本實(shí)用新型屬于新能源系統(tǒng)，尤其涉及一種城市道路發(fā)電與車流預(yù)測(cè)綜合系統(tǒng)。

背景技術(shù)：

隨著社會(huì)的發(fā)展，人們的環(huán)保意識(shí)日益增強(qiáng)，開發(fā)與應(yīng)用清潔、環(huán)保、可靠、廉價(jià)的新能源已成為當(dāng)今世界新的研究熱點(diǎn)。根據(jù)相關(guān)統(tǒng)計(jì)，全球汽車保有量突破十億輛，中國超越日本排名世界第二位，約為1.19億輛，這是相當(dāng)可觀的數(shù)字，汽車數(shù)量的增加不僅消耗大量能源，而且還可能引發(fā)交通堵塞，給人民生活帶來諸多不便。

但是，汽車在帶來城市問題的同時(shí)，也蘊(yùn)含著大量可利用的熱量。截至2015年底，中國公路通車總里程達(dá)到457萬公里，其中瀝青混凝土路面占了相當(dāng)大的比重，而路面會(huì)從行車荷載和重力做功中獲得應(yīng)變能和動(dòng)能，這部分能量巨大且具有良好的可回收性。

因此，考慮在瀝青路面內(nèi)加入壓電材料，通過汽車行駛時(shí)的壓電效應(yīng)將機(jī)械振動(dòng)能轉(zhuǎn)換為綠色電能。道路壓電發(fā)電裝置是一種收集耗散能源轉(zhuǎn)換為工作能源的新型能量收集系統(tǒng)，當(dāng)壓電材料受到機(jī)械外力作用發(fā)生形變時(shí)，壓電材料兩端會(huì)出現(xiàn)異號(hào)電荷，即產(chǎn)生電能，這可以在很大程度上解決城市路燈、紅綠燈用電問題，且在未來電動(dòng)汽車用電方面也有很大潛力，與此同時(shí)，隨著新工藝的發(fā)展和使用，壓電材料的綜合性得到了不斷的提高，尤其是聚偏氟乙烯已經(jīng)廣泛應(yīng)用于機(jī)場(chǎng)、發(fā)電站、高速公路、高層建筑等方面，理論上，植入瀝青的壓電晶體-聚偏氟乙烯至少可使用30年。

為了將道路發(fā)電產(chǎn)生的電能進(jìn)行利用，本實(shí)用新型設(shè)計(jì)了蓄電池組A進(jìn)行存儲(chǔ)，同時(shí)，為了保證城市供電量的需求，將光伏發(fā)電系統(tǒng)的發(fā)電量貯存在蓄電池組B中，兩者產(chǎn)生的電力一起供給城市路燈、紅綠燈。

此外，研究表明，當(dāng)汽車在路上行駛發(fā)生壓電效應(yīng)產(chǎn)生電流時(shí)，電流的大小跟汽車的重量成正比，并考慮到城市車輛重量差別不大，因此，本實(shí)用新型設(shè)計(jì)了電能回收裝置，對(duì)產(chǎn)生的電流大小進(jìn)行統(tǒng)計(jì)以確定車流量大小；并且，當(dāng)車速較慢的時(shí)候，產(chǎn)生電量的速度就會(huì)較慢，從而電流示數(shù)就較小，可作為交通堵塞情況的判斷標(biāo)準(zhǔn)。

本實(shí)用新型還考慮了基于發(fā)光二極管的計(jì)數(shù)裝置，車輛從壓電材料上面經(jīng)過的時(shí)候，會(huì)使壓電材料發(fā)生形變，內(nèi)部產(chǎn)生極化現(xiàn)象，同時(shí)在它的兩個(gè)相對(duì)表面上出現(xiàn)正負(fù)相反的電荷；當(dāng)外力去掉后，壓電材料又會(huì)恢復(fù)到不帶電的狀態(tài)。這樣，當(dāng)車輛通過壓電材料時(shí)便產(chǎn)生交流電，使得發(fā)光二極管發(fā)光，從而計(jì)數(shù)一次，進(jìn)而統(tǒng)計(jì)車流量大小，并與電能回收裝置確定的車流量進(jìn)行綜合判斷。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

針對(duì)上述存在的問題和現(xiàn)象，本實(shí)用新型提供一種城市道路發(fā)電與車流預(yù)測(cè)綜合系統(tǒng)，旨在合理利用清潔的可再生能源，提高太陽能電池板的光電轉(zhuǎn)換效率。

為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本實(shí)用新型采取的技術(shù)方案為：

一種城市道路發(fā)電與車流預(yù)測(cè)綜合系統(tǒng)，包括：

壓電材料：其配置為通過汽車行駛時(shí)的壓電效應(yīng)將機(jī)械振動(dòng)能轉(zhuǎn)換為電能；

瀝青路面：其配置為給壓電材料的植入提供場(chǎng)所；

計(jì)數(shù)裝置：其配置為準(zhǔn)確地統(tǒng)計(jì)紅綠燈一定距離內(nèi)的車流量；

電能回收裝置：其配置為回收道路發(fā)電系統(tǒng)產(chǎn)生的電能；

蓄電池A：其配置為儲(chǔ)存道路發(fā)電系統(tǒng)產(chǎn)生的電能；

太陽能電池方陣：其配置為在有光照時(shí)通過光生伏特效應(yīng)將光能轉(zhuǎn)換為電能；

蓄電池B：其配置為貯存光伏發(fā)電系統(tǒng)產(chǎn)生的電能；

充放電控制器：其配置為自動(dòng)防止蓄電池過充電和過放電；

路燈：其配置為使用發(fā)電系統(tǒng)產(chǎn)生的電能為城市提供照明；

紅綠燈：其配置為使用發(fā)電系統(tǒng)產(chǎn)生的電能進(jìn)行交通信號(hào)指示；

上述的一種城市道路發(fā)電與車流預(yù)測(cè)綜合系統(tǒng)，其中，所述的壓電材料選用聚偏氟乙烯。

上述的一種城市道路發(fā)電與車流預(yù)測(cè)綜合系統(tǒng)，其中，所述的計(jì)數(shù)裝置選用發(fā)光二極管的計(jì)數(shù)芯片。

上述的一種城市道路發(fā)電與車流預(yù)測(cè)綜合系統(tǒng)，其中，所述的計(jì)數(shù)裝置用來統(tǒng)計(jì)車流量大小，并與電能回收裝置回收的電能大小綜合判斷車流量和堵塞情況。

上述的一種城市道路發(fā)電與車流預(yù)測(cè)綜合系統(tǒng)，其中，所述的充放電控制器自動(dòng)防止蓄電池的過充電和過放電。

上述技術(shù)方案具有如下優(yōu)點(diǎn)或者有益效果：

1、利用壓電效應(yīng)在車輛行駛過程中發(fā)電，將浪費(fèi)掉的汽車振動(dòng)機(jī)械能高效地轉(zhuǎn)換為綠色電能，據(jù)估計(jì)，1公里路面能產(chǎn)生約100-400KW的電力，由該系統(tǒng)產(chǎn)生的電力價(jià)格能降到每度0.2元-0.7元，這非常接近目前的民用電價(jià)，甚至還更低，而且由此帶來的減碳效應(yīng)不可估量?？梢?，該技術(shù)方案不但具有廣闊的應(yīng)用前景和社會(huì)效益，還順應(yīng)低碳經(jīng)濟(jì)、節(jié)能環(huán)保的時(shí)代發(fā)展主題。

2、車輛在行駛過程中將大量的熱能耗散在瀝青路面內(nèi)，本方案可以減少熱能耗散給路面結(jié)構(gòu)帶來的損傷，延長(zhǎng)路面的使用壽命。

3、在道路發(fā)電裝置上設(shè)計(jì)了計(jì)數(shù)裝置、電能回收裝置，根據(jù)模型分析車流量大小和堵塞情況，提高車輛通行效率，減少汽車尾氣排放，有助于實(shí)現(xiàn)城市能源與交通的智慧式管理和運(yùn)行。

4、本實(shí)用新型將道路發(fā)電系統(tǒng)與光伏發(fā)電系統(tǒng)結(jié)合，將產(chǎn)生的電量進(jìn)行存儲(chǔ)并應(yīng)用到紅綠燈、路燈照明，使發(fā)電量有所保證，滿足日常供電需求。

5、系統(tǒng)可拓展性強(qiáng)，該技術(shù)模塊可以應(yīng)用到城市公路、鐵路、港口出入口、停車場(chǎng)出入口等車流量較大的場(chǎng)所，在未來的城市電動(dòng)汽車充電樁方面也具有樂觀的應(yīng)用前景。

附圖說明

通過閱讀參考以下的附圖對(duì)非限制性實(shí)施例所作的詳細(xì)描述，本實(shí)用新型及其特征、外形和優(yōu)點(diǎn)將會(huì)變得更加明顯。在全部附圖中相同的標(biāo)記指示相同的部分。并未刻意按照比例繪制附圖，重點(diǎn)在于示出本實(shí)用新型的主旨。

圖1.系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

圖2.系統(tǒng)流程圖

圖3.正壓電效應(yīng)示意圖

圖4.道路發(fā)電收集系統(tǒng)原理圖

圖5.發(fā)光二極管計(jì)數(shù)原理圖

圖中各標(biāo)號(hào)含義如下：1-太陽能電池方陣；2-充放電控制器；3-蓄電池B；4-紅綠燈；5-路燈；6-瀝青路面；7-壓電材料；8-蓄電池A；9-電能回收裝置；10-計(jì)數(shù)裝置；

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖和具體實(shí)施例對(duì)本實(shí)用新型作進(jìn)一步的說明，但是不作為本實(shí)用新型的限定。

如圖1所示，本系統(tǒng)包括：1-太陽能電池方陣、2-充放電控制器、3-蓄電池B、4-紅綠燈、5-路燈、6-瀝青路面、7-壓電材料、8-蓄電池A、9-電能回收裝置、10-計(jì)數(shù)裝置。6瀝青路面中植入7壓電材料，汽車行駛時(shí)通過壓電效應(yīng)產(chǎn)生電能并儲(chǔ)存在8蓄電池A中，車流量雙控裝置中安裝9電能回收裝置、10計(jì)數(shù)裝置，通過建立模型，綜合分析城市道路實(shí)時(shí)車流量；1太陽能電池方陣吸收光能后兩端出現(xiàn)異號(hào)電荷的積累，在光生伏特效應(yīng)作用下，太陽能電池兩端產(chǎn)生電動(dòng)勢(shì)，將光能轉(zhuǎn)換為電能并儲(chǔ)存在3蓄電池組B中；并且，通過2充放電控制器的保護(hù)作用使8蓄電池A和3蓄電池B中的電能一起為4紅綠燈、5路燈供電。

下面結(jié)合圖2介紹系統(tǒng)的流程。

如圖2所示，系統(tǒng)主要由壓電材料發(fā)電系統(tǒng)和光伏系統(tǒng)組成，兩個(gè)系統(tǒng)的發(fā)電量分別儲(chǔ)存在各自的電能儲(chǔ)存系統(tǒng)中進(jìn)行城市路燈、紅綠燈供電；此外，通過計(jì)數(shù)次數(shù)、收集的電流大小一起確定車流量大小，并根據(jù)電流變化的幅度確定交通擁堵狀況，從而更好地優(yōu)化紅綠燈時(shí)間，使道路更為通暢。

下面結(jié)合圖3介紹壓電材料的正壓電效應(yīng)。

正壓電效應(yīng)指具有壓電性的晶體對(duì)稱性較低，當(dāng)受到機(jī)械外力作用發(fā)生形變時(shí)，晶胞中正負(fù)離子的相對(duì)位移使正負(fù)電荷中心不再重合，導(dǎo)致晶體發(fā)生宏觀極化，而晶體表面電荷面密度等于極化強(qiáng)度在表面法向上的投影，所以壓電材料受壓力作用形變時(shí)兩端面會(huì)出現(xiàn)異號(hào)電荷，如圖3所示，從而可以產(chǎn)生電能。

下面結(jié)合圖4介紹道路發(fā)電收集系統(tǒng)。

如圖4所示，當(dāng)車輛壓在壓電材料上面的時(shí)候，壓電材料產(chǎn)生形變，會(huì)產(chǎn)生一次電流；當(dāng)車輛離開的時(shí)候，壓電材料恢復(fù)原狀，又產(chǎn)生一次反向電流，這樣，產(chǎn)生的電能經(jīng)過二極管之后便通過蓄電池進(jìn)行這部分能量的儲(chǔ)存。

下面結(jié)合圖5介紹計(jì)數(shù)原理。

如圖5所示，電壓通過變壓器T1得到12v的電壓后經(jīng)過四個(gè)二極管得到正向電流，k1斷開時(shí)，計(jì)數(shù)器關(guān)閉；k1接通，計(jì)數(shù)器工作，k2斷開時(shí)，每通過一次電流，便可+1計(jì)數(shù)，k2接通，-1計(jì)數(shù)，；k3斷開，0-9后自動(dòng)清零，k3接通，不自動(dòng)清零。

現(xiàn)以北京市1公里瀝青路面、設(shè)置一個(gè)交通信號(hào)燈為例，計(jì)算相關(guān)數(shù)據(jù)，論證發(fā)電裝置及調(diào)控紅綠燈時(shí)間的可行性。

白天路面產(chǎn)生的電能為300kW，夜里路面產(chǎn)生的電能為100kW，白天、夜晚各取12小時(shí)。

取電源耗電系數(shù)1.15，路燈對(duì)稱布置，1公里共66個(gè)，路燈功率250W，工作10小時(shí)。

選用峰值功率為250W的太陽能電池組件1000塊，組件尺寸為1650*992mm，每個(gè)成本為620元，北京當(dāng)?shù)厮教栞椛淞繛?440MJ·m^-2，系統(tǒng)效率按80％計(jì)算，組件轉(zhuǎn)換效率為0.154，系統(tǒng)綜合效率為0.28。

交通信號(hào)燈功率60W，1公里布置一個(gè)。

每公里路面改造成本為4000000元，每年人員維護(hù)成本為200000元。

采用12V、100Ah的蓄電池，且蓄電池每日一換，每公里需要蓄電池9116個(gè)，每個(gè)蓄電池520元。

北京市每度電為0.48元。

白天路面產(chǎn)生的電能：Wb＝300kW*12*3600s＝12960000kJ。

夜里路面產(chǎn)生的電能：Wy＝100kW*12*3600s＝4320000kJ。

路燈電源耗電Wd＝1.15*66*250w*10*3600s*0.001＝683100kJ。

太陽能電池板每天的發(fā)電量：Wg＝1.65*0.992*1000*5440*0.28*0.154*0.8≈3100000kJ。

交通信號(hào)燈每天的使用電量：Wh＝60w*24*3600s*0.001＝5184kJ。

系統(tǒng)每天每公里的結(jié)余電量：Wy＝Wb+Wy+Wg-Wd-Wh≈19690000kJ≈5469kWh。

太陽能光伏組件成本：620*1000＝620000元。

蓄電池成本：9116*520＝4740320元。

每公里成本總共：62000+4000000+200000+4740320＝9560320元。

每天的發(fā)電量：Wa＝Wb+Wy+Wg＝20380000kJ≈5611kWh。

每年的發(fā)電收益：5611*365*0.48＝983047元。

回收成本年限：983047/106288＝9.25年。

本專利具有一定的可行性。

本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)該理解，本領(lǐng)域技術(shù)人員結(jié)合現(xiàn)有技術(shù)以及上述實(shí)施例可以實(shí)現(xiàn)所述變化例，在此不予贅述。這樣的變化例并不影響本實(shí)用新型的實(shí)質(zhì)內(nèi)容，在此不予贅述。

以上對(duì)本實(shí)用新型的較佳實(shí)施例進(jìn)行了描述。需要理解的是，本實(shí)用新型并不局限于上述特定實(shí)施方式，其中未盡詳細(xì)描述的設(shè)備和結(jié)構(gòu)應(yīng)該理解為用本領(lǐng)域中的普通方式予以實(shí)施；任何熟悉本領(lǐng)域的技術(shù)人員，在不脫離本實(shí)用新型技術(shù)方案作出許多可能的變動(dòng)和修飾，或修改為等同變化的等效實(shí)施例，這并不影響本實(shí)用新型的實(shí)質(zhì)內(nèi)容。因此，凡是未脫離本實(shí)用新型技術(shù)方案的內(nèi)容，依據(jù)本實(shí)用新型的技術(shù)實(shí)質(zhì)對(duì)以上實(shí)施例所做的任何簡(jiǎn)單修改、等同變化及修飾，均仍屬于本實(shí)用新型技術(shù)方案保護(hù)的范圍內(nèi)。