CN107886181A - 一种城市道路发电与车流预测综合系统 - Google Patents

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吉鸿斌
仲凯
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Abstract

本发明提出一种城市道路发电与车流预测综合系统，属于新能源系统领域。该系统主要包括道路压电和光伏发电两个系统。道路压电系统：在沥青路面中植入压电材料，汽车行驶时通过压电效应产生电能并储存在蓄电池A中，车流量双控装置中安装计数装置、电能回收装置，通过建立模型，综合分析城市道路实时车流量；光伏发电系统：太阳能电池方阵吸收光能后两端出现异号电荷的积累，在光生伏特效应作用下，太阳能电池两端产生电动势，将光能转换为电能并储存在蓄电池组B中；并且，通过充放电控制器的保护作用使蓄电池A和蓄电池B中的电能一起为城市路灯、红绿灯供电。本发明旨在提高系统发电量，保证城市用电需求，又能实时监控城市车流量，避免或缓解交通拥堵，减少污染气体排放，更好的实现城市能源与交通的智慧式管理和运行。

Description

一种城市道路发电与车流预测综合系统
技术领域
本发明属于新能源系统，尤其涉及一种城市道路发电与车流预测综合系统。
背景技术
随着社会的发展，人们的环保意识日益增强，开发与应用清洁、环保、可靠、廉价的新能源已成为当今世界新的研究热点。根据相关统计，全球汽车保有量突破十亿辆，中国超越日本排名世界第二位，约为1.19亿辆，这是相当可观的数字，汽车数量的增加不仅消耗大量能源，而且还可能引发交通堵塞，给人民生活带来诸多不便。
但是，汽车在带来城市问题的同时，也蕴含着大量可利用的热量。截至2015年底，中国公路通车总里程达到457万公里，其中沥青混凝土路面占了相当大的比重，而路面会从行车荷载和重力做功中获得应变能和动能，这部分能量巨大且具有良好的可回收性。
因此，考虑在沥青路面内加入压电材料，通过汽车行驶时的压电效应将机械振动能转换为绿色电能。道路压电发电装置是一种收集耗散能源转换为工作能源的新型能量收集系统，当压电材料受到机械外力作用发生形变时，压电材料两端会出现异号电荷，即产生电能，这可以在很大程度上解决城市路灯、红绿灯用电问题，且在未来电动汽车用电方面也有很大潜力，与此同时，随着新工艺的发展和使用，压电材料的综合性得到了不断的提高，尤其是聚偏氟乙烯已经广泛应用于机场、发电站、高速公路、高层建筑等方面，理论上，植入沥青的压电晶体-聚偏氟乙烯至少可使用30年。
为了将道路发电产生的电能进行利用，本发明设计了蓄电池组A进行存储，同时，为了保证城市供电量的需求，将光伏发电系统的发电量贮存在蓄电池组B中，两者产生的电力一起供给城市路灯、红绿灯。
此外，研究表明，当汽车在路上行驶发生压电效应产生电流时，电流的大小跟汽车的重量成正比，并考虑到城市车辆重量差别不大，因此，本发明设计了电能回收装置，对产生的电流大小进行统计以确定车流量大小；并且，当车速较慢的时候，产生电量的速度就会较慢，从而电流示数就较小，可作为交通堵塞情况的判断标准。
本发明还考虑了基于发光二极管的计数装置，车辆从压电材料上面经过的时候，会使压电材料发生形变，内部产生极化现象，同时在它的两个相对表面上出现正负相反的电荷；当外力去掉后，压电材料又会恢复到不带电的状态。这样，当车辆通过压电材料时便产生交流电，使得发光二极管发光，从而计数一次，进而统计车流量大小，并与电能回收装置确定的车流量进行综合判断。
发明内容
针对上述存在的问题和现象，本发明提供一种城市道路发电与车流预测综合系统，旨在合理利用清洁的可再生能源，提高太阳能电池板的光电转换效率。
为了实现上述目的，本发明采取的技术方案为：
一种城市道路发电与车流预测综合系统，包括：
压电材料：其配置为通过汽车行驶时的压电效应将机械振动能转换为电能；
沥青路面：其配置为给压电材料的植入提供场所；
计数装置：其配置为准确地统计红绿灯一定距离内的车流量；
电能回收装置：其配置为回收道路发电系统产生的电能；
蓄电池A：其配置为储存道路发电系统产生的电能；
太阳能电池方阵：其配置为在有光照时通过光生伏特效应将光能转换为电能；
蓄电池B：其配置为贮存光伏发电系统产生的电能；
充放电控制器：其配置为自动防止蓄电池过充电和过放电；
路灯：其配置为使用发电系统产生的电能为城市提供照明；
红绿灯：其配置为使用发电系统产生的电能进行交通信号指示；
上述的一种城市道路发电与车流预测综合系统，其中，所述的压电材料选用聚偏氟乙烯。
上述的一种城市道路发电与车流预测综合系统，其中，所述的计数装置选用发光二极管的计数芯片。
上述的一种城市道路发电与车流预测综合系统，其中，所述的计数装置用来统计车流量大小，并与电能回收装置回收的电能大小综合判断车流量和堵塞情况。
上述的一种城市道路发电与车流预测综合系统，其中，所述的充放电控制器自动防止蓄电池的过充电和过放电。
上述技术方案具有如下优点或者有益效果：
1、利用压电效应在车辆行驶过程中发电，将浪费掉的汽车振动机械能高效地转换为绿色电能，据估计，1公里路面能产生约100-400KW的电力，由该系统产生的电力价格能降到每度0.2元-0.7元，这非常接近目前的民用电价，甚至还更低，而且由此带来的减碳效应不可估量。可见，该技术方案不但具有广阔的应用前景和社会效益，还顺应低碳经济、节能环保的时代发展主题。
2、车辆在行驶过程中将大量的热能耗散在沥青路面内，本方案可以减少热能耗散给路面结构带来的损伤，延长路面的使用寿命。
3、在道路发电装置上设计了计数装置、电能回收装置，根据模型分析车流量大小和堵塞情况，提高车辆通行效率，减少汽车尾气排放，有助于实现城市能源与交通的智慧式管理和运行。
4、本发明将道路发电系统与光伏发电系统结合，将产生的电量进行存储并应用到红绿灯、路灯照明，使发电量有所保证，满足日常供电需求。
5、系统可拓展性强，该技术模块可以应用到城市公路、铁路、港口出入口、停车场出入口等车流量较大的场所，在未来的城市电动汽车充电桩方面也具有乐观的应用前景。
附图说明
通过阅读参考以下的附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明及其特征、外形和优点将会变得更加明显。在全部附图中相同的标记指示相同的部分。并未刻意按照比例绘制附图，重点在于示出本发明的主旨。
图1.系统结构示意图
图2.系统流程图
图3.正压电效应示意图
图4.道路发电收集系统原理图
图5.发光二极管计数原理图
图中各标号含义如下：1-太阳能电池方阵；2-充放电控制器；3-蓄电池B；4-红绿灯；5-路灯；6-沥青路面；7-压电材料；8-蓄电池A；9-电能回收装置；10-计数装置；
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步的说明，但是不作为本发明的限定。
如图1所示，本系统包括：1-太阳能电池方阵、2-充放电控制器、3-蓄电池B、4-红绿灯、5-路灯、6-沥青路面、7-压电材料、8-蓄电池A、9-电能回收装置、10-计数装置。6沥青路面中植入7压电材料，汽车行驶时通过压电效应产生电能并储存在8蓄电池A中，车流量双控装置中安装9电能回收装置、10计数装置，通过建立模型，综合分析城市道路实时车流量；1太阳能电池方阵吸收光能后两端出现异号电荷的积累，在光生伏特效应作用下，太阳能电池两端产生电动势，将光能转换为电能并储存在3蓄电池组B中；并且，通过2充放电控制器的保护作用使8蓄电池A和3蓄电池B中的电能一起为4红绿灯、5路灯供电。
下面结合图2介绍系统的流程。
如图2所示，系统主要由压电材料发电系统和光伏系统组成，两个系统的发电量分别储存在各自的电能储存系统中进行城市路灯、红绿灯供电；此外，通过计数次数、收集的电流大小一起确定车流量大小，并根据电流变化的幅度确定交通拥堵状况，从而更好地优化红绿灯时间，使道路更为通畅。
下面结合图3介绍压电材料的正压电效应。
正压电效应指具有压电性的晶体对称性较低，当受到机械外力作用发生形变时，晶胞中正负离子的相对位移使正负电荷中心不再重合，导致晶体发生宏观极化，而晶体表面电荷面密度等于极化强度在表面法向上的投影，所以压电材料受压力作用形变时两端面会出现异号电荷，如图3所示，从而可以产生电能。
下面结合图4介绍道路发电收集系统。
如图4所示，当车辆压在压电材料上面的时候，压电材料产生形变，会产生一次电流；当车辆离开的时候，压电材料恢复原状，又产生一次反向电流，这样，产生的电能经过二极管之后便通过蓄电池进行这部分能量的储存。
下面结合图5介绍计数原理。
如图5所示，电压通过变压器T1得到12v的电压后经过四个二极管得到正向电流，k1断开时，计数器关闭；k1接通，计数器工作，k2断开时，每通过一次电流，便可+1计数，k2接通，-1计数，；k3断开，0-9后自动清零，k3接通，不自动清零。
现以北京市1公里沥青路面、设置一个交通信号灯为例，计算相关数据，论证发电装置及调控红绿灯时间的可行性。
白天路面产生的电能为300kW，夜里路面产生的电能为100kW，白天、夜晚各取12小时。
取电源耗电系数1.15，路灯对称布置，1公里共66个，路灯功率250W，工作10小时。
选用峰值功率为250W的太阳能电池组件1000块，组件尺寸为1650*992mm，每个成本为620元，北京当地水平太阳辐射量为5440 MJ·m-2，系统效率按80％计算，组件转换效率为0.154，系统综合效率为0.28。
交通信号灯功率60W，1公里布置一个。
每公里路面改造成本为4000000元，每年人员维护成本为200000元。
采用12V、100Ah的蓄电池，且蓄电池每日一换，每公里需要蓄电池9116个，每个蓄电池520元。
北京市每度电为0.48元。
白天路面产生的电能：Wb＝300kW*12*3600s＝12960000kJ。
夜里路面产生的电能：Wy＝100kW*12*3600s＝4320000kJ。
路灯电源耗电Wd＝1.15*66*250w*10*3600s*0.001＝683100kJ。
太阳能电池板每天的发电量：Wg＝1.65*0.992*1000*5440*0.28*0.154*0.8≈3100000kJ。
交通信号灯每天的使用电量：Wh＝60w*24*3600s*0.001＝5184kJ。
系统每天每公里的结余电量：Wy＝Wb+Wy+Wg-Wd-Wh≈19690000kJ≈5469kWh。
太阳能光伏组件成本：620*1000＝620000元。
蓄电池成本：9116*520＝4740320元。
每公里成本总共：62000+4000000+200000+4740320＝9560320元。
每天的发电量：Wa＝Wb+Wy+Wg＝20380000kJ≈5611kWh。
每年的发电收益：5611*365*0.48＝983047元。
回收成本年限：983047/106288＝9.25年。
本专利具有一定的可行性。
本领域技术人员应该理解，本领域技术人员结合现有技术以及上述实施例可以实现所述变化例，在此不予赘述。这样的变化例并不影响本发明的实质内容，在此不予赘述。
以上对本发明的较佳实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，其中未尽详细描述的设备和结构应该理解为用本领域中的普通方式予以实施；任何熟悉本领域的技术人员，在不脱离本发明技术方案作出许多可能的变动和修饰，或修改为等同变化的等效实施例，这并不影响本发明的实质内容。因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所做的任何简单修改、等同变化及修饰，均仍属于本发明技术方案保护的范围内。

Claims (4)

1.一种城市道路发电与车流预测综合系统，其特征在于：由道路压电和光伏发电两个系统组成；
所述的道路压电系统由压电材料、沥青路面、计数装置、电能回收装置、蓄电池A、充放电控制器、红绿灯组成，路面中植入压电材料，汽车行驶时通过压电效应产生电能并储存在蓄电池A中，根据安装的计数装置和电能回收装置建立模型，从而获得实时车流量；所述的光伏发电系统由太阳能电池方阵、蓄电池B、充放电控制器、红绿灯、路灯组成，太阳能电池方阵吸收光能后两端出现异号电荷的积累，在光生伏特效应作用下，太阳能电池两端产生电动势，将光能转换为电能并储存在蓄电池组B中；并且，通过充放电控制器的保护作用使蓄电池A和蓄电池B中的电能一起为路灯、红绿灯供电。
2.如权利要求1所述的一种城市道路发电与车流预测综合系统，其特征在于，所述的压电材料为聚偏氟乙烯。
3.如权利要求1所述的一种城市道路发电与车流预测综合系统，其特征在于，所述的车流量是通过计数装置统计的，并与电能回收装置回收的电能大小综合判断车流量和堵塞情况。
4.如权利要求1所述的一种城市道路发电与车流预测综合系统，其特征在于，所述的计数装置采用发光二极管的计数芯片来实现计数。
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