太阳能光伏风力发电高速公路防眩装置.pdf

中国科技期刊数据库 工业 A 收稿日期：2024 年 01 月 13 日 作者简介：缪文琪（2003），女，汉族，湖南长沙人，学生，研究方向为电子信息科学与技术；赵立羊（2003），男，汉族，湖南邵东人，学生，研究方向为能源与动力工程。-81-太阳能光伏风力发电高速公路防眩装置 缪文琪 赵立羊 长沙理工大学，长沙 邵东 410114 摘要：摘要：为解决高速公路防眩板重量较大且功能单一，安装后无法产生经济效益这一问题，本研究设计了一种新型防眩发电装置。该装置由伸缩架、风电机和光伏板组成，取代安装于高速公路中央分隔带中的防眩板。通过模拟仿真和数据分析，设计了逐日系统，使光伏板随太阳光调整朝向，提高光伏板转化光能的效率。利用该装置形成沿道路分布的发电阵列，在路段服务区内安装储能和充电设备，组成微电网系统，为服务区提供电能和为新能源汽车充电，促进新能源车在高速公路上的使用。关键词：关键词：新型防眩发电装置；风电机；光伏板；逐日系统 中图分类号：中图分类号：TK519 0 引言“十四五”发展规划中强调了壮大绿色环保战略性新兴产业，加快发展新能源、新材料、新能源汽车等战略性新兴产业，以推动整个经济社会的绿色低碳发展。然而，随着我国经济和交通的不断发展,高速公路建设也在持续进行。多年来的建设使得高速公路网络绵延千里，纵横交错。但是，目前高速公路上的防眩板大多采用钢铁等金属材料建造，造成了资源的不必要浪费，同时也增加了环境负担。此外，这些防眩板位于高速公路的中央隔离带中，而中央隔离带具有平坦、视野开阔和检修便利的优势，是发展新能源发电的理想位置。在高速公路不断建设、高速公路充电困难等背景下，本研究将重点关注如何降低充电成本和提高能源利用率，以推动绿色发展。1 高速公路防眩板现况 当前，我国高速公路防眩板的设计和材料选择存在一些问题，导致无法充分满足交通安全和经济效益的需求。首先，现有的防眩板材料主要是钢和铝板，虽然坚固耐用，但重量较大且功能相对单一，无法提供更多的附加价值。其次，在夜间行车中，由于高速公路防眩板间距较大，容易产生漏光现象，给驾驶员带来眩光问题，增加交通事故的风险。根据相关数据统计，我国的交通事故率相较于欧美等发达国家较高，特别是高速公路事故的发生频率更是普通公路的 8 倍。这不仅对国家的经济发展造成威胁，更危及了民众的生命安全。为解决这一问题，有必要进行高速公路防眩板的技术创新和材料改进。可以考虑采用轻质材料制造防眩板，如复合材料或塑料材料，以降低整体重量。此外，可以将防眩板设计得更加紧密，减小间距，有效防止漏光现象的发生。在设计时还可以考虑采用反射技术，使防眩板能够反射来车灯光，减轻眩光问题，提高驾驶员的视线条件。当前高速公路上，照明装置及各种测量装置和服务区的正常工作都需要地方电力的提供，此外，在我国大力发展新能源汽车的背景下，新能源汽车的充电在高速公路上较为困难。所以针对防眩板功能单一且不能产生经济效益的问题，本研究提出一种创新方案：使用带有抗反射涂层的光伏板代替现安装于高速公路中央分隔带中的防眩板，并通过小型风电机借助来往高速行驶的车辆造成的空气压差以及自然风发电驱动转向电机，同时，结合逐日系统使光伏板始终面向太阳，提高发电效率。2 光伏风力发电防眩装置总体设计 2.1 逻辑电路设计 逻辑设计：感光元件收集数据传给处理板，信息传入 STM32 芯片进行计算，通过电线传输给其他设备。并通过预先存入的阳光信息数据辅助控制光伏板逐日。电路设计：电路由阻力型风机模块、稳压电路、升压电路、光敏电阻电路、485 通信模块、锂电池充电保护电路、按键电路、STM32 最小系统板模块、显示屏模块、步进电机驱动模块组成。系统首先采用阻力型风机作为电源，通过转动风中国科技期刊数据库 工业 A-82-机产生的机械能转化为电能供电。经过二极管整流电路和电容滤波电路，将输入的交流电压转换为稳定的直流电压，这一过程使得输入的正弦电压变为直流电压，并通过 LM7805 稳压芯片将输入电压稳定至+5V，可通过观察二极管是否发光判断是否已稳压。稳压后通过太阳能充电管理电路给锂电池充电至 3.7V，再经过升压电路将电压升至+5V 给系统进行供电。整个系统将由 STM32F103C8T6 单片机控制，系统根据光敏电阻阻值的变化进行旋转追光，旋转由两个步进电机控制，可分别实现水平方向的旋转和垂直方向的旋转。通过按键可实现自动追光和手动调节太阳能板的旋转追光，整个系统的信息传递可通过 485 通信芯片传输至其他逐日系统，有关信息如太阳能板旋转角度、光敏电阻阻值变化等可通过TFT显示屏查看。2.2 双轴逐日系统、风力发电机以及太阳能光伏板设计 2.2.1 双轴逐日系统设计 双轴逐日系统是一种用于太阳能光伏板的定位系统，旨在使光伏板始终面向太阳，以提高发电效率。工作原理将从光敏传感器检测、控制系统分析、轴向运动控制和精准定位四个方面展开。具体实现的计算公式如下：地区的经纬度及实时时间，获取太阳与光电板的角度关系，计算出太阳光的方位角和初始高度角，角度的计算公式为：太阳高度角的计算如式(1)所示：cos =sin =sinAsin +cosAcos cos 公式(1)将式(1)推导，得到高度角的计算公式(2)：=arcsin(sinAsin +cosAcos cos )公式(2)式中：角 A 是当地的纬度值，角为太阳所处赤纬角，角为时角。太阳方位角的计算如式(3)所示：cos=(sinsinA-sin)/(coscosA)=arccos(sinsinA-sin)/(coscosA)公式(3)STM32F103C8T6 芯片是双轴逐日跟踪系统中电路控制板的核心芯片。它通过算法逻辑运算完成对电机脉冲控制信号和 A/D 芯片的控制。具体而言，STM32F103C8T6 芯片通过产生 2 个驱动电机的脉冲信号，使用 ULN2003 步进电机驱动核实现电平转换，获得相反的 2 路驱动信号。此外，通过控制接触器实现对电机的通断，并利用相位关系控制电机的正反转和转速。同时，通过控制脉冲信号的时间来调节电机的转角值。在双轴逐日跟踪系统中，STM32F103C8T6 芯片的功能十分重要。它负责控制电机的运行，使得光伏板能够根据太阳的位置自动调整角度，实现最大光照收集效果。通过合理设置和编程，STM32F103C8T6 芯片可以实现双轴逐日跟踪系统的精准控制，提高光伏板的能量转换效率。总之，STM32F103C8T6 芯片在双轴逐日跟踪系统中具有关键作用，通过控制电机脉冲信号和 A/D 芯片的读取，实现对光伏板角度的精确控制，提高能源利用效率。2.2.2 风力发电机设计 本研究采用垂直轴风力发电机，垂直轴风力发电机主要分为两种，一种是升力型垂直轴风机，另一种是阻力型垂直轴风机。其中垂直轴风机中典型的有 S型和杯型风机，S 型风力机风能利用系数低于高速垂直轴风力机和水平轴风力机，在风轮尺寸、质量和成本一定的情况下，风能利用率最低；但是阻力型叶片风机具有更大的启动转矩，因此适合在城市等低风速区域使用。垂直轴风力发电机还具有以下几种优点：由于垂直轴风机转子始终处于做功状态，只需要风机克服摩擦力就可捕获任意风向的能量，不需要偏航系统，此外风机主轴永远向设计方向转动，转动具有稳定性，结构简单紧凑，相对于水平轴风机结构部件更少。因此设计方向只需要面对车流方向即可，且有利于节约建设成本。另外根据空气动力学研究，当风向倾斜时，垂直轴风机扭矩和风能捕获率优于水平轴。高速公路上汽车高速行驶所产生的风向往往是变化倾斜的，因此使用阻力型垂直轴风机更适合作为该系统的风力发电机。风力发电机是由叶片、轴毂、机架、变向器等部分组成的。该发电机采用简单的制动器、离合器等组件，可以直接安装在地面上，结构简单且易于维修。叶片的总体尺寸较小，选用了易于批量加工的 ZL104铸造铝合金材料。该材料具有良好的铸造性能、低密度、耐腐蚀性、耐热性和良好的可焊性。通过热处理中国科技期刊数据库 工业 A-83-可以进一步增强材料性能，并对其表面进行抛光处理。叶片通过机架和轴毂与垂直主轴连接，形成一个完整的转动系统。为了将垂直输出转换为水平输出，发电机采用了传动比为 1 的锥齿轮传动机构作为变向器，实现转动方向的改变。这种设计使得风力发电机能够高效地将风能转化为电能。垂直轴风力发电机在工作过程中受到风载条件的限制，因此需要根据环境条件来调整其转速，以确保正常工作和稳定电能输出。为了满足这一要求，本项目设计的垂直轴小型风力发电机采用恒定扭矩输出器来控制其输入转速，以实现稳定的电能输出。这样的设计使得该风力发电机可以为逐日系统提供稳定的电源供应。所设计的垂直轴小型风力发电机具有易于实现大批量生产和成本较低的优点。因此，可以采用串联机组的方式对其进行大面积布置。通过将多个风力发电机串联在一起，可以有效地提高整个系统的风能利用效率和电能输出能力。垂直轴小型风力发电机与大部分水平轴发电机相同，由于其叶片叶尖速比通常较低，难以实现自启动，需借助外力启动才能正常运转。这里采用选择合适的叶片形状来提高自启动能力。研究发现叶片数增加时,风机最大风能转换率变化不大,但是风机的自启动能力显著提升。因此也可采用增加叶片数的方式来提高风机的自启动能力。在风速小于 6m/s 时，采用合适的外倾角或较厚的对称叶片的风机具有更好的风能捕获率。2.2.3 系统自检及远程控制系统 太阳能光伏风力发电高速公路防眩装置的系统自检及远程控制系统是该装置的重要组成部分，可实现对装置的自检功能和远程监控与控制功能。该系统具备以下特点和功能。系统自检功能能够实时监测装置的运行状态和性能。通过传感器和监测设备，可以监测太阳能光伏板和风力发电机的工作状态、光伏电池的发电效率、风力机的叶片转速等参数。通过自检功能，可以及时发现并排除可能存在的故障和问题，确保装置的正常工作。远程控制系统可以实现对装置的远程监控和远程控制。通过互联网技术，可以远程监控装置的运行情况，包括发电功率、电池电量、风力机转速等。同时，可以通过远程控制系统对装置进行远程调节和控制，如调整光伏板角度、控制风力机转速等，以最大限度地提高能源的利用效率和装置的稳定性。系统还可通过数据采集和分析，实现对装置的性能分析和优化。通过收集装置的运行数据，如发电功率、电池充放电情况、风速等，可以对装置的性能进行分析，并据此优化装置的工作参数和运行策略，以提高发电效率和系统的稳定性。系统自检及远程控制系统还具备报警和远程维护功能。当装置发生故障或异常情况时，系统能够发出报警信号，并及时向相关人员发送警报信息，以便及时采取措施进行维修和处置。同时，远程维护功能可以通过远程操作和故障诊断，减少对现场维护人员的依赖性，实现对装置的远程维护和故障处理。2.3 模型设计 每台设备的驱动电力来源为设备中部的风力发电机，风电机利用过往车辆产生气流差以及自然风发电。每套装置下端为伸缩构架，通过上下移动使风电机在1.2米左右的最佳工作区域发电，装置高度70cm110cm，长度和宽度均为 50cm，光伏板长度和宽度均为 50cm，装置在夜间或者光线不佳时自动降下光伏板，使其位于正常防眩高度进行挡光。3 创新点与主要特色 3.1 多能源利用 该装置将太阳能光伏和风力发电技术结合，实现多能源的利用。通过光伏板和小型风力发电机的联合工作，可以同时利用阳光和风力资源，提高能源的利用效率；用光伏板替换现有的防眩板，充分利用光伏板的价值，使高速公路的中央隔离区具备发电功能。3.2 绿色能源发电 该装置利用太阳能和风力发电，属于清洁能源的范畴。相比传统的防眩板，该装置在提供防眩功能的同时，也实现了绿色能源的发电，减少对传统能源的依赖，推动可持续能源发展；另外，光伏板发电后所产生的电能可以直接接入公共电网，为周边地区提供清洁可再生能源，同时可作为高速公路的自用电源，满足照明、测量等设施的电力需求。3.3 自动定位系统 运用智能逐日控制系统实现光伏板的自动调整，根据太阳光线的强弱调整光伏板的角度，以最大化能中国科技期刊数据库 工业 A-84-量的收集效率。3.4 风力发电机调速系统设计 风力发电机调速系统是控制风力发电机的转速和输出功率的关键设备。其设计需要考虑风速、转速、电网对发电机的要求等因素。一般采用闭环控制方法，通过测量发电机的转速和输出功率与目标值进行比较，并对风力发电机的输出进行调节，使其稳定在设定值附近。同时，还要考虑风力发电机的保护措施，如过速保护、电网故障保护等。此外，还需要考虑通信系统、数据采集系统等与风力发电机调速系统的配套设备。3.5 防眩功能加强 原高速公路防眩板间距大，易发生漏光现象，本研究所设计的防眩装置间距小，漏光现象少，提高了行车安全性。4 结论 本研究所设计的太阳能光伏风力发电高速公路防眩装置可在加强防眩功能的基础上利用风能和太阳能产生电能供给高速公路，响应了国家对于可持续发展和绿色新能源的号召。该装置制作材料成本低，功能全面，应用广泛，顺应了市场和行业需求，具有良好的发展前景。参考文献 1姜华平,陆春其,陈海泳.高速公路交通安全管理M.北京:人民交通出版社,2005.2刘伯明,张庆海,赵正旭.光伏发电双轴逐日跟踪系统设计与实现J.电子技术应用,2022,48(04):127-131.3朱国栋,王成龙,马军,张娜.一种高精度太阳跟踪控制装置研究J.传感技术学报,2018,31(06):830-835.4武志强,马民,路志明,刘振宇.最佳倾角的单轴逐日系统设计研究J.现代电子技术,2019,42(01):73-78.5赵慧.光伏发电系统最大功率跟踪控制方法研究D.石家庄:河北师范大学,2020.6许芬,梁雪辉,吴正旺.基于 MSP430 和 ZigBee 的跟日运动控制系统设计J.微特电机,2018,46(08):79-83.