基于中国东北地区气候资源特征的风光化雪装置设计

刘诗宇 刘园

摘要：目前我国东北地区普遍采用的人工清雪和机械清雪有着劳动强度大、工作效率低的缺点，清理不及时，大大增加了车辆以及路人的出行风险。结合东北地区特有的气候资源条件，设计一款能够及时有效清除路面积雪的自动化雪装置具有及其重要的意义。研究了东北地区的气候特征，决定融合该地区丰富的太阳能和风能进行供电，设计专用的冰层厚度和积雪深度传感器，自动检测雨雪状况，反馈系统开启或关闭进行化雪，并研制出样品模型，为相关产品的创新开发提供思路和参考。

关键词：工业设计 路面化雪装置 可持续设计 风光互补发电系统

引言

我国东北地区的冬季冰雪覆盖期长，积雪厚度大且不易清理，未融化的积雪经车辆碾压或行人踩踏后会形成冰冻层，冻结的残雪、融水在低温下容易形成坚实的冰层，导致附着系数大大降低，使得汽车行驶和行人前进的时候出现失稳的现象。因此，能够实时且有效地清除路面上的冰雪对提高道路安全性和减少经济损失具有及其重大的意义。传统的化雪方法为清除法和融化法。机械清除在雪层厚度较薄时可以使用机械吹雪，而当雪已压成冰，与路面紧密接触时，机械铲雪不仅不会将冰雪除净，还会对路面产生一些破坏。人工清除劳动量大，效率低，还会对正常的交通产生一定的影响。化学融化法则是利用融雪剂降低冰雪的熔点，容易对公共设施以及路面产生损害、破坏环境。热融化法则是使冰雪受热融化成水，清洁无污染，不过效率较低，面临能源问题。另一种研究方向是发热电缆以及路面改造，目前主要用于采暖保温，用于户外道路较少；路面改造需要对现有路面进行破除和重建，成本相对较高，而且路面改造正处于材料研究阶段，暂时不能推广应用。相比于化雪达到的效果，清雪对于环境、能源的影响更为重要。东北地区风力足，太阳光辐射量大，这一自然属性正可用于化雪装置的设计，增加清洁能源的使用，有利于我国社会经济的可持续发展，同时在保护环境的方面也起到了重要的作用。從经济、社会、环境等各个方面的因素进行综合考虑，从可持续发展设计和绿色设计的角度出发，提出—种将物理热熔化雪与风光互补系统相结合的化雪融冰创新设计方案。做到时降时清，更契合于高效率、低成本，低污染的综合要求。

一、热力化雪装置的国内外研究现状

1970年，Schnurr和Rogers研究了通过路面加热来实现的融雪化冰系统，并得到了融雪所需的温度与埋管深度、间距及其直径等因素之间的关系。Hopstock，美国明尼苏达大学的教授，在2005年提出可以高微波的吸收效率的方法，即在沥青路面中添加铁燧岩，并可以借此提高微波除冰的效率。Jack Monson在美国联邦公路局实施的战略研究计划中，深入研究了微波除冰技术，微波除冰车雏形也在此时一并设计诞生。北方交通大学的关明慧对于利用微波加热来清除道路冰雪这一技术进行了研究，并绘制出了微波除冰机原理图；大连理工大学的陈光对红外线化雪加热系统进行了研究，同时匡用数值摸拟了加热系统的融冰效果；西南科技大学的李丹，对钢纤维石墨导电混凝土这—方法分别进行了实验室除冰研究和野外除冰的研究，得到了温度和消耗功率的实验结果。

二、主要设计思路及内容

此装置主要是将物理热熔化雪与风光互补系统相结合，与路灯电网连接，以风能和太阳能发电为主，通过温度传感器和雪量检测器实时监测环境温度和降雪量，在温度和降雪量达到一定数值时自动开启，对路灯周围积雪进行加热消融，达到除雪的目的。基本思路则是类比风光互补路灯的供电原理，充分利用东北地区的气候资源特征，冬季晴天日头足，辐射量大，阴天和夜间风速高且力度猛。将其产生或储存的电量供给装置进行物理加热，以达到融雪的目的。

在分析了其原理的基础上，构建模型模拟研究其温度场所，进而对风光互补化雪这一装置的不合理之处进行优化和改进，提高其工作性能并使之合理化。

研究内容：

（1）调查分析东北地区冬天的天气状况和路面积雪情况，细化在除雪过程中的问题

（2）搜集相关资料，对类似装置进行分析，了解现有相似装置的使用状况和存在问题并加以分析

（3）分析设计，草图绘制，细化方案

（4）研究风能和太阳能发电的技术原理，以及风光互补系统的运作方式，以及供电给发热装置的工作原理、放置方式等

（6）制作简易装置和模型，样机造型设计和研究

（7）绘制最终图纸和三维建模

（8）样机制造和试用

三、风光化雪装置的基本组成及工作原理

（一）风光化雪装置的组成（如图1）

（二）风光化雪装置加热部分组成（如图2）

（三）风光化雪装置的工作原理

该装置设有可翻转式发热叶片，将嵌入式发热片作为热源，可向外界散射热辐射。同时结合采用风光互补系统为加热装置进行供电，该装置使用风能和太阳能混合发电系统供电，由温度传感器和雪量监测装置对环境变化进行数据处理并转换为数字信号传递给电子控制系统，通过电子控制系统对信号进行处理，控制机械装置运转，从而控制发热叶片的开启和闭合，对路面积雪进行加热融化，实现装置的自动化控制。该化雪装置耗能少，污染小，热交换快，即时性强，能完成车行道周边以及人行道等环境的冰雪清除工作。其工作原理（如图3）所示。

四、风光化雪装置工作的理论基础

（一）风光互补系统

风光互补系统实质上是一种能量转换装置，可以将风能和光能转化为电能。由于风能和太阳能具有很强的互补性，风光互补系统保证了这两种自然资源的平衡性和稳定性。根据用电器的用电负荷情况和资源条件可以对系统容量进行合理配置，避免了二者在独立系统中的间断不平衡。该系统也是一套供电系统，且为独立分散式系统，基本不依赖市电，应用范围不受限，节能环保。总体结构（如图4）所示。

（二）风光互补系统的国内外研究及应用

N.E.Busch与KT Ilenbach同为丹麦的科学家，在1981年，两人对于混合利用风能和光能这一方式进行了研究。风光互补系统最开始只是把风机和光伏阵列板进行了基本组合。根据概原理，前苏联的N.Aksarni等人对太阳能一风能潜力的数值进行了估算并加以统计，风光互补发电系统在数据上得到了强有力的支持，为接下来的研究提供了科学依据；在此之前，美国C.I.Aspliden也对太阳能一风能混合转换系统进行了气象学的研究；随后我国的余华扬等人在1982年提出太阳能一风能发电机的能量转换装置，自此，有关于风光互补发电系统的研究进入实际利用阶段。

近年来，对于风光互补系统的优化设计和合理配置的研究—直是各国所致力集中攻克的。Rajesh Karki等在加拿大Saskatchewan大学对独立小型风光发电系统进行了研究，验证了其可靠性，同时计算出了成本，并提出了降低发电成本和提高系统可靠性的重要途径，即根据负载和风光资源条件合理配置发电系统，同时指出风光互补系统扩容的可行性。国内的香港理工大学和中科院广州能源所、半导体研究所共同提出了利用CAD进行风光互补系统优化设计。同时，华南理工大学通过权值调节方式实现太阳能逆变器最优功率传输，同时设计了新型无刷双馈发电机（如图4）。

在21世纪的发展计划中，国务院在决策上指明了方向，确定下了发展风能太阳能等自然资源的战略这也使得现阶段风光互补技术在我国得到了初步应用，尤其是在道路和景观照明方面最为广泛。风光互补技术不单单在照明上得以使用，在报警电话和信号道路标志等方面也同样可以加以应用；当然还有一些活动会场，博览会场以及一些场外照明或景观点缀；海上导航系统，海上的辅助电源，电网的建设在成本上降低了，能源的损耗也相对减少；灾难来临的时候也可以用做通信、辅助供电给应急指示灯。

风光互补系统的国内外研究以及国内对于该系统的应用不仅提供了理论层面的支持，同时也在政策和战略方面提供了保障。

（三）风光互补发电充放电系统原理（如图5）

整个系统由风力发电机、光伏阵列、检测电路、能量调节电路、蓄电池充放电路、单片机控制电路等部分构成。光伏阵列主要实现了将光能转换为电能；风力发电机则把风能转换为电能i对能量调节的控制通过Q2、Q3两个MOSFET管的开关来完成；蓄电池的智能充放电通过单片机及其外围检测电路来完成。

光能经过太阳能电池板直接转换为直流电，由Q3完成蓄电池的充电过程，通过三相桥式整流将风力发电机产生的电能转换为直流电，经由Q2完成蓄电池的充电过程。太阳能电池板和风机产生的电量可由Q2、Q3的断开和接通进行控制，Q2、Q3由单片机发出的PWM波触发。通过A/D转换，蓄电池的充电电流和电压经相关传感器检测传送给单片机，随后，依据相关参数以及控制流程，单片机控制蓄电池的充放电过程。当蓄电池电压充满或风机电压过高时通过Q1进行卸荷，以免蓄电池过充影响其他设备安全。

五、风光互补发电系统的设备选型

风光互补发电系统主要由风力发电机、光伏组件、控制器、蓄电池、卸荷器、负载等组成：风力发电机将风能转换成三相交流电能，整流后对蓄电池充电；太阳能电池板完成光能和电能的转换，通过防反充二极管隔离来完成蓄电池的充电过程。

风力发电机：

由国家气象站的测量数据，近年来东北地区在冬季，每天有风的平均时间为14h，平均风速为8.1m/5。

光伏组件：

风力发电机发电不足部分由太阳能发电补充，系统所需光伏组峰值功率由以下公式计算：

Pm=Ws/（Km·Ht）

式中：Pm为光伏阵列的最大功率；ws为负载日均所需电能；我国东北地区大部分属于三类太阳能资源地区，所以每天能够接受阳光照射的平均时长取7.1 h；Km是与各部件的效率以及环境温度等因素有关的系数，取0.9。

蓄电池：

式中：Q为蓄电池的计算容量；I为放电时最大负荷电流； T为放电小时数，考虑最长连续阴雨天数为4天，每天用电4h，取48h；n为蓄电池容量系数，取1；t为最低平均温度，取-20℃。

将有关数据代入通过计算得到有效结果，所选取装置中的各部件名称及参数如表1-1，1-2。

结论

针对东北地区冬季出行所面临的主要问题，对现有的化雪融冰方法进行了调查，分析利弊，归纳求新，通过实地调研，从东北地区气候的气候特点展开，以其自然资源优势为基础，并结合了可持续设计与绿色设计的环境友好设计理念，提出了一种新型的风光化雪装置设计。风光互补系统供电方式的研究为该设计方案的实施提供了理论依据，同时给出了概念设计图，并进行了相关设计。

本论文的研究过程中对于装置整体系统的电路设计和计算方面解释并不充分，由于学科领域不同，只是初步拟定了理想条件下所选用的装置部件及其主要参数，验证了概念设计的可行性，制作出样品模型，完善了概念设计为本项研究从理论分析向实际操作实验做好了准备。在实验室中可模拟与外界环境有着能量交换的开放系统，进一步進行对该模型的检测、试用和反馈等工作，通过实物模型进一步完善该装置的各方面设计同时也为相关领域的创新设计提供参考。