CN103032271B - 一种基于风能效应的大跨径桥梁自供能系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于风能效应的大跨径桥梁自供能系统主要包括大跨度索承桥梁桥塔风力发电模块、变电模块、线路优化控制模块、应急电源、结构健康监测模块、照明设备、整流器、电能存储模块、风力等级识别信号控制模块、逆变器和桥上其他需供电设施等，将风力发电技术与大跨径桥梁能源供应问题有机结合，充分利用现有大型桥塔顶部的风能资源进行发电，解决了无线传感技术应用于结构健康监测领域的长期能源供应问题，同时也实现了大跨径桥梁结构健康监测系统与照明设备等附属设施的能源自我供应，具有绿色环保、节能减排、经济适用、可持续发展等功效。

Description

一种基于风能效应的大跨径桥梁自供能系统

技术领域

本发明涉及一种基于风能效应的自供能系统，特别涉及一种基于风能效应的大跨径桥梁自供能系统及方法。

背景技术

风能是一种洁净的、丰富的、广泛分布的且近乎无尽的能量来源，风能的利用可以实现能源的可持续发展。自1973年世界石油危机以来，在常规能源告急和全球生态环境恶化的双重压力下，风能作为一种新能源有了长足发展且越来越受到世界各国的重视。全球风能的蕴量巨大，全球的风能约为2.74×10⁹MW，其中可利用的风能为2×10⁷MW，比地球上可开发利用的水能还要大10倍。

风力发电是涉及空气动力学、机械工程、电机学、自动控制、计算机技术、材料科学等多学科的高综合性技术系统，它是风能的主要利用形式，当前已成为世界新能源开发的热点。目前，风力发电已经成为我国新能源供应的一项重要措施，在我国沿海岛屿、交通不便的边远山区、地广人稀的草原牧场、以及远离电网的地域有了广泛的应用。

结构健康监测系统通过对桥梁结构状况的监控与评估，为桥梁在特殊气候、交通条件或桥梁运营状况严重时发出预警信号，为桥梁的维护维修和管理决策提供依据。目前，我国主要是大跨径缆索承重体系桥梁安装有结构健康监测系统，该体系桥梁运营过程中结构健康监测系统与照明设备等附属设施需要耗费大量能源，为桥梁的运营增加了一大笔费用。

传统的结构健康监测系统大都采用有线传感系统，因其布线大，监测范围有限，对周边环境要求较高而在很多情况下难以满足设计实施要求。面对有线传感系统的种种弊端，美国学者首次提出运用无线技术替代结构监测有线系统的思想，开辟了无线传感技术在结构监测领域中的应用，并研制了一套实时的损伤识别结构健康监测系统。目前，虽然有线传感器在产品种类上的优势会使其在结构监测领域仍占主导地位，但无线传感器及其网络所特有的优势已经凸现出来，无线传感技术应用于结构健康监测领域的趋势已经成为一种必然。然而，在无线传感技术应用于结构健康监测领域的过程中，传感器的能源供应问题也逐渐暴露，传感器中大量电池的使用导致其定期更换的不便以及更换电池所造成的高额费用等问题有待解决。

发明内容

发明目的：针对现有技术中存在的在结构健康监测系统中无线传感器的能源供应问题，本发明提供了一种以风能为基础的大跨径桥梁自供能系统，有效的将风能转化成电能，实现了结构健康监测系统以及桥上照明设备等附属设施的能源自我供应。

技术方案：本发明提供了一种基于风能效应的大跨径桥梁自供能系统，包括以下模块：

大跨度索承桥梁桥塔风力发电模块：将大跨度索承桥梁桥塔上的风能转化成电能；

变电模块：将直接由大跨度索承桥梁桥塔风力发电模块输入的电压转换为可供设备正常使用的标准电压；

结构健康监测模块：对大跨度索承桥梁桥塔的参数进行监测，并将监测的数据通过无线传感技术或有线传感技术进行传输；

照明设备：用于大跨度索承桥梁夜间照明；

线路优化控制模块：判断变电模块输出的电能是否能够给结构健康监测模块和照明设备正常供电，以备及时启用应急电源；同时可实现线路的人工控制；

整流器：将系统运行时多余的电量由交流转成直流；

电能存储模块：储存系统运行时多余的电量；

风力等级识别信号控制模块：根据风速大小控制电能存储模块给结构健康监测模块和照明设备供电；

应急电源：当变电模块输出的电能和电能存储模块存储的电能都不能使结构健康监测模块和照明设备工作时，用于给结构健康监测模块和照明设备供电；

逆变器：将电能存储模块输出的电能由直流转成交流；

其中，大跨度索承桥梁桥塔风力发电模块所获得的电能经过变电模块，将直接由大跨度索承桥梁桥塔风力发电模块输入的电压转换为可供设备正常使用的标准电压；然后经过线路优化控制模块对变电模块输出的电量进行判断，若变电模块输出的电量满足结构健康监测模块与照明设备所需的电量，变电模块输出的电量分别供给结构健康监测模块与照明设备，富余的电能通过整流器将交流电转换为直流电贮存于电能存储模块中；若变电模块输出的电量不满足结构健康监测模块与照明设备所需的电量，则通过风力等级识别信号控制模块根据风力的大小控制电能存储模块分别通过逆变器变直流电为交流电给结构健康监测模块和照明设备供电；若变电模块输出的电能和电能存储模块存储的电能都不能使结构健康监测模块和照明设备工作时，由应急电源给结构健康监测模块和照明设备供电。

其中照明设备还与光控传感器连接，通过光控传感器对光线强弱的判断控制照明设备的开关。

线路优化控制模块包括功率判别传感器与人工控制接口变换装置，其中功率判别传感器用于判别变电系统输出的电量是否能够满足结构健康监测系统与照明设备运行的需要；人工控制接口变换装置用于人为控制线路的改变与停用。

风力等级识别信号控制模块包括A/D转换器与风力等级信号判别器，其中A/D转换器将大跨度索承桥梁桥塔风力发电模块产生的电压信号转变为数字信号，数字信号传输至风力等级信号判别器进行判断。

电能存储模块中存储的富余电量还可以经过逆变器转换后给桥上其他需要供电设施供电。

上述各模块在桥塔上的布置如下：在桥塔上横梁上部设置有大跨度索承桥梁桥塔风力发电模块，桥塔上横梁腹中部设置有变电模块，在桥塔下横梁腹中设置有线路优化控制模块、电能存储模块、风力等级识别信号控制模块、整流器和逆变器，应急电源通过加劲梁腹孔与下横梁的线路优化控制模块连接，结构健康监测模块与照明设备布置于整座大跨径桥梁，其中，大跨度索承桥梁桥塔风力发电模块经变电模块通过电梯孔道中的导线与桥塔下横梁腹中的线路优化控制模块连接，线路优化控制模块分别与结构健康监测模块、照明设备连接，同时线路优化控制模块通过整流器与电能存储模块连接，风力等级识别信号控制模块通过逆变器与结构健康监测模块与照明设备连接。

有益效果：本发明与现有技术相比实现了风力发电与桥梁能源供应相结合的自供能目标。利用风能这一清洁能源达到了绿色环保、节能减排、经济适用的效果，同时保证了大跨径桥梁结构健康监测系统与照明设备等附属设施的能源供应，解决了无线传感技术应用于结构健康监测领域的长期供电问题，实现了能源的可持续发展。

附图说明

图1是本发明系统的结构框图；

图2是本发明风力发电模块设计的分析框图；

图3是本发明的线路优化控制模块的结构框图；

图4是本发明的风力等级识别信号控制模块的结构框图；

图5是本发明的系统在桥塔上的布置图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的技术方案进行详细说明：

如图1所示，本发明主要包括大跨度索承桥梁桥塔风力发电模块1、变电模块2、线路优化控制模块3、应急电源11、结构健康监测模块4、照明设备5、整流器8、电能存储模块6、风力等级识别信号控制模块7、逆变器9。其中，大跨度索承桥梁桥塔风力发电模块1与变电模块2连接，大跨度索承桥梁桥塔风力发电模块1往变电模块2输入的电压经过信号过滤与电压转换输出220V稳定标准电压；线路优化控制模块3判断变电模块2的输出电量是否能够保证结构健康监测模块4和照明设备5正常运行，如果变电模块2输出的电量不足时，通过风力等级判别信号控制系统7对桥塔上横梁处的风力大小判别控制电能存储模块6分别向结构健康监测模块4和照明设备5供电；若变电模块输出的电能和电能存储模块存储的电能都不能使结构健康监测模块和照明设备工作时，线路优化控制模块3控制应急电源11给结构健康监测模块4和照明设备5供电，应急电源11由外部标准输电提供，但采取少量线路布置的方案，仅供满足紧急情况即可；当整个系统运行时，若变电模块2的输出电能富足，则通过整流器8，将交流电转换为直流电，再将电能存储于电能存储模块6中；电能存储模块6采用化学原电池原理，利用可逆的化学反应实现电能的储存与释放；电能存储模块6中包含一能量储备判别器，若电能存储模块6中电量充足则向桥上其他需供电设施10供电；逆变器9的作用在于将控制电能存储模块6输出的直流电转变为交流电，以供需供电设施使用。其中，逆变器9都采用相同规格，风力等级识别信号控制模块7也采用同等规格。大跨度索承桥梁桥塔风力发电模块1中的发电机组的规格与数目应根据桥塔上横梁处平均风速与大跨径桥梁上所需用电设施的功率共同确定。

如图2所示，该图详细给出了“大跨度索承桥梁桥塔风力发电模块1”的分析过程。考虑到大跨度索承桥梁桥塔风力发电模块运行过程中会对桥塔结构的受力产生影响，在现有技术下，我们通过有限元建模分析出风力发电系统运行对桥塔结构的影响情况；以此为根据，我们对桥塔进行减振加固设计以保证承载能力与正常使用要求。桥塔上横梁部位风速在正常情况满足使用要求，但在台风期间可能会对风力发电机组产生破坏，因此我们需要根据桥塔的结构形式与组成材料选择合适的风力发电机桨叶结构与系统以减少安全隐患。经过上述过程，我们便可设计出合理的大跨度索承桥梁桥塔风力发电模块1。

如图3所示，线路优化控制模块3包括功率判别传感器15与人工控制接口变换装置16两个模块，变电模块2与应急电源11同时与线路优化控制模块3连接，功率判别传感器15的功能是判断大跨度索承桥梁桥塔风力发电模块1所获得电能功率是否能够满足结构健康监测模块4与照明设备5运行的需要，如果满足则正常向结构健康监测模块4与照明设备5供能，将富余的电能存储到电能存储模块6中；反之，则先通过电能存储模块6对结构健康监测模块4与照明设备5供电，如果电能存储模块6中的电能也不足则启用应急电源11对结构健康监测模块4与照明设备5供电。其中，照明设备5由光控传感器14控制，在光线不能满足正常使用要求时，照明设备电路接通；反之，照明设备电路断开。人工控制接口变换装置16用于人为控制线路的通与断，同时可通过改变线路的接口对电路进行调节与控制。

如图4所示，风力等级识别信号控制模块7包括A/D转换器12和风力等级信号判别器13，A/D转换器12将大跨度索承桥梁桥塔风力发电模块1产生的电压信号转变为数字信号，将数字信号传输至风力等级信号判别器13进行判断，根据判断的结果控制电能存储模块6向结构健康监测模块4和照明设备5供电。

如图5所示，为大跨度索承桥梁的桥塔剖面图，大跨度索承桥梁桥塔风力发电模块1布置在桥塔上横梁上部17处；桥塔上横梁上部17处相对宽敞平整，且此处风速较大，便于布设风力发电机桨叶结构与模块，变电模块2布置在上横梁腹中18处，线路优化控制模块3与电能存储模块6布置在下横梁腹中20处；风力等级识别信号控制模块7、整流器8、逆变器9也在下横梁腹中20处采取相应合理布置；应急电源11通过加劲梁腹孔21抵达下横梁位置处，并与线路优化控制模块3相连接。结构健康监测模块4与照明设备5分布于整座大跨径桥梁，故分南北两个方向，两边结构健康监测系统4与照明设备5的电能分别由南北桥塔处的风力发电系统供应。其中，大跨度索承桥梁桥塔风力发电模块1经变电模块2通过电梯孔道19中的导线与桥塔下横梁腹中20的优化控制模块3连接，优化控制模块3分别与结构健康监测模块4、照明设备5连接，同时优化控制模块3通过整流器8与电能存储模块6连接，风力等级识别信号控制模块7通过逆变器9与结构健康监测模块4与照明设备5连接。

以上所述为本发明的主要实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以进行若干方面的改进，这些改进应视为本发明的保护范围。

Claims (2)

1.一种基于风能效应的大跨径桥梁自供能系统，其特征在于：包括以下模块：

大跨度索承桥梁桥塔风力发电模块：将大跨度索承桥梁桥塔上的风能转化成电能；所述大跨度索承桥梁桥塔风力发电模块布置在桥塔上横梁上部； 

变电模块：将直接由大跨度索承桥梁桥塔风力发电模块输入的电压转换为可供设备正常使用的标准电压；

结构健康监测模块：对大跨度索承桥梁桥塔的参数进行监测，并将监测的数据通过无线传感技术或有线传感技术进行传输；

照明设备：用于大跨度索承桥梁夜间照明；

线路优化控制模块：判断变电模块输出的电能是否能够给结构健康监测模块和照明设备正常供电，以备及时启用应急电源；同时可实现线路的人工控制；

整流器：将系统运行时多余的电量由交流转成直流；

电能存储模块：储存系统运行时多余的电量；

风力等级识别信号控制模块：根据风速大小控制电能存储模块给结构健康监测模块和照明设备供电；

应急电源：当变电模块输出的电能和电能存储模块存储的电能都不能使结构健康监测模块和照明设备工作时，用于给结构健康监测模块和照明设备供电；

逆变器：将电能存储模块输出的电能由直流转成交流；

其中，大跨度索承桥梁桥塔风力发电模块所获得的电能经过变电模块，将直接由大跨度索承桥梁桥塔风力发电模块输入的电压转换为可供设备正常使用的标准电压；然后经过线路优化控制模块对变电模块输出的电量进行判断，若变电模块输出的电量满足结构健康监测模块与照明设备所需的电量，变电模块输出的电量分别供给结构健康监测模块与照明设备，富余的电能通过整流器将交流电转换为直流电贮存于电能存储模块中；若变电模块输出的电量不满足结构健康监测模块与照明设备所需的电量，则通过风力等级识别信号控制模块根据风力的大小控制电能存储模块分别通过逆变器变直流电为交流电给结构健康监测模块和照明设备供电；若变电模块输出的电能和电能存储模块存储的电能都不能使结构健康监测模块和照明设备工作时，由应急电源给结构健康监测模块和照明设备供电。还包括光控传感器，所述光控传感器与照明设备连接，风力等级识别信号控制模块包括A/D转换器与风力等级信号判别器，电能存储模块通过逆变器与桥上其他需供电设施连接。

2.根据权利要求1所述的基于风能效应的大跨径桥梁自供能系统，其特征在于：所述线路优化控制模块包括功率判别传感器与人工控制接口变换装置，其中功率判别传感器用于判别变电系统输出的电量是否能够满足结构健康监测系统与照明设备运行的需要；人工控制接口变换装置用于人为控制线路的改变与停用。