桥梁新能源供电系统解决方案初探

【摘要】现有的桥梁基本都是由大型电网牵专线配电。我们通过桥梁新能源供电系统，用风、光、水等新能源来供电，减少对基本电网的依赖，去除高压配电及远距离输电的一系列问题，达到节能减排的作用。

【关键词】桥梁；新能源；供电系统；节能

随着社会和科技的进步，桥梁越建越多，但现有的桥梁基本都是由大型电网来供电，需牵专线配电，尤其有些桥梁远离电网，需要远距离供电。我们通过桥梁新能源供电系统，用桥梁周围的可利用能源来自供电，减少对基本电网的依赖，节省能源，去除高压配电及远距离输电的一系列问题。所以此方案对未来桥梁系统的节能减排有一定的借鉴作用。

1.研究背景

1.1 桥梁的种类及主要特点

桥梁从形式上来说，由上部结构（主梁，索塔，缆索系统）、下部结构（桥墩，承台，桩）、桥台、附属系统（铺装，伸缩缝，栏杆）组成。灯光照明属于附属工程之一。按结构特点，桥梁可以分为梁式和斜拉式。

梁式桥的路面开阔，无障碍物干扰灯光照明。桥墩较多，桥孔相对跨度小，通过的流水较平稳。

斜拉桥用若干根斜拉索拉在塔台上，形成斜拉式。与多孔梁式桥相比，它的一根斜拉索就是代替一个桥墩支点，从而增大了桥梁的跨度。塔台一般较高，顶部风速较大。现斜拉桥建造的较多。

1.2 新能源的利用及推广情况

新能源是相对于常规能源而言，以采用新技术和新材料而获得，如：太阳能，风能，水能等，具有清洁，无污染，资源丰富，分布范围广泛等特点。

以太阳能获得电能的发电，有四大优点：一是安全，不产生废气；二是简单易行，只要有日照的地方就可以安装设备；三是容易实现无人化和自动化；四是发电时噪音很少。因此，太阳能发电是一种比较理想的清洁能源。

风能是地球表面大量空气流动所产生的空气动能。风能建成后使用廉价，且不污染环境。

水能是一种不会产生任何污染物排放的可再生的清洁能源。全球水能资源极为丰富，分布在溪流，江河，海洋等有水流动的地方。

1.3 桥梁供电系统和新能源的结合

由于交通用途，桥梁的周围地势一般开阔、少遮拦，这种地理特点就有利于相关新能源的开发。

跨江、跨海的大桥应重点开发桥下蕴含的水能。比如：梁式桥桥面开阔，很适宜在光照丰富的地方开发太阳能。而斜拉桥塔台较高有利于风能的开发。另外，只要有桥墩在水中，就可以利用水能发电。所以，利用桥梁结构和地理气候特点，可以综合利用风、光、水三种能量进行互补发电。

2.设计方案

2.1 并网风光水互补发电系统的设计

并网风光水电互补发电系统用于以桥梁为中心的系统中，其周围蕴含着可再生可利用的能量，以达到桥梁自发电作用。

一般桥梁下有丰富的水能；桥上方没有很多遮光物，能够充分接受光线，有丰富的日照；空中有丰富的风能。如果很好的利用这些能量，不仅能解决桥梁本身的能量供应，还有可能向外界供电。

水能和风能可以用发电机来产生电能，光能可以用太阳电池组。所发的电与相应的接口进行网络匹配，对后级电路提供稳定的电压。

白天，发电设备所发的电量优先给蓄电器充电，等蓄电器充满后，所发电量通过并网逆变器向桥梁附近的外部电网供应。

夜晚，发电设备所发的电量优先给负载即路灯，若足够多的话可以接着向外部电网供电；若不够，即不能完全满足负载供电时，蓄电器开始供电，当蓄电器用掉四分之三时还是不够时，外界电网开始向桥梁系统供电。并网风光水电互补发电系统框图如图1。

2.2 水能发电机的介绍及设计

流水发电机如图2所示，主要原理如下：

水轮是集流水动能装置，它的作用是把流动水具有的动能转变为水轮旋转的机械能。流水发电机一般采用同步或异步交流发电机，接受发出的交流电通过整流装置转化成直流电。若水流速度不大，可以经过变换后有效发电。限速安全机构是用来保证流水发电机运行安全的。它是通过调节水轮和水的接触面积，来控制水轮的转速，从而调节发电量。

2.3 太阳能光伏电池的介绍及设计

太阳能光伏电池结构如图3所示，当结吸收光时，被吸收的光子转换成材料的电子-质子系统，并产生载流子。分散在结中，结中的载流子产生了电动势梯度，被电场加速，并通过外电路环流。

2.4 风能发电机的介绍及设计

风力发电机一般是由风轮（集风装置），发电机（包括传动装置），调向器（尾翼），塔架和限速调速装置。风轮是集风装置，它的作用是把流动空气具有的动能转变为风轮旋转的机械能。限速安全机构的设置可以使风力发电机的转速在一定的风速安全范围内保持基本不变。当风速过高时专门的制动装置会使风轮停转，以保证风力发电机在特大风速下的安全。

2.5 接口匹配电路的设计

发电机和光伏电池产生的电能流入接口匹配电路中输出同一电压来供给后一级，如图5所示。

2.6 逆变器的选择

逆变器是用来将直流电变换成交流电的电子电力电路，是将接口匹配电路或蓄电池输出的直流电输入后变换成三相交流电给负载供电或将交流电并入电网。

2.7 控制电路的设计

控制电路主要用来控制各个发电机，使其发电效率最高。还对电力的分配起作用，使其用电器各种情况下能够保证供电充足。

2.8 路灯的选择及布局

综合考虑灯光的发光效率和价格，我们选择高压钠灯来给桥梁路面供电。路灯安装布局，按照一般的工程高度选择5米高。

3.安装方案

3.1 安装总构思

对于梁式桥可让风力发电机安装于路灯杆上，对于斜拉式可以把风力发电机安装于桥斜拉杆之上。太阳能光伏电池安放于路灯上，水流发电机安装于桥墩上。如图6、7所示。

3.2 水能发电机的安装解决方案

流水发电机一般见于桥梁的桥墩上，它一般由发电机，导轨，牵引索，牵引电机，距离传感器和浮漂等组成。发电机用于发电，导轨用于引导发电机在一定的轨迹上活动，牵引发电机带动牵引索运动从而调节发电机的上下运动。距离传感器通过对浮标的检测来测量发电机与水面的距离，通过控制电路来控制电动机，使发电机自动调节，达到调节水流发电量的作用。

3.3 太阳能光伏电池的安装解决方案

太阳能光伏电池在自动追踪装置的引导下，使其能够自动追踪太阳光，永远使其正对着太阳光。这样使其发电量最大。自动追踪装置有两个旋转轴，一个180度旋转，另一个60度旋转。能够满足全年都太阳光直射。如图9所示。

3.4 风能发电机的安装解决方案

风力发电机安装在桥梁的塔台支架上或者把路灯加高后安装在起其顶端。因为，风力发电机的风轮在有风时正对着风的方向，所以要用转轴使其本身能转动。如图10所示。

3.5 其它相关模块的安装解决方案

接口控制电路和蓄电池可以配套安装在路灯底座下。控制电路和相关的功能模块安装在一起。

4.桥梁供电系统的造价分析

4.1 桥梁供电系统造价分析

在这项工程中，就具体的桥梁结构和其周围的环境可以选择不同的安装方案。

假设，一座桥年水流速度恒定且能达到流水发电机的发电要求时间为T1，年有效风速时间为T2，桥年日照时间为T3。桥长为L1，路面宽度为L2，桥下有效流水桥墩有N1个。

在桥上共安装了2N1台流水发电机（其每台发电功率为P1，使用寿命为M1年）；桥上安装了N2台风能发电机（其每台发电功率为P2，使用寿命为M2年）；安装太阳能光伏电池为N3个（其每台发电功率为P3，使用寿命为M3年）；路灯共2L1/L2个（其耗电功率为每台P4，使用寿命为M4年）。

设备费、安装费、保养费流水发电机每台Y1，风能发电机每台Y2，太阳能光伏电池每台Y3，路灯每座Y4，其他设备共为Y5.市场电费为W1整个系统的发电效益为：

Y=（P1*2N1*T1*M1+P2*N2*T2*M2+P3*N3*T3*M3）*W1-（Y1*N1+Y2*N2+Y3*N3）-Y4*2L1/L2-Y5

4.2 桥梁供电系统模型评价

以武汉长江大桥为例建立模型，水流速度恒定且能达到所设计流水发电机的发电要求，年有效风速时间为1000个小时左右，桥年日照时间为2000个小时左右。年路灯年开启时间为4380小时。正桥长1670米，路面宽度为18m，桥下有效流水桥墩有8个。

若在桥上共安装了16台流水发电机（其每台发电功率为2kW，使用寿命为10年）；桥上安装了100台风能发电机（其每台发电功率为1kW，使用寿命为10年）；安装太阳能光伏电池为100个（其每台发电功率为1kW，使用寿命为10年）；路灯共300个“实际值”（其耗电功率为每台250W，使用寿命为10年）。

设使用年限内设备费、安装费、保养费流水发电机每台1.5万元，风能发电机每台0.4万元，太阳能光伏电池每台0.3万元，路灯每座2000元，其他设备共为5万元.市场电费为0.5元/kW。

经过计算，发电量为5，803，200kW，按现行电价相当于电费2，901，600元，而整个系统中除用电设备外在使用年限内设备费、安装费、保养费总花费仅为约870，000元。路灯每年需用电328，500kW，所以使用期内还可向外界供电2，518，200kW。

通过一系列的计算，若对桥梁系统改造成功，可让桥梁成交通、发电的双重工具。

5.创新点及可行性分析

本方案充分利用桥梁周围可利用的新能源，结合桥梁特点来安装相关设备使其用来发电。由于桥梁地理和结构的特点，能够同时利用水能，风能和太阳能。因此，我们提出了风光水互补发电系统。此系统很好的互补了各种单一能源发电的不稳定缺陷，使系统能够相对稳定的产生电能。我们又结合桥下流水的特点，设计了流水发电机。此种发电机虽发电功率不大但长久使用发电量也相当可观，对江面流水能的开发很有推广的前景。

一般情况下，此方案对桥梁的受力影响微不足道，相关设备的安装因地制宜也会很方便。此方案若运用得当，不仅可以解决桥梁自身用电，还能向外界提供大量能量。此方案也可对现有桥梁提供节能改造方案，也能未来桥梁建设提供节能思路。也许用一天我们看的桥梁是交通和发电功能于一体的新型建筑。

参考文献

[1]崔容强，赵春江，吴达成编著.并网型太阳能光伏发电系统[M].北京：化学工业出版社，2007.

[2]张希良主编.风能开发利用[M].北京：化学工业出版社，2007，7.

[3]（印）Patel，M.R著，姜其荣，张春明等译.北京：化学工业出版社，2008，8.

[4]王革华主编.新能源概论[M].北京：化学工业出版社，2006.

作者简介：夏光蔚（1980—），男，讲师，工程师，中国电子学会高级会员，湖北高职教育学会电信专业会员，研究方向：智能控制、节能技术应用。