基于波浪能发电的超高桥面智能喷淋降温系统

何家裕

（武汉理工大学 信息工程学院，湖北 武汉 430070）

1 概述

夏季时，许多地区的桥面温度可达60℃，而且高温是桥面铺筑层发生损坏的主要原因之一。由于桥面复杂的交通状况、恶劣的建设环境，超高桥梁桥面的降温成为极为关注和亟待解决的问题之一。现总结出以下几个问题。

1.1 桥体在高温下极易受损

高温条件下，沥青混合料桥面铺筑层在行车荷载作用下容易沿桥梁纵向发生推移和留下车辙现象；铺筑层因受热膨胀而上拱，易出现断裂现象；车轮与铺筑层间的摩擦系数降低，附着力减小，车辆制动力下降，极易发生交通事故，严重影响桥面的交通状况，甚至带来人员伤亡。

1.2 超高桥面引水困难

许多桥梁远离城镇或建设于山区，桥梁较高，如果采取喷淋降温，则铺设水管、搭建电力系统不便。因此，桥面的喷淋降温方式难以实现或成本较高。

1.3 人工降温成本高，影响交通

目前，桥面的降温方式主要通过洒水车人工进行桥面喷洒降温，洒水车的作业会消耗大量的清洁水，成本较高。洒水车在桥面作业时，车速较慢，占用车道。

2 超高桥面智能喷淋降温系统及其优点

基于以上问题，我们研发出一种基于波浪能发电的超高桥面智能喷淋降温系统。如图1所示，该系统利用强力吸盘将发电设备固定于桥墩上，采集江面的波浪能，通过液压传动、机械传动、电磁感应，将波浪能转化为电能。利用强力吸盘在桥墩上安装多级转换水箱，构成多级引水系统，将水从江面逐级引至超高桥面的蓄水箱中。桥面装有喷淋系统、温度传感器等，通过温度传感器对桥面温度实时监测，将数据传输至处理器，控制喷淋系统对桥面进行喷淋降温，降低高温对桥面的损坏程度，延长桥面铺筑层、防水粘结层的使用寿命。

图1 基于波浪能发电的超高桥面智能喷淋降温系统示意图

2.1 自给自足，节省能源

系统将充分利用波浪能、太阳能等清洁能源进行发电，利用江水进行喷洒降温，节省能源，减少成本，绿色环保。

2.2 超高引水，可调性强

多级引水装置将不受桥梁高度、地域影响，通过波浪能为发电机供电，将水从江面逐级引至桥面，解决一次性超高桥梁引水困难问题。

2.3 保护桥梁，延长寿命

此智能喷淋降温系统通过对桥面进行降温，从而降低高温造成的桥面铺筑层、防水粘结层的损坏程度，延长其使用寿命，减少经济损失。

2.4 精准监测，智能降温

此桥面智能降温系统对桥面进行实时温度监测、降温，从源头上降低温度过高的可能性。

3 设计方案

3.1 波浪能发电装置

3.1.1 波浪发电结构

波浪能发电装置结构如图2所示。当波浪波动时，浮筒上下浮动，1号液压缸活塞上下往复移动，推动2号液压缸活塞左右往复运动，带动齿条在滑轨上做往复运动。通过齿轮的啮合传动以及齿轮传动系的提速，带动永磁发电机输入轴往复旋转，即永磁发电机的转子转动。通过电磁感应，产生电能，经整流模块整流后，将电能储存于超级电容中。

图2 波浪能发电装置结构示意图

3.1.2 高度调节器

由于江面水位不固定，因气温上涨或下降，为了使发电装置正常工作，在发电装置上设计一高度调节器。高度调节器的移动导轨通过工业吸盘固定在桥墩上。高度调节器装有水位传感器、传动系统、自锁装置等，通过对江面水位的监测，实时调节发电设备的高度，使设备与水面始终保持在合适的高度范围内，保证设备的正常工作。

水位传感器将实时监测发电设备与江面的高度差，当高度差超过发电机正常工作的范围，将数据返回处理器，解除自锁，传动系统将整个发电装置上下移动至合适高度后，再次锁定装置，保证发电装置正常工作。

3.2 多级引水系统

通过设置多级水泵及转换水箱，将水逐级从河面引至桥面。各级转换水箱内设有水位传感器、控制电路、小型水泵等装置。水位传感器对各级转换水箱内水位进行监测，控制系统自动调节各级水泵的工作状态，将水从江面引至桥面的蓄水箱中。

3.2.1 转换水箱

转换水箱主要包含四部分：①传感器。通过水位传感器来确定水箱内水位高度，从而确定水泵开闭状态。②控制电路。通过接收水位传感器发送的信号，对水泵进行控制，实现多级引水。③水泵。水泵工作时，可将本级转换水箱中的水传送到下一级转换水箱中。④支撑板。固定传感器以及控制电路部分，并且将水箱分为两部分，下部空间进行蓄水、上部空间放置电路板等。

3.2.2 多级引水系统

以二级引水系统为例，其工作流程如下：两个转换水箱内的控制电路实时处理本水箱内水位传感器数据信号以及其他转换水箱内控制电路发送的信号。引水开始时，由最底层水泵抽水送入第一级转换水箱，当第一级转换水箱内水泵通电时，将水送入第二级转换水箱。当第一级转换水箱水位超高时，向最底层控制板发送请求，停止最底层水泵抽水，同时本级转换水箱内水泵保持开启，向第二级转换水箱送水。当收到第二级控制板停止请求时，断开水泵电源开关。第二级转换水箱内当水位位于两个浮球之间时，持续向桥面蓄水箱蓄水。

3.3 喷淋降温装置

喷洒装置由蓄水箱、加压水泵、水管、喷头组成，通过喷头的特定结构，达到最大面积喷洒效果。在桥梁道路两侧安装喷洒喷头，喷头喷射角度为90°，两侧喷头交叉分布，以达到喷洒能够覆盖整个桥面的效果。

4 系统控制程序设计

主程序开始，系统初始化，然后通过串口给MLX90615红外温度传感器发送指令，红外温度传感器持通过串口持续返回温度数据，设置串口接收中断保存温度数据，设置定时器中断，每10 ms进入一次中断，进入中断后通过CAN发送水位数据和温度数据，并对水位、温度进行判断，当水位低于20%时，报警指示灯闪烁；当温度高于45℃时，打开水泵继电器，同时报警指示灯闪烁。开启CAN接受中断，接收各级水箱的水位数据。开启ADC采样，对电池进行电量采集。

4.1 人机交互与远程通讯

4.1.1 人机交互界面

在主控系统旁提供人机交互触控屏，实时显示桥面降温系统的水压、水位、桥梁温度、电池电量等基础数据，且可以在人机交互触控屏控制整个系统的各部分的工作状态、调整系统参数等。

4.1.2 远程通讯

利用GPRS网络模块经过通信基站建立桥面降温系统与云端服务器及远程控制终端之间的通讯。云端服务器后台储存降温系统的水压、水位、温度、电池电量等基础数据，并在应用端对接收到的信息和数据进行算法分析和处理，实现在远程控制终端实时监控系统的工作状态、温度、水位、蓄电等情况。

4.1.3 云服务

云端除了持久化数据，还对信息和数据进行相应的云计算、数据处理与挖掘，并且与桥梁建设与维护行业牢牢结合。利用云服务对传感器所采集的数据进行计算分析，判断桥面各时间段的平均温度，调整喷淋降温系统工作状态。同时，利用采集的数据，绘制桥面温度云图，为桥梁防高温措施提供参考。

5 结束语

本研究针对现在高温桥面产生的一系列问题提供了一个解决方案。该系统能够依靠波浪能发电提供电量，节约能源，续航性强，且能够实时监控桥面状况，作出适当调控，真正满足当代社会智能绿色高效生活的需求。