控制器包括交通信号主/从控制器、GPS信号接收机模块和LED灯控制器，所述交通信号主控制器与从控制器通过无线数传模块无线连接，所述交通信号从控制器与所述LED交通信号灯组1连接。直流控制器选用YM2CO800/24型。该控制器是基于高速数据处理(DSP)和工业级微处理器并行设计的产品，集风机、太阳能充放电控制功能为一体，并具有风力发电机的速度限制电子刹车机构和蓄电池防反充电、过放和过压保护、过热、过载、短路保护功能，控制系统主要完成蓄电池和负载的运行进行控制，还可以对风力机进行限速控制。

开关的控制和有否过载短路的判断，所需要的信号由光传感器和限流电阻检测，根据光传感器的信号光控开关夜晚接通负载，白天断开负载，当输出电路出现过载或短路时，检流电阻给出信号由控制开关断开负载。对蓄电池的过充、过放和过热保护的控制信号，通过对蓄电池电压进行的检测得到。在正常的充电范围，风电、光电系统给蓄电池充电；一旦蓄电池过充，则断开蓄电池的充电回路，接通卸荷器，，不再给蓄电池充电；若蓄电池过放电，则断开负载，不再为负载供电。当充电过程中蓄电池的温度超过85℃时，本装置断开蓄电池的充电回路，接通卸荷器，不再给蓄电池充电。对风力发电机电磁限速调速的控制。当风力超出额定风速，输出电压达电压32V时，接通电磁调速电路，限制发电机转速的进一步增大。

GPS信号接收机模块主要用于时钟校准，以此来保证主从各控制器的时钟完全同步，选定HOLUXGR-88卫星定位接收晶片。无线通讯模块选定JZ872系列无线数传模块，工作频率为433MHz。其特点：透明式数据传输，无需改变原有通信程序及连接方法；具有TTL、RS232、RS485多种电平接口；内装E2ROM及看门狗电路，可掉电记忆设置频率；频率源采用VCO/PLL频率合成器，可通过测试软件设置频点；采用温补频率基准，频率的瞬时及长期稳定度高；支持总线式的被动传输数据方式；通信距离：300-400m。

现以交通信号控制装置安装在路口为例进行说明：图4是本发明的交通信号控制装置在路口设置的示意图，如图4所示，在十字路口分别设置有两两对应的四个交通信号灯组1，对应的每个交通信号灯组1都设有一个从控制器，并可在任意一个交通信号灯组设置一个主控制器，在各交通信号灯组1上方设置有风力发电机2和太阳能电池板3；图5是本发明的主/从控制器连接示意图，如图5所示，主控制器分别与四个从控制器1至4相互无线连接，与手持遥控器无线连接。主控制器设置交通信息发送至从控制器，从控制器根据接收信息在各个路口各自执行。现以十字交叉路口实行两相或四相控制，安装四套多相位信号灯为例，每套灯具中安装的控制器，均是将LED信号灯控制器与交通信号机控制功能合二为一的控制设备。其中五个控制器中，一个作为主控制器，负责向其他四个从控制器发布时钟校准、改变配时方案、强制控制命令，以及，实时监视从控制器运行状况，本发明并不局限于四个从控制器1至4，其控制器的数量可以根据交通路口的具体要求而设定，一个主控制器可以控制2～12个从控制器。

主控制器采用单点多时段变周期控制方案。主控制器在不同时段，根据交通流特点，选用不同的交通控制配时方案，以适应高峰和低峰时段的交通需求；主/从控制器均采用51系列或PIC系列单片机芯片，主从控制器之间具有同步相位协调通讯功能；主控制器系统能够监视从控制器故障功能并做好故障记录；四个从控制器1至4任意之一出现故障，主控制器强制关断或启动黄闪功能；除此之外，主控制器还具有手动强制变信号功能；绿信号冲突监测功能；避雷及漏电保护功能；定周期无线时钟校准功能，保证各信号灯之间实现无线同步协调运行。

图6为本发明手持遥控器各部件连接关系示意图，图7为本发明手持遥控器电路原理图。如图6和图7所示，手持遥控器包括单片机、存储器、键盘电路、液晶屏、电池和无线数传模块、GPS信号接收机模块，存储器、键盘电路和无线数传模块与单片机相互电连接，单片机的输出与液晶屏连接，手持遥控器与交通信号主控制器无线连接。所述无线数传模块的型号是JZ872系列模块。

主从控制器、手持遥控器之间通过各自的无线数传模块进行发射、接收信号，收发数据均需校验，以保证传送数据正确性。

手持遥控器操作面板上设有功能键、数字键以及复合键，对系统装置的操作可通过分级菜单进行，也可直接按动功能键执行。

本无线交通信号控制系统手持机的特点除了具有现有手持遥控器技术特征外，通过无线数传模块，还可以即时根据当前路况信息立即对多相交通系统控制方案进行新建、编辑与删除，同时还有黄绿冲突检测等功能，更方便的实现对信号灯的控制。

本装置供电系统独立、充足，使交通控制系统在任何天气任何时间都不受影响的连续工作，并且，能够在现场附近300米范围内，实现即时手动或手持无线遥控器实现换向、黄闪、全红等信号控制，以及路口整体交通控制方案、控制计划的录入和调整、修改功能等。

Claims (7)

1.一种太阳能和风能补发电为电源的交通信号控制装置，其特征在于，包括：发电设备，直流控制器，蓄电池组和LED交通信号灯组(1)，手持遥控器(5)；所述发电设备通过所述直流控制器分别与所述蓄电池组和所述LED交通信号灯组(1)电连接，所述直流控制器或手持遥控器(5)控制所述LED交通信号灯组(1)。

2.根据权利要求1所述的太阳能和风能互补发电为电源的交通信号控制装置，其特征在于所述发电设备包括：风力发电机(2)和风力发电机控制器，太阳能电池板(3)和光电板控制器；所述风力发电机(2)与风力机控制器电连接；所述太阳能电池板(3)与光电板控制器电连接。

3.根据权利要求1所述的太阳能和风能互补发电为电源的交通信号控制装置，其特征在于：所述直流控制器包括交通信号主/从控制器、GPS信号接收机模块和LED灯控制器，所述交通信号主控制器与从控制器通过无线数传模块无线连接，所述交通信号从控制器与所述LED交通信号灯组(1)连接。

4.根据权利要求1所述的太阳能和风能互补发电为电源的交通信号控制装置，其特征在于：所述手持遥控器包括单片机、存储器、键盘电路、液晶屏、电池和无线数传模块、GPS信号接收机模块，所述存储器、键盘电路和无线数传模块与所述单片机相互电连接，所述单片机的输出与所述液晶屏连接，所述手持遥控器(5)与所述交通信号主控制器无线连接。

5.根据权利要求3或4所述的太阳能和风能互补发电为电源的交通信号控制装置，其特征在于：所述无线数传模块的型号是JZ872系列模块。

6.根据权利要求3所述的太阳能和风能互补发电为电源的交通信号控制装置，其特征在于：所述交通信号主/从控制器为一个主控制器和四个从控制器；所述GPS信号接收机模块的型号是HOLUXGR-88卫星定位接收模块。

7.根据权利要求2所述的太阳能和风能互补发电为电源的交通信号控制装置，其特征在于：所述风力发电机(2)的型号是FM-FH100型，所述太阳能电池板(3)的型号是Pdc150-12S型，所述太阳能电池板(3)安装倾角为所在地区的地理位置纬度值φ+5°。

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