一种利用电磁感应的移动车辆道路发电系统及发电方法
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一种利用电磁感应的移动车辆道路发电系统及发电方法,所述道路发电系统包括,道路,其铺设有至少一组横置或竖直的线圈,每组所述线圈连接有蓄电池和整流桥,至少一车辆,所述车辆底盘水平方式安装有个数为线倍且之间间隔同线圈组间隔的多个磁条,当所述车辆行驶过所述道路上的多组横置或竖直线圈时,所述多个磁条连续切割所述多组线圈的磁力线高效地产生正比于车速和线圈匝数或等效匝数的交流电流,所述线圈上的交流电通过对应的整流桥整流后为蓄电池充电,本发明的利用移动车辆的道路发电系统及发电方法,能够利用地面线圈切割车辆移动的磁力线进行发电,并使整个发电系统不受天气影响,白天、黑夜、有风、无风都可以发电。
1.一种利用电磁感应的移动车辆道路发电系统,所述道路发电系统包括,道路,其铺设有至少一组线圈,每组所述线圈连接有蓄电池和整流桥,并且线圈横置时,线圈与线圈之间具有间隔为,线圈竖置时所述间隔为,其中为磁条水平方向上预定的存在不可忽略的磁场B的水平范围,在该水平范围外定义B=0,至少一车辆,所述车辆底盘水平方式安装有多个条形磁条,且磁条之间的间隔根据所述线圈的横置或竖直而相应为或当所述车辆行驶过所述道路上的所述线圈时,所述线圈切割所述磁条的磁力线产生交流电流,所述线圈上的交流电通过对应的整流桥整流后为蓄电池充电,为线圈截面法线平行于地面时的线圈截面内径或截面为矩形时的矩形垂直于地面方向的宽度,设为线圈截面法线垂直于地面时的垂直高度,其中,所述蓄电池的两端各安装电压检测装置,用于检测蓄电池两端电压是否低于阈值,若是则发出报警信息给远程服务器,以提示更换蓄电池。
2.据权利要求1所述的发电系统,其特征在于,所述线圈铺设在道路上方具有龙门监控系统的道路的路面下,其中,所述龙门监控系统包括车速仪和/或高速摄像机,以及与所述车速仪和/或高速摄像机电连接且与所述远程服务器通讯的无线数据传输装置,所述测速仪记录经过车辆的速度,并将速度数据上传至远程服务器,进行的统计分布计算,所述高速摄像机拍摄下进入拍摄视野内的车头上预设点在预设间隔时间段内的两帧不同图像,从而发送给远程服务器以计算车速,并同样进行的统计分布计算,其中为进行到当前时间车速为通过的车的辆数。
3.根据权利要求2所述的发电系统,其特征在于,设为线圈总电阻,选择合适的值,使得一个磁条对一组线圈磁通量变化规律为正弦函数的正值部分且周期为正弦函数周期
小于1的系数,为线圈匝数,为磁通量波峰值,第一等效磁场匀强度,其中为磁条各磁力线的外接矩形形成模拟磁场最外层矩形磁力线竖直方向上的磁场强度大小,为水平边距离所述模拟磁场最外层矩形磁力线水平边为的矩形磁力线竖直方向上的磁场强度大小,为切割过程中,磁条水平矩形截面在线圈的一砸导线上的投影中垂直于车速
方向的导线长度,其中以磁条各磁力线与外接矩形切点所在实际场强作为切点所在矩形
控制参数,方法如下,分别通过不同车速车辆通过实测电压波形图获得等效电压,并利用
根据欧姆定律计算得到多个对应的实测等效电流值,并分别通过公式(4)和(5)线性拟合获得和,
其中,第二等效磁场匀强度,磁通量波峰值,为水平边距离所述模拟磁场最外层矩形磁力线水平边为的矩形磁力线竖直方向上的磁场强度大小,获得
公式(10)中得(13),通过不同车速车辆通过实测电压波形图获得等效电压,并
利用根据欧姆定律计算得到多个对应的实测等效电流值线性拟合获得,其中计算方法如下,通过不同车速车辆通过实测电压波形图获得等效电压,并利用根据欧姆定律计算得到多个对应的实测等效电流值,并通过公式(12)线性拟合获得,
设蓄电池的电容量为量纲为Ah的,则设蓄电池当前等效于整数循环次数后的使用时间为,则,其中为当前蓄电池充放电的等效循环次数,为安装的磁条数,并对当前时刻之前所有具有统计的车速的车辆数求和,于是设蓄电池两端电压低于阈值,发出警报所需等效循环侧次数为,,此时设等效的总的电容量为,即视作在报警之前电容量恒定不变时的等效的电容量,且以相同预设额定电流量充放电时的循环次数为于是
交变电流量的平均值计算,所述预定时期为1天,1周,1月,半年,或1‑3年中任一项,当时即发出警报,剩余寿命为。
4.根据权利要求3所述的发电系统,其特征在于,将公式(3)连等式两种等效发电电流
(7),将公式(10)连等式两种等效发电电流计算方式进行算术平均,根据拟合获得的和控
5.根据权利要求4所述的发电系统,其特征在于,其中,车头上预设点的识别和计算车速的方法包括如下步骤,
S1获取多张进入拍摄视野的历史车头图像帧,并人工框计车头范围,并且给出范围内车头最前端的第一预设点,将仅包含所述车头图像帧中第一预设点的图像P1集成第一图库,并且获取所述车头图像帧的间隔预售时间段后的下一帧图像帧,并且同样人工框计车头范围,并给出范围内车头最前端的第二预设点,将仅包含第二预设点的下一帧图像帧中
S2构建对抗生成网络,将多张进入拍摄视野的历史车头图像帧输入GAN中的生成器G并输入随机噪音,将所述第一和第二图库中的图像与G生成的赝图输入带GAN的判断器D中进行判断,赝图中的端点与所述第一图库中的图像的差异,最小者即输出真,否则为假,从而构建损失函数,并训练GAN网络,直至损失函数最小化趋稳,
S3将待测速的车头图像帧和对应下一帧图像帧输入训练好的GAN中,并将分别计算输出的第一和第二预设点之间实际距离L,则 ,其中 为0.01‑0. 1s,其中L能通过图像帧中的预先标定的比例尺换算得到实际尺寸,所述车头上预设点的识别和计算车速的方法在所述远程服务器中执行。
7.根据权利要求1 (2)4‑6中任一项所述的发电系统,其特征在于,所述道路发电系统还包括逆变器和用电设备,所述逆变器连接各蓄电池,将所述蓄电池输出的电能逆变成通用的交流电源向用电设备供电。
8.一种利用移动车辆的道路发电方法,应用于权利要求1‑7中任一项所述的道路发电系统,所述方法包括,
利用在底盘水平方式安装有多个磁条的车辆行驶在铺设有多组线圈的道路上,所述线圈切割所述磁条的磁力线产生交流电流,所述线圈上的交流电通过对应的整流桥整流后为蓄电池充电,所述蓄电池的两端各安装电压检测装置,用于检测蓄电池两端电压是否低于阈值,若是则发出报警信息给远程服务器,以提示更换蓄电池,其中,线圈横置时,线圈与线圈之间具有间隔为,线圈竖置时所述间隔为 ,且磁条之间的间隔根据所述线圈的横置或竖直而相应为或 。
9.根据权利要求8所述的道路发电方法,所述线圈铺设在道路上方具有龙门监控系统的道路的路面下,其中,所述龙门监控系统包括车速仪和/或高速摄像机,以及与所述车速仪和/或高速摄像机电连接且与所述远程服务器通讯的无线数据传输装置,所述测速仪记录经过车辆的速度 ,并将速度数据上传至远程服务器,进行 的统计分布计算,所述高速摄像机拍摄下进入拍摄视野内的车头上预设点在预设间隔时间段 内的两帧不同图像,从而发送给远程服务器以计算车速 ,并同样进行 的统计分布计算,其中 为进行到当前时间车速为通过的车的辆数。
10.根据权利要求9所述的道路发电方法,其特征在于,设为线圈总电阻,选择合适的值,使得一个磁条对一组线圈磁通量变化规律为正弦函数的正值部分且周期为正弦函数周
系数, 为线圈匝数, 为磁通量波峰值,第一等效磁场匀强度 ,其中 为磁条各磁力线的外接矩形形成模拟磁场最外层矩形磁力线竖直方向上的磁场强度大小, 为水平边距离所述模拟磁场最外层矩形磁力线水平边为的矩形磁力线竖直方向上的磁场强度大小,为切割过程中,磁条水平矩形截面在线圈的一砸导线上的投影中垂直于车速 方向的导线长度,其中以磁条各磁力线与外接矩形切点所在实际场强作为切点所在矩形边上各点
方法如下,分别通过不同车速车辆通过实测电压波形图获得等效电压,并利用 根据欧姆定律计算得到多个对应的实测等效电流值,并分别通过公式(4)和(5)线性拟合获得 和 ,
水平边距离所述模拟磁场最外层矩形磁力线水平边为 的矩形磁力线竖直方向上的磁场
控制参数 ,代入公式(10)中得 13, ,通过不同车速车辆通过实测电压波形
图获得等效电压,并利用 根据欧姆定律计算得到多个对应的实测等效电流值线性拟合获得 ,其中 计算方法如下,通过不同车速车辆通过实测电压波形图获得等效电压,并利用
根据欧姆定律计算得到多个对应的实测等效电流值,并通过公式(12)线性拟合获得 ,设蓄电池的电容量为量纲为Ah的 ,则设蓄电池当前等效于整数循环次数后的使用时间为
(则 )其中为当前蓄电池充放电的等效循环次数,为安装的磁条数,并对当前时刻之前所有具有统计的车速的车辆数求和,于是设蓄电池两端电压低于阈值,发出警报所需等效循环侧次数为 , ,此时设等效的总的电容量为 ,即视作在报警之前电容量恒定不变时的等效的电容量,且以相同预设额定电流量充放电时的循环次数为 ,于是对
内交变电流量的平均值计算,所述预定时期为1天,1周,1月,半年,或1‑3年中任一项,当时即发出警报,剩余寿命为 。
11 .根据权利要求10所述的道路发电方法,其特征在于,将公式(3)连等式两种等效发
将公式(10)连等式两种等效发电电流计算方式进行算术平均,根据拟合获得的 和控制参
12.根据权利要求8‑11中任一项所述的道路发电方法,其特征在于,其中,车头上预设点的识别和计算车速 的方法包括如下步骤,
S1获取多张进入拍摄视野的历史车头图像帧,并人工框计车头范围,并且给出范围内车头最前端的第一预设点,将仅包含所述车头图像帧中第一预设点的图像P1集成第一图库,并且获取所述车头图像帧的间隔预售时间段后的下一帧图像帧,并且同样人工框计车头范围,并给出范围内车头最前端的第二预设点,将仅包含第二预设点的下一帧图像帧中预设点的图像P2集成第二图库,
S2构建对抗生成网络,将多张进入拍摄视野的历史车头图像帧输入GAN中的生成器G并输入随机噪音,将所述第一和第二图库中的图像与G生成的赝图输入带GAN的判断器D中进行判断,赝图中的端点与所述第一图库中的图像的差异,最小者即输出真,否则为假,从而构建损失函数,并训练GAN网络,直至损失函数最小化趋稳,
S3将待测速的车头图像帧和对应下一帧图像帧输入训练好的GAN中,并将分别计算输出的第一和第二预设点之间实际距离L,则 ,其中 为0.01‑0. 1s,其中L能通过图像帧中的预先标定的比例尺换算得到实际尺寸,所述车头上预设点的识别和计算车速的方法在所述远程服务器中执行。
13.根据权利要求12所述的道路发电方法,其特征在于,所述磁条为永磁条。
14.根据权利要求8‑11 , 13中任一项所述的道路发电方法,其特征在于,所述道路发电系统还包括逆变器和用电设备,所述逆变器连接各蓄电池,将所述蓄电池输出的电能逆变成通用的交流电源向用电设备供电。
15.一种利用移动车辆的道路发电系统,其特征在于,所述道路发电系统包括,
至少一车辆,所述车辆安装有磁铁,当所述车辆行驶过所述道路上的所述线圈时,所述磁铁切割所述线圈的磁力线产生交流电流,所述线圈上的交流电通过对应的整流桥整流后蓄电池充电。
[0001] 本发明属于能源电力技术领域,涉及一种利用电磁感应的移动车辆道路发电系统及发电方法。
[0002] 目前,随着我国碳达峰、碳中和目标的提出,清洁能源越来越重要,而在公路两边的照明系统、监控系统及其它用电设备选用电力供电需要铺设大量电缆,施工难度大、造价高。采用现在普遍的太阳能和风力发电可以解决以上问题,但是受天气和气候条件影响较大,比如太阳能需要在日照充足条件下PG电子官方网才能够发电,风力发电需要在有风的天气才能够发电。也就是说,传统的发电系统需依靠一定的自然条件才能够进行发电,因此,现亟需一种能够利用更加经济且不受天气影响的发电系统。
[0003] 为了解决该技术问题,现有技术中提出了各种各样的解决方案,诸如中国专利CN101586543A中提出了一种以多向连接方式集成的公路受压发电装置,在公路的一侧至少有多个公路受压发电装置进行横向连接,形成一个集成网络的公路受压发电装置的单元,用来作为集成网络的公路受压发电装置的基础装置之一,并且在和它集成网络的公路受压发电的单元装置联系连接后为集成网络的公路受压发电装置做准备。然而,在该方案中并没有对该公路受压发电装置的具体结构做出具体说明。
[0004] 为此,在中国专利文献CN101586544A、CN101586772A、CN101588074A中对公路受压发电装置的具体结构做出了具体描述,然而,在这些具体结构中并没有给出任何整流桥公路受压发电的任何描述。
[0005] 在中国专利文献CN103701167A中公开了一种基于特殊路面的车辆行进中无线充电装置,其利用车辆上装有的发电模块和高速公路路面上铺设的特殊路面模块,在路面上产生磁场,发电模块含有导线起发电作用,设于车辆上的能量回收与存储模块将电能回收病存储起来,然而,关该技术方案中线圈壳体外表面被隔磁层包裹,线圈布置成矩形状置于线圈壳体中,当车辆行驶在特殊路面上,横向磁场能够产生电能,从而使电机带动第一齿轮旋转,进而带动第二齿轮和线圈壳体通过轴承以线圈壳体上横臂旋转,使线圈高速切割磁感线产生感应电动势从而实现发电,然而,在该方案中,并没有设置整流桥结构,其所产生的电能具有一个齿轮机械耗能的过程,造成了电能的损耗和浪费,其充电过程会很慢。
[0006] 此外,第一,现有技术将单个磁块安装于车底部,由于磁力线是弧线的,若南北极方向平行于车速方向,当经过地下线圈时切割产生的交流电大小和变化周期就与线圈的截面法线取向相关。第二,并且仅仅安装一块磁条,对于车体底盘经过的其他线圈部位并没有及时进行切割磁力线操作,发电效率整体上是低的。第三蓄电池具有一定充放电的寿命,到达一个循环次数之后其充放电效果会开始下降,现有技术注意到车速对于发电量的贡献因素,但是并没有考虑蓄电池寿命的检测,无法完成蓄电池的更换的预测。第四,现有技术中尚不存在一种利用整流桥能够全天候快速发电道路发电系统。
[0007] 鉴于现有技术中存在的技术问题,本发明目的是提供一种利用电磁感应的移动车辆道路发电系统能够利用地面线圈切割车辆移动的磁力线进行发电,并使整个发电系统不受天气影响,白天、黑夜、有风、无风都可以发电,并且能够提升发电效率,降低电能损耗的道路发电系统。
[0008] 为实现此目的,在基础的实施方案中,本发明提供一种利用电磁感应的移动车辆道路发电系统,所述道路发电系统包括,道路,其铺设有至少一组线圈,每组所述线圈连接有蓄电池和整流桥,并且线圈与线圈之间具有间隔或 ,其中为磁条水平方向上预定的存在不可忽略的磁场B的水平范围(如图1a所示) ,在该水平范围外定义B=0,
至少一车辆,所述车辆底盘水平方式安装有多个条形磁条,且磁条之间的间隔也相应为或 ,当所述车辆行驶过所述道路上的所述线圈时,所述线圈切割所述磁条的磁力线产生交流电流,所述线圈上的交流电通过对应的整流桥整流后为蓄电池充电,设 为线圈截面法线垂直于地面时的垂直高度(如图1a所示) , 为线圈截面法线平行于地面时的线圈截面内径或截面为矩形时的矩形垂直于地面方向的宽度(如图1b所示线圈的截面视图,截面法向垂直于纸面向外) 。
[0009] 其中,所述蓄电池的两端各安装电压检测装置,用于检测蓄电池两端电压是否低于阈值,若是则发出报警信息给远程服务器,以提示更换蓄电池。本发明的第二个目的是提供一种利用移动车辆的道路发电方法,以能够利用地面线圈切割车辆移动的磁力线进行发电,并使整个发电系统不受天气影响,白天、黑夜、有风、无风都可以发电。
[0010] 为实现此目的,在基础的实施方案中,本发明提供一种利用移动车辆的道路发电方法,所述方法包括,利用水平方式安装有多个磁条的车辆行驶在铺设有多组线圈的道路上,所述线圈切割所述磁条的磁力线产生交流电流,所述线圈上的交流电通过对应的整流桥整流后为蓄电池充电,所述蓄电池的两端各安装电压检测装置,用于检测蓄电池两端电压是否低于阈值,若是则发出报警信息给远程服务器,以提示更换蓄电池,其中,线圈与线圈之间具有间隔,横置时,或 竖置时, ,且磁条间隔相应为或者 。
利用车辆行驶与道路的相对运动,线圈切割磁条磁力线进行发电,车流量越大,发电量越大,节能效果越明显。车辆上的磁条形状为长型的条状磁条,可以使用螺丝安装到车辆底盘,道路路面下的感应线圈需要在修路时提前铺设好。根据发电机计算公式,有效电压
(1)量,为频率,也就是与通过车速相关, 为线圈匝数, 为磁通量正波峰值,如图2中点d(e)处的极值, 。
[0012] 如图1所示,以S极朝车辆速度方向,在图1中为从左往右,为例,对于线圈横置和竖置两种情况分析如下,
由于实际条形磁铁的磁力线范围分布是弧线的,具体磁通量分析是复杂的,因此我们先将模型简化,将磁力线考虑为各磁力线的外接矩形,并且矩形顶点以图1a中所示曲线进行排布,形成模拟磁场。磁场分布范围从B=0,到靠近N极和S极中心逐步磁力线密度增大即B强度越大的趋势变化。如此则归结为如图1磁条的竖直平面内分析。这是因为其他平面的磁力线可以进行矢量分解而归到竖直平面内,包括水平面内磁力线分量仅在线圈上方存在,对感生电压没有贡献,而速度方向上的分量则为零。因而竖直平面内各矩形磁力线页
需要考虑上述矢量分解而叠加到竖直平面内的情况。后文我们将使用控制参数来描述这种叠加的效果。
[0013] 对于横置线h分别为,进入磁场分布范围之前,开始进入磁场范围,线圈相对运动前端,即左端,开始切割右侧垂直向上磁力线,线圈相对运动的后端,即右端,运动到曲线左侧,线圈相对运动前端开始切割左侧垂直向下磁力线,线圈相对运动的前端移出磁力分布范围且后继续切割左侧垂直向下磁力线,以及线圈整体移出磁力分布范围。图1d‑1e之间没有切割任何磁力线,磁通量不变。根据磁场分布对称关系,只需要分析图1b‑1d的切割磁力线变化,总的发电电流即为该阶段过程的两倍。
[0014] 如图1b(1c)由于磁力线不相交,因此线b中瞬间切割一次磁场分布范围的最外层磁力线,其后都交由上端导线切割,而侧面的线圈导线上下对称电流抵消,因此最终切割效果体现在上端导线的切割。因而问题即转化为图1b中磁场分布范围右侧的曲线上半部的垂直向上的磁力线d过程中,水平磁力线进入线圈中,随着不断的移动,不断有更多匝线圈具备了磁通量,也即线圈整体穿出了多少切割过的磁力线,相应线圈后端不断轮到开始切割磁力线的每一匝线圈之前方的所有匝数的线圈都被磁力线穿过。也即这个过程中,磁通量变化实际上只需要考察切割磁力线的总数即可,随线b开始不断先高密度区域靠近,线圈后端各匝线圈不断进入磁场分布范围开始切割磁力线,磁通量变化是先变大,到某一极值到图1d,然后保持不变到图1e。
[0015] 也可以理解为所述曲线与线圈上端导线最前端的一匝截面的竖直上侧边的所有交点之下的曲线上水平磁力线依次穿过了进入磁场范围的每一匝线圈。因此对于这些每一匝线圈来说,磁通量总是不断增大的,总体磁通量到达图1d开始到极值。而到达图1d‑1h,以前面分析的磁通量反向变化,也即每一匝磁通量随着运动而不断减少,即对于每一匝线圈,所有的最前端交点之上的曲线上转折的磁力线都逐渐不通过每一匝线f时为零,不论选择多长,
如果过长,当线e时,线d的线圈后端位置,此时,线圈后端仍然在不断增大磁通量,但是前端磁通量在减少,由于磁场对称特性,两者的绝对值是相等的。因而磁通量仍然会保持极致不变。如果假设图1d‑图1e无缝衔接,也即图1e中线d的线圈后端的位置时,磁通量也就不会保持一个极值以一段时间,时长由 长度决定, 。因此如果选择合适的 ,从而对于一个磁条经过一组线所示,是近似认为是正弦函数的1/2周期用时,即 。也即从图1b‑1h,磁条移动用时 ,因此 , ,其中 线圈在磁条移动过程中磁通量正极值,并且 的获取是依照磁条各磁力线的外接矩形形成的作为模拟磁场条件下在磁条移动过程中获得,其中以磁条各磁力线与外接矩形切点所在实际场强作为切点所在矩形边上各点的场强,各矩形对应的顶点连线形成关于磁条南北极对称轴的两条对称曲线] 而对于实际磁力线,其磁通量要比实际的小,这是因为外接矩形扩大了磁力线水
[0017] 从切割角度看,我们采用第一等效磁场匀强度 来代替图1a曲线上方垂直向上和向下不断变化的磁场强度,则根据前面分析,先仅考虑图1b‑1d的过程则, (2) ,其中
为切割过程中,线圈的一根上端导线在水平面上的投影长度,则由于外接矩形扩大了磁力线水平方向的穿透范围,因此实际切割位置所切割的磁力线是实际磁力线更外层的更弱场
