一种基于收费站的能量收集系统设计

占志龙　胡仕刚　李权接　谭飘　余劲　唐志军

基金项目：国家自然科学基金资助项目（61674056，61875054）。

摘要：论文设计了一种基于收费站的能量收集系统。该系统由减速带发电模块、太阳能发电模块发电和电能转换模块组成。理论计算结果表明，该系统符合设计要求，具有一定的实际应用价值。

关键词：减速带;液压发电模块;能量收集系统

中图分类号：TM919文献标识码：A文章编号：1672-9129（2020）07-0067-01

Abstract：This paper designs an energy collection system based on toll station. The system consists of power generation module of speed belt， solar power generation module and electric energy conversion module. The theoretical calculation results show that the system meets the design requirements and has certain practical application value.

Key words：speed bumps;Hydraulic power generation module;Energy collection system

人类对能源的需求正在逐步递增，其中尤其典型代表是电能，在当前社会主要以化石燃料燃烧发电为主，然而化石燃料的开采将会带来众多的环境问题。在日常生活中我们发现收费站仅仅作为一个具有收费功能的场所，事实上它可以具有多功能。例如，利用收费站的减速带吸收汽车经过减速带时下压的能量并且在收费厅楼顶安置太阳能板吸收太阳能的能量收集系统[1]。为了充分利用收费站收集电能，论文设计了一种基于收费站的能量收集系统。

1系统硬件设计与实现

1.1系统总体方案设计。在收费站口的减速带下方安置一组液压马达发电机，当车辆通过减速带的时，车子将减速带向下压，使液压杆推动并挤压液压缸内的油性介质，油性介质顺着管道流向电磁阀，经电磁阀控制流速后流过液压马达带动发电机发电，同时油性介质流向上油腔[1];在回位弹簧的作用下将液压杆向上拉升，拉升使其处于上油腔的液体在整流桥的作用下再次流向液压马达，最终油性介质从液压马达处流处，回到了下油腔实现复位，整个过程实现了二次发电。减速带产生的电能与收费站楼顶上的太阳能板产生的电能一起经过电流转化模块处理后存入蓄电池中，然后通过电能输出模块将电供给收费站和电网。当电量不足，电网通过输出电路反向对蓄电池充电以维持电量需求。

1.2机械结构设计。该系统主要由三部分组成，减速带发电模块和太阳能发电模块发电，然后通过电能转换模块进行输出。减速带发电模块运用液压发电的原理，借助液压马达进行发电，通过整流桥来控制系统中液体流动方向，利用回位弹簧实现液体两次通过液压马达进行两次发电。太阳能发电模块由pv方阵来将太阳能转换成电能，由控制器来进行管理然后存入蓄电池[2]。

1.3减速带发电模块。减速带发电模块装置通过在收费站口的减速带下方安置一组液压马达发电机，当车辆通过减速带的时，车子下压减速带，使液压杆推动并挤压液压缸内的油性介质，油性介质顺着管道流向电磁阀，经电磁阀控制流速后流向液压马达带动发电机发电，同时油性介质流入上油腔;在回位弹簧的作用下将液压杆向上拉升，拉升使其处于上油腔的液体流出并且在整流桥的作用下再次流向液压马达正极，进行第二次发电，最终油性介质又流从液压马达留回了下油腔。减速帶发电模块三维图如图2所示[3]。

2软件设计与理论计算

控制部分，综合运用了单片机和传感器，另外加上整流模块和升压降模块。首先压力传感器接收到压力信号，然后将相应的信号传给单片机，单片机对不同的电磁阀做出相应的反应，然后将发电机发的电经过整流和升压降模块然后和太阳能发的电经过控制器最终汇入蓄电池中[3]。

2.1已知电机输出轴的功率P1=1KW，转速n1=380rpm，转矩T1=25131N·mm，计算作用在齿轮上的力FT=（2T1/d1）*（tanɑ/cosβ）=703N。

2.2发电机转速为380rpm，发电机输入轴与液压马达输出轴上齿轮转动比为3，则液压马达转速为127rpm。取发电机输出轴齿轮与液压马达输出轴上的齿轮传动机械效率η齿轮=0.98，马达输出轴上的功率P2=Pd*η齿轮=1*0.98=0.98KW、转速n2=127rpm、转矩T2=73.7N·m。选择液压达型号为BMT-800，转速140rpm，励13MPa，输入流量125L/min。液压马达每通过7500L的液体油，则可以产生1KW的电量，液压缸压缩高度h=10cm，半径r=10cm，每次下压的油量：Q1=π*h*r2≈3.14L，液压油上下两次经过液压马达和每辆车经过一个减速带会下压减速带两次（前轮后轮），故每次通过的油量：Q2≈4Q1=12.56L。

按照6个减速带的规格来计算，产生1KW的电量需要通过的车辆数：N=7500L/（4*Q2）=149辆[3]。

3结论

基于收费站的能量收集系统采用多套减速带共用一套发电系统，成本较低，有利于大范围的推广。其发电效率可观，成本可以快速收回。并可拆卸，有利于维修护理。论文所设计的能量收集系统，具有一定的实用性。通过理论计算结果可以看出，该系统满足设计要求。

参考文献：

[1]谢达.路面减速带液压式振动能量回收系统设计与研究[D].江苏：江苏大学，2017：6-1.

[2]美国国际太阳能协会，李雅琪译.太阳能光伏发电设计与安装指南[M].湖南科学技术出版社，2013.

[3]朱子豪.基于车辆运行的减速带振动能量回收方法研究[D].上海：上海工程技术大学，2015：12-1.

通信作者：胡仕刚（1980.9—），男，湖北咸宁人，博士/教授，从事集成电路设计研究与教学。