关于新式节能环保型路口警示灯的研究

【摘要】为了克服普通路口警示灯的太阳能电池板无法在夜间和阴雨天为蓄电池充电的问题以及普通蓄电池寿命短的缺点，特研制出一种利用温差发电技术和轴向风力发电技术的新型路口警示灯，该警示灯利用风能和太阳能的互补来实现警示灯的稳定工作，可分别利用风能和太阳能两种可再生能源驱动发电机工作，产生的两种电源经整流和稳压后给超级电容电池充电，供LED警示灯工作。

【关键词】警示灯;风力发电;温差发电;超级电容电池

新型路口警示灯外观新颖、安装简单、工作可靠、警示效果突出，并且对环境无污染，使用寿命长，维护使用方便。该警示灯能利用风能驱动顶部轴向风力发电机工作，利用太阳能集热板驱动温差发电机工作，利用超级电容电池储存电能，不但经济环保，而且具有显著的节能减排的效果。

1.新型路口警示灯研制背景

现有的路口警示灯一般采用太阳能电池板和铅酸蓄电池为警示灯的工作提供能源。但是太阳能电池板的发电量往往因为材料成本、工作环境、老化程度等因素影响不能始终保持给铅酸蓄电池提供足够的充电能量，特别是夜间和阴雨天太阳能无法为蓄电池充电，容易造成蓄电池放电过度，从而造成铅酸蓄电池的使用寿命和储电能力快速降低，导致警示灯的运行不够稳定。经过实地调查发现，新安装的警示灯通常在1～2两年后就会出现蓄电池失效的情况。

为了解决以上问题，新型路口警示灯采用了两种供电模式，一种是体积小、寿命长，工作时无噪声并且无须维护的温差发电机供电，另一种是转速低、噪音小、效率高、不受风向变化影响的微型垂直轴风力发电机供电。

目前，市场上能买到的外形尺寸为40×40×4MM温差发电机在发电组件两面保持摄氏60摄氏度的温差时，输出功率可达到10W左右（电压：3.5V，电流：3A）;外形尺寸为D30*H30CM的圆柱形微型垂直轴风力发电机，在风速为10m/s～20m/s 之间时功率能达到10W～50W，可以保证警示灯的正常工作需求和对超级电容电池的充电需求，而普通路口警示灯所用的外形尺寸为20×40CM的太阳能电池板最多只能提供10W的功率。

2.新型路口警示灯的设计思路

新型路口警示灯由底座、立杆、微型垂直轴风力发电机、温差发电机、电源板、超级电容电池、LED警示灯等构件组成。通过底座可以把警示灯固定于路面上，底座上的立杆用来支撑警示牌、风力发电机、温差发电机和太阳能集热板。

警示灯的最上端为太阳能集热板，集热板上方罩着透明玻璃保温外壳，中间开孔安装LED灯珠，下方与温差发电机的吸热面连接（根据需要可安装40×40×4MM温差发电机5～10片，接触面需涂抹导热硅脂），未安装温差发电机的位置铺设4MM厚的隔热层。温差发电机的散热面与散热底盘连接（接触面需涂抹导热硅脂），电源输出线和顶部LED电源线通过中空的风力发电机定子轴管与风力发电机的电源输出线一起引至指示牌箱体内，连接到电源控制板上。指示牌箱体上的LED闪光器电源线和蓄电池的电源线则在箱体内直接与电源控制板连接，另外还可根据需要在箱体上安装光线感应器，光线感应器可以感知光线变化，通过电源控制板来控制警示灯的开关。

3.新型路口警示灯的工作原理和参数配置

3.1 温差发电机的工作原理和功率匹配

不同的金属导体（或半导体）具有不同的自由电子密度（或载流子密度），当两种不同的金属导体相互接触时，在接触面上的电子就会由高浓度向低浓度扩散。而电子的扩散速率与接触区的温度成正比，所以只要维持两金属间的温差，就能使电子持续扩散，在两块金属的另两个端点形成稳定的电压。这种现象称为塞贝克效应。根据塞贝克效，将一个P型温差电元件和一个N型温差电元件在热端用金属导体电极连接起来，在其冷端分别连接冷端电极，就构成一个温差电单体。在温差电单体开路端接入负载RL，如果温差电单体的热面吸收热量，那么温差电单体热极和冷极之间就会建立温差，就会有电流流经负载RL，负载上将会得到一定的电功率，从而实现了由热能到电能的直接转换。为保持电流的持续输出，热极和冷极之间就必须始终保持一定的温差，这就需要不断地对热极供热，从冷极排热。

用半导体材料制成的温差电单体经过一定的工艺加工成片状结构（简称发电片），然后根据需要进行适当的串并联后，就可以输出符合超级电容电池充电要求的电压和电流，得到我们想要功率的温差发电机。 通常一片外形尺寸为40×40×4MM温差发电片在60℃温差下可以产生3V左右的电压和3A的电流，功率达到10W，因此我们如果想让温差发电机为工作电压为直流12V，功率为60W的设备供电，我们就最少需要8块功率为10W的温差发电片，其中每4片发电片串连成一个回路，形成2个串连回路，然后把这2个串连回路并接起来，就可形成一台输出电压为直流12V，功率为60W的温差发电机。

温差发电机的工作稳定状态取决于两极的温差稳定情况，温差过小则发电功率不足，温差过大则会损坏发电机，所以持续稳定的热源对温差发电机至关重要。以太阳能為热源的温差发电机就存在供热不稳定的情况，不能独立为设备供电，于是同位素温差发电机（又称核电池）应运而生，不仅可以做到体积小、功率大且输出稳定，而且使用寿命非常长。

前苏联从1960年代末开始研究制造放射性同位素温差电机，该类型发电机以Sr90为热源，可稳定提供7～30V，80W的输出，平均使用寿命大于10年。而美国国家航空和宇航局也先后在多艘宇宙飞船上使用以各种放射性同位素为热源的温差发电装置。其中旅行者1号飞船上的所有电能均由热电转换模块提供，该电力系统已安全运行了33多年。虽然同位素温差发电机性能优良，但是因为价格昂贵，目前还无法达到民用标准，所以新型路口警示灯任然采用价格便宜的太阳能集热板为温差发电机提供热源。

3.2 微型垂直轴风力发电机的工作原理和功率匹配

垂直轴风力发电机是采用空气动力学原理，采用由轮毂固定在一起的垂直叶片组形成的风轮作为接受风力的单元，利用风力吹动风轮旋转，带动稀土永磁发电机进行旋转发电。风力发电机因风量不稳定，故其输出的是13～25V变化的交流电，须经控制器的整流和稳压后才能对超级电容蓄电池充电。由于垂直轴风力发电机的抗风能力强，发电功率上升速度快，在低风速运转时的发电量也较大，非常适合在沿海及山区多风地带使用。

风力发电系统的功率是由蓄电池功率决定的，风力发电机的功率只对电池充电速度有影响，所以我们选择风力发电机时要首先考虑电池组功率和用电设备功率的匹配，然后再根据当地的风力情况选择合适的风力发电机功率。风力发电机功率的大小不仅取决于机头功率的大小，而且与风量的大小密切相关。在沿海地区，小的风力发电机会比大的更合适。因为它更容易被因海陆温差而形成的持续微风带动而发电，所以新型路口警示灯选用100W风力垂轴发电机。

3.3 超级电容电池性能分析和容量选定

超级电容电池又叫黄金电容、法拉电容，它通过极化电解质来储能，属于双层电容的一种。由于其储能的过程并不发生化学反应，因此这种储能过程是可逆的，所以超级电容器可以反复充放电几万次以上。目前性能最好的高能镍碳超级电容电池采用新型固体功能材料制作，具有超高容量和耐压值。用于小功率设备供电上具备以下技术优势：

（1）充电速度快：由于不存在电能转化化学能的化学反应，充电10几分钟可达其额定容量的95%以上;

（2）循环使用寿命长，没有“记忆效应”，预计深度充放电循环使用次数可达5万次以上;

（3）功率密度高，可达2.0度/kg以上，相当于普通电池的数十倍;

（4）电池生产所用的原材料均是廉价的绿色环保金属，生产、使用、储存以及拆解过程均没有污染;

（5）充放电线路简单，安全系数高，适合长期免维护使用;

（6）工作环境温度范围宽，在-40℃～+70℃之间均能正常充放电。

正是因为超级电容电池具备以上优点，非常适合在工作环境恶劣、充放电频率高、负载功率小的新型路口警示灯上应用。所以才被选做警示灯的储能装置。按照警示燈10W左右的功率计算，我们选用2组128W（3.2V 40AH）的超级电容电池即可满足警示灯48小时的工作需求（采用点亮1秒后再熄灭1秒的秒闪方式工作）。

3.4 新型路口警示灯的系统图和工作原理

4.系统图

5.工作原理

当可再生能源风能和太阳能任何一种具备发电条件时，垂轴风力发电机或太阳能温差发电机即开始工作，产生电能。风力电经过整流与温差电分别经稳压模块调压至同一电压后接入充放电控制模块。充放电控制模块分配部分电源到输出控制模块供LED使用，分配另一部分电源对超级电容电池进行充电。当风能和太阳能都不具备发电条件时，超级电容电池通过充放电控制模块向输出控制模块供电，驱动LED正常工作。另外输出控制模块可以外接光控开关，保证警示灯只在光线微弱时开始工作。

6.总结

新型路口警示灯充分利用了可再生自然能源风能和太阳能，并根据警示灯工作条件恶劣这一特点，创新选取了太阳温差发电机、垂轴风力发电机和超级电容电池作为警示灯的电源系统，在保证系统稳定运行的同时又做到了节能环保。同时，警示灯外型美观、设计紧凑，顶部的太阳能集热板及保温玻璃外壳不仅用来为温差发电机提供热源，同时也是警示灯顶部发光器;而垂轴风力发电机的叶轮不仅可以利用自然风驱动，而且可以利用汽车高速行驶时产生的风力驱动，并且在转动时会产生向上升起的气流，可以有效解决温差发电机的散热问题;标识箱外面张贴路口标识、安装LED闪光器，里面安装蓄电池及电源控制板，空间利用合理。最重要的是超级电容电池的应用彻底解决了普通铅酸蓄电池因过放和反复不完全充电引起的寿命缩短的问题。

参考文献

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[2]吴双群，赵丹平.风力发电原理[M].北京大学出版社，2011.

[3]李建保，李敬锋.新能源材料及其应用技术：锂离子电池、太阳能电池及温差电池[M].清华大学出版社，2005.

[4][美]米勒.超级电容器的应用[M].机械工业出版社，2014.

作者简介：李卫方（1973—），男，山东莱阳人，大学本科，工程师，现供职于烟台市老干部活动中心。