多能源自发电式智能道闸系统设计

童乐成 付涛 周艳 刘光辉

摘要：本设计为一套多能源自发电式智能道闸系统，该系统采用压力发电、机械能发电、太阳能发电获取系统所需电能。多能源发电储存在蓄电池中，给智能道闸系统提供电能。经测算，该系统投入使用后，三种发电方式产生的电能完全满足系统运行需求，且系统将不再依赖传统的电网能源，最终实现自发电、自供电，故该系统具有巨大的潜在市场、良好的经济效益和节能减排效果。

关键词：压力发电;机械能发电;太阳能发电;节能减排

1 系統设计背景及意义

随着汽车数量的日益剧增，全国各地对道闸的需求量也越来越大，而大量的道闸系统所消耗的电能也是相当巨大的。本系统充分利用车辆通过道闸时自身的重力，带动敷设在道路中的压力发电装置和机械装置产生电能，再辅以太阳能发电装置，多能源发电系统产生的电能储存在蓄电池中，最终将不再依赖传统的电网能源，该系统通过测算可实现自供电。当有车辆驶入或驶出时，检测装置通过STC89C51启动车辆识别装置，识别通过后，启动道闸电机，同时进行语音播报。本作品只需增设单片机控制系统、压力发电、机械发电和小型太阳能电池板等装置，成本低且回收成本周期短，具有较好的经济效益和良好的推广使用价值。

系统电能来源广泛，发电过程中无污染，节能环保。从清洁能源产生过程中进行开发利用，降低资源消耗，实现节能减排。

2 设计方案

2.1系统总体方案

该系统由发电系统、储能系统和控制系统三部分组成，系统总体方案如图1所示。

发电系统：发电部分的电能获取形式有3种，分别为压力发电、太阳能发电、机械能发电。

储能系统：储能系统主要为蓄电池组，压力发电、太阳能发电、机械能发电所产生的电能将储存在蓄电池组中，分别给道闸电机、照明、传感器、摄像头、语音播报系统、单片机等设备供电。

控制系统：控制系统的核心部件为单片机，被控对象为传感器、车辆识别摄像头、语音播报器、照明灯、道闸电机等部分组成。

多能源发电系统产生的电能储存在蓄电池中，当有车辆驶入或驶出时，检测装置通过STC89C51启动车辆识别装置，识别通过后，启动道闸电机同行，同时进行语音播报，系统3D视图如图2所示。

3 理论设计计算

3.1压电装置产生的电能计算

系统选用PZT-5X型压电陶瓷[1]，对PZT电学输出进行推导和验证：

式中：UE-单个PZT每小时在路面收集的能量;A-PZT的表面积;d33-压电应变常数;g33-压电电压常数;t-PZT的厚度;T3-PZT顶端应力。

取车辆平均重力15000N/辆，其计算过程如下：

本设计中共采用64片PZT-5X压电陶瓷，每天压电发电时间以平均3.5h/天计算。

一天的总发电量：Q=35437.5×64×3.5=7938000J=2.2KW·h

3.2太阳能装置产生的电能计算

系统采用P60-260型太阳能电池板，面积为1平方米，取10小时有效的正常光照时间计算，1平方米的该太阳能电池板每小时能产生0.26kW·h的电能。所以一天的总发电量：

Q=260×1×3600×10=9.36×10J=2.6KW·h

3.3机械能装置产生的电能计算

系统采用机械曲柄发电装置，蓄能器并联个数为8为，取每个凸棱的高度h=10cm，以普通车辆为例，平均质量取1500kg，汽车轧过每个凸棱时产生的能量E约为：

则一辆汽车每轧过一个凸棱所产生的初始能量E=750J。

考虑机械曲柄发电装置能量损耗为α，每次车辆轧过一个凸棱，用于发电的能量为E1，能量损耗为E2，

则有：

故一辆车经过一个凸棱产生的能量E=637.5J;损耗的能量E=112.5J;那么道闸处8凸棱一次至少可产生的有效的能量为E=5100J;

假设该道闸平均每天通过的车辆数为500辆，则每天转换的有效的机械能为：

E′=500×E=2550kJ

选取7.5r/s的发电机，发电机功率为0.25KW，则每秒钟产能250J;求得每天发电小时数约h=2.8h，所以一天的总发电量：

Q=0.25×2.8=0.7kW·h

故该系统一天的总发电量为：

2.4道闸系统的能耗计算

道闸系统的耗能部分有：单片机控制模块，传感器模块，LCD显示模块，识别摄像模块，语音播报装置，LED照明设备，闸杆脱扣电磁阀。其耗能参数如下表1所示：

取单片机控制模块，LED显示模块和识别摄像模块的工作时间以每天24小时计算;传感器模块，语音播报装置和闸杆起落控制电机的工作时间以每天3.5小时计算;LED照明设备的工作时间以每天12小时计算。

该系统一天的总能耗为：

通过综合计算，系统所产生的电能完全能够满足道闸系统运行的需求。

4 经济效益分析

道闸系统总耗电量为2.9KW·h/天，平均电费按0.62元/KW·h，每年电费约656元，与系统搭建成本对比，约2年可收回成本。

目前电力70%来源于火力发电，一度电耗煤量约是400g标准煤，则单个道闸一年可减少燃煤423kg。按照中等城市的道闸数量为4000个计算，则1年可节约电量4.234×10kW·h，减少使用标准煤1693.6吨。

5 结语

系统通过压力发电、机械能发电和太阳能发电，3种洁净能源获取电能供给道闸系统，可实现自发电、自供电。达到减少对电网电能的消耗，降低碳排放的目的，从而减少环境污染。可应用于商场，小区，检查站，收费站，加油站等地，除了能带来较好的经济效益外，对减少碳排放量，具有良好的促进作用。

参考文献

[1]郭晓莹，李茂军，李琛.一种基于压电片的能量转换装置及其优化设计[J].压电与声光，2018，40（02）：300-303.

[2]李涛.光伏发电技术与机械的结合[J].世界有色金属，2020（05）：238+241.

作者简介：

童乐成（2000-），男，汉族，浙江宁波人，新疆工程学院本科在读，研究方向为电气工程及其自动化。

通讯作者：

付涛（1985-），男，汉族，河南息县人，硕士，副教授，研究方向为电气工程。

周艳（1986-），女，汉族，河南息县人，新疆大学MBA在读，工程师，研究方向为网络与通信传输及融媒体技术。

项目基金：2021年国家级大学生创新创业训练计划项目（202110994003）。