CN106846852A - 一种基于风压的自供电交通灯系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种基于风压的自供电交通灯系统。包括交通灯、交通灯支撑结构和发电装置，发电装置包括若干个发电单元、支架和电能转换电路，所述发电单元包括N个压力发电片、N个受风振动片、两个共振弹簧和同振夹，所述电能转换电路包括二级并联电路和DC/DC稳压电路。在风力资源充足的地方，基于本发明设计的系统可以替代传统交通灯系统，利用自然风力产生电能供交通灯使用，无须为交通灯架设供电线路，不仅可以节约电能，而且提高了交通灯供电的可靠性。

Description

一种基于风压的自供电交通灯系统
技术领域
本发明涉及交通灯领域，特别涉及一种基于风压的自供电交通灯系统。
背景技术
随着城镇交通的日渐发展，交通灯的数量也日益增多。传统的交通灯供电系统须专门为交通灯架设供电线路，利用电网电能为交通灯供电。如果交通灯供电线路发生故障，可能导致该处的交通灯全部停电，影响交通秩序，引发交通事故。提高交通灯供电系统的可靠性、以及减少传统交通灯的能耗具有很大的经济效益和社会效益。
风力发电是当今世界增长最快的可再生能源，许多国家把发展风力发电作为改善能源结构、减少环境污染和保护生态环境的一种有力措施，纳入国家发展规划。近年来，德国、美国、英国、丹麦等国家在风能的开发利用方面已取得了惊人的成就，20世纪80年代问世的现代并网型风力发电机组，到90年代中期已形成了一个规模庞大的风力机产业。我国风电自从1986年山东荣成第一个风电场建设至今，经过20多年的发展建设，取得了可喜的成绩。
本发明提出一种利用风能使压力发电片振动产生电能并持续供电给交通灯的系统。在风力资源充足的地方，基于本发明设计的系统可以替代传统交通灯系统，利用自然风力产生电能供交通灯使用，无须为交通灯架设供电线路，不仅可以节约电能，而且提高了交通灯供电的可靠性。
发明内容
本发明的目的是提供一种基于风压的自供电交通灯系统，利用自然风力产生电能并持续供交通灯使用，而无须为交通灯架设供电线路，可节约能源同时提高交通灯供电的可靠性。
为实现上述目的，本发明提供了如下方案：
一种基于风压的自供电交通灯系统，包括交通灯、交通灯支撑结构和发电装置，交通灯支撑结构用于支撑交通灯和发电装置，发电装置包括若干个发电单元、支架和电能转换电路，发电单元包括N个压力发电片、N个受风振动片、两个共振弹簧和同振夹；电能转换电路包括二级并联电路和DC/DC稳压电路。
可选的，压力发电片的一端固定在支架上，另一端为自由端，每组压力发电片的自由端被一个刚性的同振夹夹住，每个压力发电片的自由端还连有一个受风振动片；两个共振弹簧分别安装在发电单元的两侧，所述共振弹簧一端固定在所述支架上，另一端固定在所述同振夹上。
可选的，受风振动片的末端设有质量块。
可选的，发电单元的各压力发电片通过铜导线焊接形成并联，实现电流的一级汇集。
可选的，发电单元的各压力发电片经直接并联实现电流的一级汇集后，接入二级并联电路，所述二级并联电路集成了全波桥式整流器和降压型转换器，实现本发电单元内电流的二级汇集，输出稳压直流电；所述一级汇集是发电单元内各发电片电流的汇集，所述二级汇集是几个发电单元电流的汇集。
可选的，DC/DC稳压电路，包括一个非同步开关稳压器，非同步开关稳压器采用电流脉宽调制模式调节输出电压。
可选的，包括储能元件，发电装置输出的电能可以直接给交通灯供电，也可以存储到储能元件中，由储能元件给交通灯供电。
可选的，所述发电单元的数量为五组至三十组。
可选的，发电单元的压力发电片数量N随系统大小不同而不同，一般为五片至三十片。
可选的，同一发电单元的各压力发电片为相同的规格和型号，由压电薄膜材料附着于不锈钢板组成。
根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：
本发明的交通灯系统无须为交通灯架设供电线路，也无须为交通灯支付电费。各交通灯独立供电，一处发生故障时不会导致其他交通灯发生停电事故，提高交通灯供电的可靠性。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明一种基于风压的自供电交通灯系统的发电单元结构示意图；
图2为本发明一种基于风压的自供电交通灯系统的发电装置结构示意图；
图3为本发明一种基于风压的自供电交通灯系统的压力发电片组的二级并联结构及DC/DC稳压电路；
图4为本发明一种基于风压的自供电交通灯系统的压电悬臂梁的结构示意图；
图中：1-支架；2-发电单元；3-共振弹簧；4-铜导线；5-压力发电片；6-同振夹；7-受风振动片。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明的目的是提供一种基于风压的自供电交通灯系统，利用自然风力产生电能并持续供交通灯使用，而无须为交通灯架设供电线路，可节约能源同时提高交通灯供电的可靠性。
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
实施例1：
如图1、图2所示，为本发明的一种实施例的结构，一种基于风压的自供电交通灯系统，包括交通灯、交通灯支撑结构和发电装置，交通灯支撑结构用于支撑交通灯和发电装置，发电装置包括若干个发电单元2、支架1和电能转换电路，发电单元2包括N个压力发电片5、N个受风振动片7、两个共振弹簧3和同振夹6；电能转换电路包括二级并联电路和DC/DC稳压电路。本发明主要是利用压力发电片5振动时产生电能的原理，使压力发电片5在风力作用下产生电能供交通灯使用。单片压力发电片5产生的电能很小，需要将众多的压力发电片产生的电能汇集起来，并通过电能转换电路输入储能元件中，也可直接作为交通灯等小功耗负载的供电电源。
压力发电片5的一端固定在所述支架1上，另一端为自由端，在风力作用下，压力发电片5的自由端会产生振动，由压电效应在压力发电片5两侧产生电流输出。每组压力发电片5的自由端被一个刚性的同振夹6夹住，同振夹6可使一组压力发电片5同时振动。为了更好地接受风力作用，每个压力发电片5的自由端还连有一个受风振动片7，受风振动片7在风力作用下使得压力发电片5的自由端在振动时达到最大的形变量，提高其输出功率。两个共振弹簧3分别安装在发电单元2的两侧，共振弹簧3一端固定在所述支架1上，另一端固定在同振夹6上，共振弹簧3使压力发电片5的自由端在最大形变量范围以内，有效避免压力发电片5损坏。
为了降低谐振频率，在受风振动片7的末端还可以加设质量块，使每组压力发电片5在风力作用下更容易产生谐振，实现最大电能输出。
单片压力发电片输出的电压一般可达10多伏，基本满足交通灯(LED灯)及其控制系统对电源电压的要求，但输出电流只有毫安级，远不能满足要求。因此，关键是要实现多片压力发电片的并联联接，以汇集多片压力发电片的电流，从而满足交通灯(LED灯)及其控制系统对电源的要求。
在使用相同规格、型号的压力发电片的前提下，前述一组压力发电片同时振动，各压力发电片产生的电压基本相同。考虑到压力发电片内阻较大，可将同时振动的一组压力发电片直接并联联接，即一级并联，实现多片压力发电片电流的一级汇集，形成较大的输出电流。
发电单元2的各压力发电片5之间通过铜导线4焊接直接并联后，接入二级并联电路，二级并联电路包括一个集成芯片，集成芯片集成了低损耗、全波桥式整流器和高效率降压型转换器，实现本发电单元内电流的二级汇集，输出稳压直流电；所述一级汇集是发电单元内各发电片电流的汇集，所述二级汇集是几个发电单元电流的汇集。如图3所示，集成芯片可以是LTC3588，在2.7V至20V的输入电压范围内工作，非常适用于不同规格的压力发电片以及其它高输出阻抗电源。
一组压力发电片输出功率仍不高，大概只有几百毫瓦至几瓦，还不能满足交通灯供电的需要(大概需要几十瓦至几百瓦的功率)。为了汇集更大的电流以满足交通灯供电的需要，可在前述同一组内多片压力发电片电流一级汇集基础上，经电源芯片将若干组压力发电片并联联接，实现压力发电片组电流的二级汇集，再经电能变换电路输出能满足交通灯供电需要的电能。二级并联电路将经压力发电片组一级汇集后输出的电能转换成3.3V直流稳压输出。
如图3所示，DC/DC稳压电路，包括一个单片非同步开关稳压器，稳压器可以是TPS55330。该稳压器集成了一个5A、24V电源开关，TPS55330使用电流模式PWM(脉宽调制)控制来调节输出电压。PWM的开关频率由一个外部电阻器设定或者同步至一个外部时钟信号。开关频率可以在100kHz至1.2MHz之间设定，例如开关频率设定为600kHz，此时TPS55330输出电压为＝12V。进行电流汇集的压力发电片组数不限，可为几组至几十组。电路输出功率可达几十瓦至几百瓦，能满足交通灯供电需要。
系统还可以包括储能元件，所述发电装置输出的电能可以直接给交通灯供电，也可以存储到储能元件中，由储能元件给交通灯供电。
发电单元2的数量不限，可为几组至几十组，一般为五组至三十组
发电单元2的压力发电片5数量N随系统大小不同而不同，一般为五片至三十片。
同一发电单元的各压力发电片5为相同的规格和型号，由压电薄膜材料附着于不锈钢板组成。如图4所示，压力发电片5的支撑结构类似于压电悬臂梁结构。压电薄膜材料(如PZT-5)附着于不锈钢底板上，形成压力发电片5。压力发电片5一端固定，另一端自由。在风力作用下，压力发电片5自由端会产生振动，由压电效应在压力发电片5两侧产生电流输出。不锈钢底板起增强压力发电片5弹性的作用。
本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (10)

1.一种基于风压的自供电交通灯系统，其特征在于，包括交通灯、交通灯支撑结构和发电装置，所述交通灯支撑结构用于支撑交通灯和发电装置，所述发电装置包括若干个发电单元、支架和电能转换电路，所述发电单元包括N个压力发电片、N个受风振动片、两个共振弹簧和同振夹；所述电能转换电路包括二级并联电路和DC/DC稳压电路。
2.根据权利要求1所述的一种基于风压的自供电交通灯系统，其特征在于，所述压力发电片的一端固定在所述支架上，另一端为自由端，每组压力发电片的自由端被一个刚性的同振夹夹住，所述每个压力发电片的自由端还连有一个受风振动片；所述两个共振弹簧分别安装在发电单元的两侧，所述共振弹簧一端固定在所述支架上，另一端固定在所述同振夹上。
3.根据权利要求2所述的一种基于风压的自供电交通灯系统，其特征在于，所述受风振动片的末端还可以设有质量块。
4.根据权利要求1所述的一种基于风压的自供电交通灯系统，其特征在于，所述发电单元的各压力发电片通过铜导线焊接形成并联，实现电流的一级汇集。
5.根据权利要求4所述的一种基于风压的自供电交通灯系统，其特征在于，所述发电单元的各压力发电片直接并联实现电流的一级汇集后，接入二级并联电路，所述二级并联电路集成了全波桥式整流器和降压型转换器，实现发电单元电流的二级汇集，输出稳压直流电；所述一级汇集是发电单元内各发电片电流的汇集，所述二级汇集是几个发电单元电流的汇集。
6.根据权利要求1所述的一种基于风压的自供电交通灯系统，其特征在于，所述DC/DC稳压电路，包括一个非同步开关稳压器，所述非同步开关稳压器采用电流脉宽调制模式调节输出电压。
7.根据权利要求1所述的一种基于风压的自供电交通灯系统，其特征在于，还包括储能元件，所述发电装置输出的电能可以直接给交通灯供电，也可以存储到储能元件中，由储能元件给交通灯供电。
8.根据权利要求1所述的一种基于风压的自供电交通灯系统，其特征在于，所述发电单元的数量为五组至三十组。
9.根据权利要求1所述的一种基于风压的自供电交通灯系统，其特征在于，所述发电单元的压力发电片数量N随系统大小不同而不同，为五片至三十片。
10.根据权利要求1所述的一种基于风压的自供电交通灯系统，其特征在于，所述同一发电单元的各压力发电片为相同的规格和型号，由压电薄膜材料附着于不锈钢板组成。
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