CN103227556B - 基于直线电机的公路发电系统 - Google Patents

Abstract

一种基于直线电机的公路发电系统，包括直线电机、充电电路和储能装置。直线电机的定子埋设在机动车道缓冲段，作为其动子的磁铁固定于机动车底架上。充电电路将直线电机输出的电能存储在储能装置中。其中，所述机动车道缓冲段包括机动车道下坡路段、机动车道转弯角度大于或等于60度的路段和机动车道收费站进站路段。本发明一种基于直线电机的公路发电系统，该系统通过改造电机使得改造后的直线电机能埋设在机动车道缓冲段中，并让机动车携带电磁铁，通过机动车与电机定子做相对运动时把原先被刹车装置浪费掉的能量回收起来，可实现节能减排的效果。

Description

基于直线电机的公路发电系统

技术领域

本发明涉及电力领域，特别涉及一种能够利用机动车发电且辅助机动车制动的基于直线电机的公路发电系统。

背景技术

自从第二次工业革命以来，电力以其安全，清洁，方便运输等优点，迅速走进千家万户，使得大量的电器设备取代了传统以燃气、煤炭为能源的设备。如今我们生活、生产几乎都离不开电能，几乎每一样设备都跟电有关联。也正因如此，以电为能源的设备迅速走进千家万户，电力一直以来都处于供不应求，与此，国家在十二五规划期间对节能减排制定了新目标，使得电力行业在逐渐关闭小型高耗能的火力发电厂以及努力开发新能源发电方式。核电以其高效，高能量一度受众多国家热捧，但是日本福岛核泄漏事件后，各个国家都延缓了核电建设，特别是德国全面关闭核电设施，人类对核电是即爱又俱，因此目前科学家们都在寻找其他清洁能源来弥补核电留下的空缺。

公路发电已经被科研界所关注，以色列科学家研发出一种压电晶体，通过把大量的压电晶体植入路面让经过的机动车挤压，可产生相当可观的电能；而美国则制定了太阳能公路计划，计划通过改进太阳能板的工艺，把太阳能板装设在高速公路中实现公路发电。然而这几种方案都不适合我国的国情，存在成本昂贵或技术门槛高的问题。

随着我国经济的腾飞发展，为了适应经济、政治、文化、科技飞速发展的需求，我国大力建设交通，特别是被誉为“新世纪腾飞之路”的高速公路建设，国家规划并正在实施“五纵七横”。正是因为我国的高速公路贯穿南北，沟通东西以及每天巨大的车流量，每一辆机动车在下坡，转弯或进入收费站时都必须刹车制动以确保安全，这样使得不可估量的机动车动能被浪费在刹车上，特别是高速公路上，机动车以高速在行驶，每次刹车所浪费的动能更是无法估量，而且机动车通过刹车制动，存在着接触性制动现象，长期使用对机动车的机械性能损伤严重，大大降低机动车的安全性能，同时增加司机对机动车保养的费用。

发明内容

基于此，有必要提供一种利用机动车发电且辅助机动车制动的基于直线电机的公路发电系统。

一种基于直线电机的公路发电系统，包括直线电机、充电电路和储能装置。其中，直线电机的定子埋设在机动车道缓冲段，作为其动子的磁铁固定于机动车底架上，装设有所述磁铁的机动车经过所述机动车道缓冲段时，定子线圈输出脉冲电流。充电电路与定子线圈相连，将所述脉冲电流转换为充电电流。储能装置，通过充电电路与电机定子线圈相连，利用所述充电电流进行充电。其中，所述机动车道缓冲段包括机动车道下坡路段、机动车道转弯路段和机动车道收费站进站路段。

进一步的，所述的公路发电系统还包括用于将所述储能装置收集到的电能转化成工频电输送给用电设备使用或输送给电网的微电网系统，所述微电网系统与所述储能装置相连。

进一步的，所述储能装置包括蓄电池和超级电容中的一种，所述的公路发电系统还包括与储能装置相连，并对储能装置进行充放电控制的控制电路。

进一步的，所述定子包括定子线圈和定子铁心。所述定子线圈埋设于路面下3~5厘米处。

进一步的，所述机动车道下坡路段的长度大于或等于50米，所述机动车转弯路段的转弯角度大于或等于60度。

进一步的，在缓坡、收费站进站路段的直道内，沿机动车行驶方向，定子铁心和定子线圈摆放的密度逐步降低。在机动车道转弯角度大于或等于60度的转弯路段，从弯道内侧向外侧方向，定子铁心和定子线圈的摆放密度逐渐降低。

进一步的，所述机动车的底架上设置有可升降支架；所述电磁铁固定于所述可升降支架上，并与机动车车载电池相连，由机动车控制系统控制。优选的，所述可升降支架在启动后立即下降至最低点，然后逐步上升。

本发明具有以下的优点和有益效果：

（1）直线电机的定子部分埋设在机动车道缓冲段中，而作为其转子的励磁电磁铁设置在机动车上，通过机动车与电机定子做相对运动发电，同时辅助机动车制动，降低机动车主动制动时浪费的能量，可实现节能减排的效果，与此同时，我国高速公路每天的车流量巨大，可利用的能量相当可观，可以缓解电能供不应求的现象；

（2）该系统利用电磁阻力实现辅助机动车制动的效果，属于非直接接触式制动，可以避免机动车车轮抱死导致的漂移现象，一方面减少对机动车的机械损伤，另一方面有效地保护高速公路，减少轮胎由于与路面静摩擦时对高速公路的破坏；

（3）该系统利用非直接接触式实现减速效果，因此可以减少刹车装置对机动车造成的机械损伤，提高机动车的安全性能；由于不会出现车轮抱死而导致机动车漂移的现象，可保障人身安全；同时还可减少用于检修机动车的费用，延长轮胎及刹车装置的使用寿命。

附图说明

图1为本发明一种基于直线电机的公路发电系统的使用状态示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明一种基于直线电机的公路发电系统进行进一步说明。

一种基于直线电机的公路发电系统，主要包括直线电机、储能装置和连接在两者间的充电电路，还包括对储能装置进行充放电控制的控制电路。直线电机的定子埋设在机动车道缓冲段，优选在车道中心且占据车道2/3的宽度，作为其动子的磁铁则固定于机动车底架上，磁铁优选为电磁铁。定子包括定子铁心和缠绕在定子铁心上的定子线圈，定子线圈埋设在路面下3至5厘米的位置，平行于路面设置。

机动车道缓冲段包括机动车道下坡路段、机动车转弯路段和机动车道收费站进站路段。当装设有磁铁的机动车经过机动车道缓冲段时，定子线圈输出脉冲电流。充电电路用于将定子线圈输出的脉冲电流转换为充电电流，用充电电流为储能装置充电。储能装置包括蓄电池和超级电容中的一种或两者的组合。本实施例中，基于直线电机的公路发电系统还包括用于将储能装置收集到的电能转化成工频电输送给用电设备使用或输送给电网的微电网系统。

根据楞次定律可知，当带磁铁的机动车和电机定子部分的定子线圈做相对运动时，会产生一个电磁阻力，此电磁阻力阻止相对运动的发生，因此产生削弱机动车牵引力和沿路面的重力分力的作用，起到一种非接触的制动效果。由于此制动过程为非接触式方式，因此不会出现车轮抱死或者机动车漂移的现象，也不会对机动车造成机械损伤，可以减少司机对机动车的保养费用及延长轮胎的使用寿命。优选的，下坡路段的长度大于或等于50米，转弯路段的转弯角度大于或等于60度，如此，在利用机动车发电的同时，不易出现影响机动车正常行驶的状况，例如过渡辅助制动的情况。

在一优选的实施例中，如图1所示，在一倾斜角度为                                                的下坡路段中，一带磁铁的机动车做下坡运动，此时需要进行机动车的制动。选取机动车为对象进行受力分析，则此时机动车受到重力、摩擦力、电磁阻力和空气阻力的作用。假设此机动车重量M为1.5吨，坡段的倾斜度为，机动车进入坡段的速度v₀为120，稳定时以速度v₁为80匀速行驶，路面的摩擦系数为，忽略空气阻力。则当机动车受力平衡时，电磁阻力

F_电磁为：F_电磁=Mgsin-uMgcos = 1105N。机动车匀速时的发电机输入的机械功率P_e为：

。

假设机动车以稳定的v₁=80行驶整个下坡路段（长度为1公里），整个过程需要的时间：

  。

那么机动车能为发电机提供的能量W_输入转换成电功单位为：

  。

再由能量守恒定律：

其中：——下坡路段的竖直落差；——斜坡的倾斜角度；；——路面的摩擦系数；——机动车在平直路段的速度（刚进入下坡路段的速度）；——机动车在下坡路段匀速行驶速度；——重力加速度，取；则整个过程动能和势能的损失值

W_损：

。

由此，可以看出，把直线电机定子埋设在公路上，利用内置脉冲充电电路将机动车经过时产生的脉冲电流对储能装置进行充电，可发电同时辅助机动车制动，回收部分损耗的能量。

本系统为了最大化回收损耗的能量，采用了以下策略：

1、定子铁心和定子线圈不均匀放置

沿着机动车的行驶方向，在下坡路段、收费站进站路段的发电区，定子铁心和定子线圈采用先密后疏的摆放方式。因为当定子线圈感应到来自机动车励磁电磁铁所带来的变化磁场时，由楞次定律可知，定子线圈会阻碍磁场的变化，即阻碍机动车的前进。因此，这样的摆放方式可以使得机动车在刚进入发电区时能有效的减速。随着机动车的前进，定子线圈摆放变得稀疏，可以使得机动车多余的能量在发电区中得到有效的利用；

在机动车道转弯角度大于或等于60度的转弯路段的发电区，弯道内侧的线圈要比弯道外侧的线圈更加密集一点，可以让汽车减速更快、转弯更平稳；

如果是在较陡的下坡路段，则采用较为密集的摆放方式。因为在下坡的过程中，机动车多余的能量还包括重力势能的损失，而且这部分的能量相当巨大，必须采用更加密集的摆放方式，才能有效地确保行驶的安全及能量的最大化利用。

    2、高度及电流可调整的励磁电磁铁

电磁铁装设在一可升降支架上，该可升降支架固定在机动车底架上。可升降支架的控制器与车载电池和机动车控制系统相连。在机动车进入发电区时，司机可通过接通电磁铁的开关，让公路发电系统开始工作，同时控制可升降支架下降，把原先贴近车底盘的电磁铁下降至距地面一个安全距离，让电机的气隙变小，提高发电效率，其中电磁铁和可升降支架与机动车蓄电池可通过不同开关相连，实现可控和由机动车控制系统控制。例如，可通过调整电磁铁下降的高度，实现调整能量转换效率，例如可升降支架在启动后立即下降至最低点，然后逐步上升，让机动车在刚进入缓冲段（发电区）时能把相当大的一部分动能差转换给电机，然后缓慢升高电磁铁，使得机动车在即将驶出发电区时减少能量的转换保持一定的速度。还可设置在遇到紧急状况（例如检测到刹车被踩到底）时，通过调整电磁铁中电流的大小及下降的高度实现在发电区中迅速辅助制动。然后，通过储能装置把公路发出的电能存储起来并送往相对应的微电网系统进行统一处理，实现把公路发出的电能转换成工频电能供用户直接使用，同时还能在高速公路上安装充电站，为新能源机动车提供充电装置，所需的电能来自通过微电网转换后提供的电能。

本系统通过采用微电网系统，可以实现公路发电系统与电力系统并网，在发电高峰期时可以把保障周边用电设施正常供电情况下多出来的电能通过并网卖给电力系统。因此在高速公路上建设有射频识别设备，能记录每一辆机动车及其经过发电区时贡献的能量，只要机动车在发电区为微电网系统输送了电能就会被记录下来，通过网络的方式，把信息发送至收费站系统中，可以通过减免一部分的高速费用鼓励及推广此技术方案。

以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (10)

1.一种基于直线电机的公路发电系统，包括：

直线电机，其定子埋设在机动车道缓冲段，作为动子的磁铁固定于机动车底架上，装设有所述磁铁的机动车经过所述机动车道缓冲段时，定子线圈输出脉冲电流；

充电电路，其与定子线圈相连，将所述脉冲电流转换为充电电流；以及

储能装置，其通过充电电路与电机定子线圈相连，利用所述充电电流进行充电；

其中，所述机动车道缓冲段包括机动车道下坡路段、机动车道转弯路段和机动车道收费站进站路段；所述机动车的底架上设置有可升降支架；所述磁铁为电磁铁，所述电磁铁固定于所述可升降支架上，并与机动车车载电池相连，由机动车控制系统控制；其特征在于，当检测到刹车被踩到底时，所述电磁铁中的电流大小及所述可升降支架的高度被调整，以实现在发电区中迅速辅助制动。

2.根据权利要求1所述的公路发电系统，其特征在于，还包括用于将所述储能装置收集到的电能转化成工频电输送给用电设备使用或输送给电网的微电网系统，所述微电网系统与所述储能装置相连。

3.根据权利要求1所述的公路发电系统，其特征在于，所述储能装置包括蓄电池和超级电容中的一种，所述的公路发电系统还包括与储能装置相连，并对储能装置进行充放电控制的控制电路。

4.根据权利要求1所述的公路发电系统，其特征在于，所述定子包括定子线圈和定子铁心。

5.根据权利要求4所述的公路发电系统，其特征在于，所述定子线圈埋设于路面下3~5厘米处。

6.根据权利要求1所述的公路发电系统，其特征在于，所述机动车道下坡路段的长度大于或等于50米，所述机动车道转弯路段的转弯角度大于或等于60度。

7.根据权利要求1所述的公路发电系统，其特征在于，在机动车道下坡路段和机动车道收费站进站路段的直道内，沿机动车行驶方向，定子铁心和定子线圈摆放的密度逐步降低。

8.根据权利要求1所述的公路发电系统，其特征在于，在机动车道转弯角度大于或等于60度的转弯路段，从弯道内侧向外侧方向，定子铁心和定子线圈的摆放密度逐渐降低。

9.一种基于权利要求1或5或7或8所述的基于直线电机的公路发电系统的机动车，所述机动车的底架上设置有可升降支架；所述磁铁固定于所述可升降支架上，并与机动车车载电池相连，由机动车控制系统控制；所述磁铁为电磁铁，其特征在于，当检测到刹车被踩到底时，所述电磁铁中的电流大小及所述可升降支架的高度被调整，以实现在发电区中迅速辅助制动。

10.根据权利要求9所述的机动车，其特征在于，所述可升降支架在启动后立即下降至最低点，然后逐步上升。