CN106922068A - 基于铁路隧道活塞风的广告照明调节系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于铁路隧道活塞风的广告照明调节系统及方法，包括供电模块、弱电控制模块、强电电路模块和风压传感器，强电电路模块中包括广告照明设备；供电模块包括风力发电装置、交直流转换电路和蓄电池，蓄电池分别向风压传感器和弱电控制模块供电；风压传感器与弱电控制模块连接，用于将活塞风产生的风压信号转换为电信号，并传递到弱电控制模块中；弱电控制模块与强电电路模块连接，弱电控制模块根据接收到的风压传感器电信号的大小来控制强电电路模块的导通和断开。本发明利用隧道内产生的活塞风极大的减少了广告照明设备的无效供电，经实际测试发现，本发明可减少90％左右的广告照明设备供电时间，大大的节省了供电电能。

Description

基于铁路隧道活塞风的广告照明调节系统及方法

技术领域

本发明属于隧道照明技术领域，具体涉及一种基于铁路隧道活塞风的广告照明调节系统。

背景技术

随着目前经济的高速发展，对交通业的要求也越来越高。地铁列车以其载客量大、快速准点、能耗低、污染小等特点将成为城市交通运输的主力军。随着全球经济的快速发展，中国及世界交通运输业的变化日新月异。据统计，到2015年左右中国轨道交通总里程将近2700km；据估计，2020年到来的时候，中国28个城市将建成运营线路达177条，总里程约6100km；2050年左右，中国将建成290条城市轨道交通线路，总里程约11740km。地铁、轻轨车站的通风和照明等设备功率大，运行时间长，运营能耗大。以广州地铁一号线为例，投资122亿，运营3年下来，平均每年运营收入在1.8～1.9亿元人民币，但就2008年运营成本却达2.3亿元人民币。究其原因，沉重的通风照明费用是其中之一。

随着我国城市地铁的建设发展，地铁隧道内的活塞风源为风力发电技术提供了发展平台。隧道风能发电，指利用地铁列车在隧道内行驶时产生的活塞风能发电。地铁隧道封闭于地下且里程较长，是收集风能最合适的隧道系统。在理想的情况下，只要在地铁隧道壁上安装合适的风机，风能就能经过输送、蓄能、并网等环节传送到地铁站台，即可进行发电，从而解决地铁站的照明及广告牌等设备的用电问题。根据工程设计理论计算，在理论条件下隧道内活塞风可达8.88m/s，活塞风风速与列车速度成正比。理论上此风速完全满足风力发电系统对风速的要求。而根据实测数据来看，地铁隧道内风源风速值基本可以达到6～7m/s，时间持续20s，满足风力发电基本要求，如果实施可提供照明、广告牌等设备的供电。但地铁车站设备本身用电量很大，仅靠隧道风力发电无法满足需求，机车和设备的动力电依然需要常规的供电系统提供电能。

目前风能发电技术已经很成熟，但在世界范围内，还没有利用地铁隧道风能来进行发电的工程实例。地铁隧道风力发电技术需要重点进行小型、高效风机开发，地铁模拟试验，并对采集器等设备的设计、材料进行进一步研究，此方面还未成熟。同时考虑到列车活塞风受多种因素影响，即主要受到列车运行速度、空气与壁面之间的摩擦、列车会车情况、活塞风井的相对位置、配线位置等因素影响，且活塞风风速在不同情况下变化较大。且列车通过隧道或站点的时间较短，风力发电不稳定性也较大，因此用于提供广告照明设备等可能出现供电不稳定的新问题。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的在于提供一种利用隧道内产生的活塞风减少广告照明设备的无效供电时间，有效节省电能的基于铁路隧道活塞风的广告照明调节系统，同时提供一种基于铁路隧道活塞风的广告照明调节方法。

为达到上述目的，本发明提供如下技术方案：

基于铁路隧道活塞风的广告照明调节系统，包括设置在隧道内的供电模块、弱电控制模块、强电电路模块和风压传感器，强电电路模块中包括广告照明设备；

供电模块包括依次连接的风力发电装置、交直流转换电路和蓄电池，风力发电装置用于将活塞风的风能转换为交流电能，交直流转换电路用于将交流电转换为直流电并对蓄电池充电；蓄电池分别与风压传感器和弱电控制模块连接，用于向风压传感器和弱电控制模块供电；

风压传感器与弱电控制模块连接，用于将活塞风产生的风压信号转换为电信号，并将该电信号传递到弱电控制模块中；

弱电控制模块与强电电路模块连接，弱电控制模块根据接收到的风压传感器电信号的大小来控制强电电路模块的导通和断开。

本方案的工作原理是：当列车驶入隧道内安装广告照明设备的区间时，列车在隧道内运行将产生活塞风，活塞风将对周围的空气产生扰动，一方面风力发电装置将风能转换为电能，交流电再通过交直流转换电路转换为直流电，产生的直流电储存在蓄电池内，由蓄电池向风压传感器和弱电控制模块供电，另一方面，风压传感器将捕捉到的活塞风的风压信号转换为电信号，并将该电信号传递到弱电控制模块中，当弱电控制模块接收到的电信号在可用区间值时，弱电控制模块控制强电电路模块导通，强电电路模块中的广告照明设备开启，当弱电控制模块接收到的电信号小于可用区间值时，弱电控制模块控制强电电路模块断开，强电电路模块中的广告照明设备关闭。

优选的，所述弱电控制模块包括单片机(STM32最小板)、三极管和光电耦合器，风压传感器与单片机的输入端口连接，三极管与单片机的输出端口连接，光电耦合器与三极管的集电极连接，所述强电电路模块还包括交流电源和双向可控硅，双向可控硅的控制极与光电耦合器的输出端连接。在使用时，将风压传感器与单片机的输入端口连接，当风压传感器输出的电信号在单片机设定的可用区间值时，单片机的输出端口输出高电平(3.3V)，三极管导通，三极管导通使得与三极管连接的光电耦合器也导通，此时光电耦合器输出控制信号到可控硅的控制极，在交流电源的共同作用下，强电电路模块导通，广告照明设备开启，当风压传感器输出的电信号小于单片机设定的可用区间值时，单片机的输出端口输出低电平，三极管关断，使得与三极管连接的光电耦合器也关断，此时光电耦合器无控制信号输出到可控硅的控制极，在交流电源的共同作用下，强电电路模块断开，广告照明设备关闭。

优选的，所述风压传感器安装在列车车身与隧道壁面最短连线的位置。在列车车身与隧道壁面最短连线的位置由于活塞风的流道最窄，故此处活塞风的加速情况最为强烈，活塞风的流动速度也最高，将风压传感器安装在此处，有利于风压传感器对活塞风风压的采集，利于风压传感器的运行。

优选的，所述光电耦合器为TLP521-1光电耦合器。

优选的，所述单片机内设有控制弱电控制模块开启时间的计时器。由于活塞风受多种因素的影响，容易导致风力发电装置工作的不稳定性和风压传感器数据采集的不稳定性，通过设置计时器，使得广告照明设备在计时器的计时时间内维持稳定的工作。

优选的，所述风力发电装置为垂直轴风力发电机。采用垂直轴风力发电机能有效减小占用的隧道内部空间，且能有效提高风能的利用率。

一种基于铁路隧道活塞风的广告照明调节方法，设定风压传感器输出信号的可用区间，当列车驶入隧道使风压传感器输出的信号在可用区间内时，单片机输出高电平，三极管导通，从而使得光电耦合器中的发光二极管发光，光电耦合器中的三极管接收到光信号导通并给双向可控硅的控制极一个触发脉冲，交流电源在双向可控硅的第一阳极和第二阳极之间加正向电压，双向可控硅导通，广告照明设备电路接通，广告照明设备开启；

当列车离开隧道时，风压传感器捕捉到的风压减弱，风压传感器输出的信号低于可用区间值，单片机输出低电平，三极管关断，光电耦合器的三极管无输出信号到双向可控硅的控制极，交流电源在双向可控硅的第一阳极和第二阳极之间加方向电压，双向可控硅关断，广告照明设备电路断开，广告照明设备关闭。

优选的，当风压传感器输出的信号在可用区间使得单片机输出高电平时，单片机内的计时器启动，当单片机内的计时器计时结束后，弱电控制模块停止向强电电路模块提供控制信号。

本发明的有益效果在于：1、本发明当列车驶入到广告照明设备安装位置时，将风压传感器采集的活塞风的风压信号传递到弱电控制模块，利用弱电控制模块来控制强电电路模块的导通，进而实现广告照明设备的开启，当列车离开广告照明设备的安装位置时，风压传感器无法采集活塞风的风压信号，进而使得广告照明设备关闭，故本发明利用隧道内产生的活塞风极大的减少了广告照明设备的无效供电，经实际测试发现，本发明可减少90％左右的广告照明设备供电时间，大大的节省了供电电能。

2、本发明采用弱电控制强电的系统结构，实现强弱电的精准相互控制且有效利用了风力发电(发弱电)，又规避了活塞风不稳定无法产生广告照明设备可持续利用的电能(可利用强电)的问题。

3、本发明利用风压传感器及单片机内的AD转换功能，实现实时采集风压信号并实施控制手段的目的。

4、本发明活塞风风力发电产生的电能，用蓄电池存储，再给弱电控制模块和风压传感器供电，实现发电电能的零浪费。

附图说明

为了使本发明的目的、技术方案和有益效果更加清楚，本发明提供如下附图进行说明：

图1为本发明基于铁路隧道活塞风的广告照明调节系统的结构框图；

图2为本发明调节系统中弱电控制模块和强电电路模块的电路示意图。

具体实施方式

下面将结合附图，对本发明的优选实施例进行详细的描述。

如附图1所示，基于铁路隧道活塞风的广告照明调节系统，包括设置在隧道内的供电模块、弱电控制模块、强电电路模块和风压传感器，其中供电模块包括依次连接的风力发电装置、交直流转换电路和蓄电池，风力发电装置为垂直轴风力发电机，采用垂直轴风力发电机能有效减小需占用隧道内部的空间，且能有效提高风能的利用率。

列车在隧道内产生的活塞风一部分作用在风力发电装置上，风力发电装置将该部分风能转换为交流电，产生的交流电再经过交直流转换电路转换为直流电，直流电能再输入到蓄电池内向蓄电池充电，蓄电池再分别向风压传感器和弱电控制模块供电。活塞风的另一部分作用在风压传感器上，风压传感器安装在列车车身与隧道壁面最短连线的位置，在列车车身与隧道壁面最短连线的位置由于活塞风的流道最窄，故此处活塞风的加速情况最为强烈，活塞风的流动速度也最高，将风压传感器安装在此处，有利于风压传感器对活塞风风压的采集，利于风压传感器的运行，风压传感器将采集到的活塞风的风压信号将转换成电信号后输入到弱电控制模块中。

弱电控制模块中包括单片机，单片机采用STM32最小板，风压传感器与单片机的输入端口连接，单片机内预先设定好风压传感器输入电信号的可用区间值，当风压传感器输入到单片机中的电信号在该可用区间值时，单片机输出高电平，当风压传感器输入到单片机中的电信号小于该可用区间值时，单片机输出低电平。在单片机内还设有控制弱电控制模块开启时间的计时器。由于活塞风受多种因素的影响，容易导致风力发电装置工作的不稳定性和风压传感器数据采集的不稳定性，通过设置计时器，使得广告照明设备在计时器的计时时间内维持稳定的工作。

如附图2所示，弱电控制模块中还包括三极管Q1和光电耦合器U1，其中三极管Q1与单片机的输出端口连接，当单片机输出高电平时，三极管Q1导通，当单片机输出低电平时，三极管Q1关断，单片机的左端连接有电阻R1，电阻R1的左端连接三极管Q1的基极，三极管Q1的发射极接地，集电极与光电耦合器U1连接，光电耦合器U1为TLP521-1光电耦合器，光电耦合器U1的负极引脚与三极管Q1的集电极连接。

强电电路模块包括交流电源V1、广告照明设备X1和双向可控硅D7，其中双向可控硅D7的第一阳极和第二阳极分别接在交流电源V1的两端，双向可控硅D7的控制极接在光电耦合器U1的发射极引脚。

一种基于铁路隧道活塞风的广告照明调节方法，设定风压传感器输出信号的可用区间，当列车驶入隧道使风压传感器输出的信号在可用区间内时，单片机输出高电平，三极管导通，从而使得光电耦合器中的发光二极管发光，光电耦合器中的三极管接收到光信号导通并给双向可控硅的控制极一个触发脉冲，交流电源在双向可控硅的第一阳极和第二阳极之间加正向电压，双向可控硅导通，广告照明设备电路接通，广告照明设备开启。

当列车离开隧道时，风压传感器捕捉到的风压减弱，风压传感器输出的信号低于可用区间值，单片机输出低电平，三极管关断，光电耦合器的三极管无输出信号到双向可控硅的控制极，交流电源在双向可控硅的第一阳极和第二阳极之间加反向电压，双向可控硅关断，广告照明设备电路断开，广告照明设备关闭。

当风压传感器输出的信号在可用区间使得单片机输出高电平时，单片机内的计时器启动，当单片机内的计时器计时结束后，弱电控制模块停止向强电电路模块提供控制信号。

本发明当列车驶入到广告照明设备安装位置时，将风压传感器采集的活塞风的风压信号传递到弱电控制模块，利用弱电控制模块来控制强电电路模块的导通，进而实现广告照明设备的开启，当列车离开广告照明设备的安装位置时，风压传感器无法采集到活塞风的风压信号，进而使得广告照明设备关闭，故本发明利用隧道内产生的活塞风极大的减少了广告照明设备的无效供电，大大的节省了供电电能。

为了测试本发明方案的可行性，我们在成都地铁站的部分站点进行实地调研，测量地铁在部分车站之间运行的时间以及该期间内经过隧道内广告照明设备的时间，得到如下数据：

表1：成都地铁部分站点时间统计表

站点	列车运行时间	列车停靠时间	经过广告区域时间	经过广告区域时间所占比例
					人民公园——天府广场	1’17”	53.21”	13.84”	11.51％
天府广场——春熙路	1’42.08”	1’25.56”	13.80”	7.77％
					春熙路——东门大桥	113.95”	1’30.28”	10.90”	6.64％
东门大桥——牛王庙	1’17.83”	47.29”	15.45”	12.35％
					牛王庙——牛市口	1’44.67”	55.43”	14.12”	8.82％
平均	1’27.11”	1’4.35”	13.62”	9.42％

由此可见地铁经过广告的时间其实只占列车经过一站运行时间的9.42％，即广告有效使用时间只占照明常开时间的9.42％。因此，如果在地铁沿线采用新型的控制系统，可减少约90％的无效广告照明供电，能将地铁站隧道内广告照明能耗占比从60％降低在10％左右，节能效果明显。

表2：地铁站各项用能列表

在采用新型控制系统后，三级负荷中的广告照明负荷可以从原有的90kW降低至8.478kW。而考虑设备启动时的功耗，根据所查资料显示照明设备在启动时电流为正常2-6倍，则能耗为4-36倍，取能耗为正常运行时的20倍，即为1800kw，按地铁站每5分钟驶来一列地铁，地铁从早上7:00运行至23:00，则在灯光的开启上消耗掉的能量为345600kJ，其余时候灯光照明用能488332.8kJ。在原有运行系统下，广告照明设备持续开启，每天用能5184000kJ，每日节约能量4.35×10⁶kJ，即1208.5度电，节约量占原有用电量的83.9％。

截至2012年，全国共有1241座地铁站。则根据碳排放因子，全国全年可节约电量5.47×108度电。以国家统计局每度电折0.404千克标准煤，作为电力折算标准煤系数，一年总共可以节约标准煤220988吨，减少碳排放量550923吨。如果将此系统应用在高铁沿线和更多的地铁站点能够达到更为惊人的节能减排量。

表3：节能减排表

同时本系统仅需不足2000元的成本价格，且安装及维护简单、费用低廉，可以很好地实现节能并快速回收成本投资。

表4：系统成本表

综上所述，鉴于本项目系统的安装运行便利性及投资经济性，其适用范围广泛，对于隧道的各方面要求不高，考虑现代庞大的地铁、铁路隧道基数，能够达到的节能量是非常可观的。并且还可以在高铁、动车等铁路沿线上进一步推广，为其隧道内照明供电设施实行自控节能。

最后说明的是，以上优选实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管通过上述优选实施例已经对本发明进行了详细的描述，但本领域技术人员应当理解，可以在形式上和细节上对其作出各种各样的改变，而不偏离本发明权利要求书所限定的范围。

Claims (8)

1.基于铁路隧道活塞风的广告照明调节系统，其特征在于：包括设置在隧道内的供电模块、弱电控制模块、强电电路模块和风压传感器，强电电路模块中包括广告照明设备；

供电模块包括依次连接的风力发电装置、交直流转换电路和蓄电池，风力发电装置用于将活塞风的风能转换为交流电能，交直流转换电路用于将交流电转换为直流电并对蓄电池充电；蓄电池分别与风压传感器和弱电控制模块连接，用于向风压传感器和弱电控制模块供电；

风压传感器与弱电控制模块连接，用于将活塞风产生的风压信号转换为电信号，并将该电信号传递到弱电控制模块中；

弱电控制模块与强电电路模块连接，弱电控制模块根据接收到的风压传感器电信号的大小来控制强电电路模块的导通和断开。

2.根据权利要求1所述的基于铁路隧道活塞风的广告照明调节系统，其特征在于：所述弱电控制模块包括单片机、三极管和光电耦合器，风压传感器与单片机的输入端口连接，三极管与单片机的输出端口连接，光电耦合器与三极管的集电极连接，所述强电电路模块还包括交流电源和双向可控硅，双向可控硅的控制极与光电耦合器的输出端连接。

3.根据权利要求1或2所述的基于铁路隧道活塞风的广告照明调节系统，其特征在于：所述风压传感器安装在列车车身与隧道壁面最短连线的位置。

4.根据权利要求3所述的基于铁路隧道活塞风的广告照明调节系统，其特征在于：所述光电耦合器为TLP521-1光电耦合器。

5.根据权利要求4所述的基于铁路隧道活塞风的广告照明调节系统，其特征在于：所述单片机内设有控制弱电控制模块开启时间的计时器。

6.根据权利要求5所述的基于铁路隧道活塞风的广告照明调节系统，其特征在于：所述风力发电装置为垂直轴风力发电机。

7.一种基于铁路隧道活塞风的广告照明调节方法，其特征在于：设定风压传感器输出信号的可用区间，当列车驶入隧道使风压传感器输出的信号在可用区间内时，单片机输出高电平，三极管导通，从而使得光电耦合器中的发光二极管发光，光电耦合器中的三极管接收到光信号导通并给双向可控硅的控制极一个触发脉冲，交流电源在双向可控硅的第一阳极和第二阳极之间加正向电压，双向可控硅导通，广告照明设备电路接通，广告照明设备开启；

当列车离开隧道时，风压传感器捕捉到的风压减弱，风压传感器输出的信号低于可用区间值，单片机输出低电平，三极管关断，光电耦合器的三极管无输出信号到双向可控硅的控制极，交流电源在双向可控硅的第一阳极和第二阳极之间加反向电压，双向可控硅关断，广告照明设备电路断开，广告照明设备关闭。

8.根据权利要求7所述的基于铁路隧道活塞风的广告照明调节方法，其特征在于：当风压传感器输出的信号在可用区间使得单片机输出高电平时，单片机内的计时器启动，当单片机内的计时器计时结束后，弱电控制模块停止向强电电路模块提供控制信号。