基于大数据的自然能综合利用市政服务系统的设计.doc

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1、第八届大学生节能减排社会实践与科技竞赛作品申报书【科技作品类（含实物制作、软件、设计等）】 作品名称： 基于大数据的自然能综合利用市政服务系统的设计 学院（盖章）： 负责人姓名： 张猛 指导教师： 于翔 研究生团队本科生团队说 明1. 申报者应在认真阅读此说明各项内容后按要求详细填写。在填表之前请仔细阅读。2. 申报者在填写申报作品情况时须完整填写A、B表格，按顺序排放装订。表内项目填写时一律用钢笔或打印，字迹要端正、清楚。3. 序号、编码由竞赛组委会填写。4. 科技作品类（含实物制作、软件、设计等）说明书及所附的有关材料按格式要求附于申报书后面，不要单独装订。A作品作者团队情况申报说明：1.

2、必须由申报者本人按要求填写，信息填写必须完善无空白否则视为无效； 2.申报者代表必须是作者中第一作者，其它作者按作品作者排序依次排列； 3.团队分为本科团队和研究生团队，其中有一位本科以上学历者的团队视为研究生团队。 负责人情况姓名张猛性别男出生年月1995年10月26日学院电子与信息学院专业、班级通信专业H1303班学号1310920501学历本科学制4年入学时间2013年九月1日电话13110037853E-其他作者情况姓 名性别学 院专业班级电 话E-mail 刘垚圻 男电子与信息通信H 张森 男电子与信息通信H 夏章财 男电子与信息通信H 尹楚君 女电子与信息通信H 梁嘉俊 男电子与信

3、息通信H130313110039163 李少栋男电子与信息电子指导教师情况姓 名于翔性别 男年龄44职称高级工程师工作单位天津工业大学实训中心联系电话13332080090B申报作品情况（科技作品类，含实物制作、软件、设计等）说明：1必须由申报者本人填写； 2本表必须附有研究报告，并提供图表、曲线、试验数据、原理结构图、外观图（照片）等必要的说明资料； 3本部分中的管理部门签章视为对申报者所填内容的确认。作品名称基于大数据的自然能综合利用市政服务系统的设计项目来源小组原创和老师指导作品摘要（500字以内；含作品设计、发明的目的和基本思路，创新点，技术关键和主要技术指标） 研究目的： 充分利用绿

4、色能源、建设“智慧城市”对人类社会具有重要意义，本项目是综合利用自然能为照明等市政服务提供所需能源，同时采用大数据相关技术实现智能化管理，为智慧城市打下基础。 基本思路: 以风光互补路灯为基础设施，将采集的能源和数据传到中心路灯，可直接应用于雨污分离、植被浇灌、给移动设备充电，也可传至大数据网络及大电力网络。大致结构图如下：大数据网络雨污分离，植被浇灌采集自然能源 风光互补路灯中心路灯 大电力网络电车手机无线充电采集道路数据 延伸设施中心设施基本设施 基本结构图 创新点: 1.在传统风光路灯的基础上加入了城市电力、数据网的概念，可将多余能量充分利用，可使能量合理利用，整合数据资源。 2.首次将

5、风光互补路灯和数据采集相结合，构建出一个城市电力数据网的宏观模型.并引入大数据的概念，与当今时代发展紧密相连。 3. 在停车场利用无线充电给电车充电，解决电车充电难的问题，使电车广泛普及成为可能。 主要技术指标及关键技术： 1.自然能源发电量一个城市（以北京为例）平均达2亿度/年。 2.实现太阳光追踪功能。 3.实现给电车、手机有线及无线供电。 4.将电力汇入上级电网，数据并入大数据网络。 5.精确采集实地数据，有效监测交通状况。 作品的科学性先进性（500字以内；必须说明与现有技术相比、该作品是否具有节能减排的实质性技术特点和显著效果。请提供技术经济分析说明。） 本作品与现有技术相比在节能和

6、综合利用方面都具有优势，具体如下： 1.自然能综合利用市政服务系统载体普遍，设备简单，易于实现；清洁环保，自主供电；运行可靠，适于推广；经济效益高，方便日常生活充电。 2.将中心路灯转变为充电站，方便快捷的供给电车供电，带动了电车产业的发展。 3.与传统发电厂相比，每10公里的风光路灯可节省成本及维修费近250万元，每年减少130吨的碳燃烧，相当于减少176吨煤的燃烧，减少116吨碳粉尘的排放，减少430吨二氧化碳的排放，减少13吨二氧化硫的排放，而这些仅仅是10公里减少的排放。 节能减排和信息共享效果： 保守的算法假设不增加全国目前路灯总数，仅将全国的火力发电厂改为自然能综合利用市政服务系统

7、：（据查阅资料，全国每年大概需要42000亿度电 1.可以每年节省16.8亿吨煤，减少11.3亿吨碳粉尘的排放，减少42吨二氧化碳的排放，减少1.26亿吨二氧化硫的排放。 2.按每年用电量需求以5%的速度增加，可为全国节省1万亿元电费每年。 3.便于城市实地数据测量和应用管理，可节省大量人力物力。 4.电车充电极为便利，电车将代替传统车辆广泛应用，将迎来一个新的工业时代。作品推广应用的可行性分析(200字以内) 本套设计应用于城市，可由城市网的概念向外延伸，向上一级汇总并连接，形成国家性、甚至国际性网络。另外，推广此套设计可减少环境的污染，对国家的经济和环境事业的发展都是一个巨大的贡献。自然能

8、综合利用市政服务系统吸取了“智慧城市”的理念，充分利用自然资源，贴合大数据时代，更带动电车产业的发展，具有不可估量的节能减排效果和发展前景。本作品的设计和技术在现代农业、现代林业、海岛开发等领域也都具有广泛应用前景。作品可展示的形 式实物、产品 模型 图纸 磁盘 现场演示图片 录像 样品作品的真实性及原创性声明：申请者郑重声明：所呈交的作品是由申请者完成的原创性课外科技成果。除了报告中特别加以标注引用的内容外，本作品不包含任何其他个人或集体创作的成果作品。申请者对申报内容的真实性负责，申请者完全意识到本声明的法律后果由本人承担。全体申请者（签名）：指导教师推荐意见 签字：校专家评审意见 签字：

9、 日期：基于大数据的自然能综合利用市政服务系统的设计说明书设计者：刘垚圻 张猛 夏章财 李少栋 张森 尹楚君 梁嘉俊指导老师：于翔（天津工业大学，电子与信息学院，通信专业，天津，300000 ）作品内容简介本作品提出了一套基于大数据的自然能综合利用市政服务系统的设计，主要包括风光互补路灯系统模块，道路检测模块，中心处理站模块，设备充电模块，上级电力数据网模块，进一步延伸到一个城市电力、信息网络。本套设计有两个主要功能：其功能之一是利用自然能源（太阳能、风能）转变成电能，用于供给路灯照明。过剩电量可转入中心处理站，既可用于给电车、手机等设备充电，用于植被浇灌绿化城市，也可转入城市中心电网作为城市

10、供电；功能之二是利用路灯上安装的监测器（红外线监控）检测实地天气状况（包括PM2.5、湿度、温度、降雨量）以及道路交通状况，并将数据转入中心处理站进行对城市雨污分离系统等操作，也可传入城市数据处理中心进行大数据分析。本套设计用于构建一个基于节能减排，绿色环保理念的电力、数据共享的现代绿色城市，形成一个完整、和谐、联系紧密的的城市网，既可极大方便人们日常生活，也可便于城市对基础数据的采集分析和对电能的极大节省和合理利用，更能够保护环境，节能减排，让人们重新感受自然的美好，真正实现和谐社会。 图1 实物模型图1 研制背景及意义城市化进程的加快，使城市被赋予了前所未有的经济、政治和技术的权利，城市被

11、无可避免地推到了世界舞台的中心，发挥着主导作用。与此同时，城市也面临着环境污染、交通堵塞、能源紧缺、住房不足、失业、疾病等方面的挑战。在新环境下，如何解决城市发展所带来的诸多问题，实现可持续发展成为城市规划建设的重要命题。在此背景下，“智慧城市”成为解决城市问题的一条可行道路，也是未来城市发展的趋势。2008年11月，在纽约召开的外国关系理事会上，IBM提出了“智慧地球” 这一理念，进而引发了智慧城市建设的热潮。智慧城市的建设在国内外许多地区已经展开，并取得了一系列成果，国内的如智慧上海、智慧双流；国外如新加坡的“智慧国计划”、韩国的“U-City计划”等。随着 “智慧城市”的战略性地位越来越

12、高，如何构建智能城市关系到人类的可持续发展。从发展的眼光看，我国正处于城镇化加速发展的时期，部分地区“城市病”问题日益严峻。为解决城市发展难题，实现城市可持续发展，建设智慧城市已成为当今世界城市发展不可逆转的历史潮流。中国工程院院士邬贺铨说道，“随着智慧城市的建设，社会将步入“大数据”时代。”。自然能综合利用市政服务系统作为一种新型城市生态系统，对节约能源起到了巨大的推动作用，正好符合“节能减排”和“智能城市”新时代理念。目前城市存在管理不当、资源浪费等诸多问题，因此对自然能综合利用市政服务系统进行研究有很重要的意义。2 设计方案2.1整体流程图2.2 智能路灯系统 2.2.1.自然能源采集主

13、要选用器件1、.小型风力发电机（输出电压为24v）2、太阳能电池板（输出电压为24v）3、铅酸蓄电池（12v，2个串联）4、LED灯（24v）5、灯杆（10米高）6、监测仪（用于检测PM2.5，湿度，温度，降雨量，交通事故）2.2.2基本流程在路灯上装输出电压为24V的太阳能板收集太阳能，收集的太阳能是直流电，可直接给铅酸蓄电池充电，太阳能板有控制器对充放电进行控制，这样就能有效保护蓄电池。风吹过风轮，路灯上装的风轮连接风力发电机进行风力发电，风力发电机因风量不稳定，故其输出的是1325V变化的交流电，须经滤波、整流、稳压电路，再对铅酸蓄电池充电，使风力发电机产生的电能变成化学能。因为太阳能和

14、风能不能同时给铅酸蓄电池充电，所以要分开充电。2.2.3对于太阳能板里的三个重要装置1、控制器，主要功能是使太阳能发电系统始终处于发电的最大功率点附近，以获得最高效率。2、DC-AC逆变器，主要功能是将蓄电池的直流电逆变成交流电。3、太阳能光伏发电系统的防反充二极管，在太阳电池组件中其作用是避免由于太阳电池方阵在阴雨和夜晚不发电或出现短路故障时，擂电池组通过太阳电池方阵放电。 表3 太阳能板及相连电路2.2.4太阳跟踪装置太阳方位检测电路主要用于检测太阳高度角和方位角的变化，并计算出一个最佳倾角，使太阳光利用率最大。该电路主要由QP50-6 型四象限光电探测器和LF444CN 型集成运算放大器

15、构成。2.2.5道路数据采集 1、温度、湿度、PM2.5的检测2、降雨量的取样检测3、交通事故的监测2.2.6照明系统1、灯源选取我们选取是LED灯，具有发光效率高、绿色环保、重量轻薄、散热设计一体化等诸多优点。以一年为单位比之传统路灯可省下大量的电能。2、 红外线感应为了得到一个智能路灯系统的效果，我们增加了红外线检测仪作为检测是否周围有人靠近，若有人到路灯监测范围内，路灯就会自动发光，反之就会熄灭。 红外线检测仪的原理：利用红外探测器和光学成像物镜接受被测目标的红外辐射能量分布图形反映到红外探测器的光敏元件上，从而获得红外热像图，这种热像图与物体表面的热分布场相对应。通俗地讲红外热像仪就是

16、将物体发出的不可见红外能量转变为可见的热图像。热图像的上面的不同颜色代表被测物体的不同温度。2.3 单片机处理1、单片机型号选取为了确保整个系统的稳定性和高效性，我们采用了HT32F1765单片机对整个系统进行检测和控制。此款单片机的系统结构包括 ARM CortexTM-M3 处理器、 总线结构和存储器体系，一种通用的 32-bit 处理器内核， 特别适合要求高性能、低功耗低成本单片机的产品。 芯片内部含有12-bit SAR ADC，可以非常简单的对电压进行测量，恰恰符合本系统地设计要求。2、 单片机实现功能单片机主要处理的是关于各地区空气PM2.5、湿度、温度、降雨量的采集和传输，各类数

17、据从各个中心路灯汇聚，用于雨污分离绿化浇灌等功能，并将各类数据上传至上级大数据处理中心。图3 控制模块图2.4 处理中心网 通过采集传输并汇聚到大数据网络的各类数据和电力，可用于城市更好的调节自身秩序，构建一个稳定的，和谐的绿色城市电力数据网。包括道路数据采集的应用和电力采集的应用两个应用。 2.4.1道路数据采集的应用1、雨污分离控制方面将监测到的降雨量数据传到城市分析中心，便可通过调节使雨水可以通过雨水管网直接排到河道，污水需要通过污水管网收集后，送到污水处理厂进行处理，水质达到相应国家或地方标准后再排到河道里，这样可以防止河道被污染。由于初期雨水污染物浓度含量高，有条件的会设置收集初期雨

18、水排入污水管网进行处理。2、天气情况的测定通过采集到的PM.2.5、温度、湿度等数据，可通过液晶显示板直接显示提醒市民，也可传入大数据网络，发到手机等移动设备上供人们知晓当地天气状况。3、道路交通事故的处理通过路灯上的摄像头可监测有无发现交通事故，若出现事故，系统可立即将时间地点直接告知医院，救护车可快速到达出事地点减少死伤人数。2.4.2电力采集的应用1、有线及无线充电在停车场连接充电设备，在用户停车之时，仪器可自动检测电量判断是否需要充电，若需要即可进行无线充电。2、植被浇灌 通过数据判断天气状况后，剩余电力可以判断植被是否缺水，若缺水可用于植被浇灌。 3. 理论设计计算3.1自然资源利用

19、理论计算1、风能以一公里50盏路灯为例：表1 武汉年平均风速表假设年平均风速取4m/s，则一年可获200*365*24*3600/3600000=1752kw*h能量。假设风能利用率为40%，则一年可利用能量为700kw*h，即700度电能，则一公里路灯获取能量为700*50=35000度。2、太阳能：区域划分丰富地区较丰富地区可利用地区贫乏地区年总辐射量（千焦/厘米平方*年）580500580420500420地域内蒙西部，甘肃西部，新疆南部，青藏高原新疆北部，东北，内蒙东部，华北，陕西，宁夏，甘肃部分，青藏高原东部，海南，台湾东北北部，内蒙呼盟，长江下游，福建，广东，广西，贵州部分，云南，

20、河南，陕西重庆，四川，贵州，广西，江西部分连续阴雨天2375 表2 全国各区域年均阳光总辐射量表以普通较丰富地区为例，取辐射量为550kj/平方厘米每年，太阳能电池板面积为0.5平方米，则一年可产生550kj*5000=2750000kj能量，约为800度电，经查阅资料得知能量转换率为20%，则可利用电量为160度电，则一公里路灯获取能量为160*50=8000度。3.2能耗理论计算1、LED路灯普通LED路灯功率为40w，假设每天工作8小时，则工作一年需要能量0.04kw*8h*365=116.8kw*h，即116.8度电，则一公里路灯需要能量为120*50=6000度。2、手机电池以普通智

21、能手机为例，普通智能手机电池储电量为3.8v*2.3ah=8.74w*h，假设一天充满1000个手机，则一年需要8.74*1000*365=3190100w*h=3190kw*h，即3190度电，一公里只需一个手机充电站即可。3、电动汽车电池经查阅资料，普通电动汽车电池储电量为3.8v*26.8ah=101.84w*h，假设一天充100个电车，则一年需要101.84*100*365=3660kw*h，即3660度电，一公里只需一个电车充电站即可。计划可行性分析：一公里可获取能量为35000+8000=43000度电，一公里需要耗电为6000+3190+3660=12850度电。43000-12

22、850=30150度，所以计划完全可行。多余能量可以发往城市电网以做其他用途。4.工作原理及性能分析1、风力发电的原理风力发电的原理是利用风力带动风车叶片旋转，再透过增速机将旋转的速度提升，来促使发电机发电。依据目前的风车技术，大约是每秒三公尺的微风速度（微风的程度），便可以开始发电。风力发电正在世界上形成一股热潮，为风力发电没有燃料问题，也不会产生辐射或空气污染。2、太阳能发电原理假设光线照射在太阳能板上并且光在界面层被接纳，具有足够能量的光子可以在P型硅和N型硅中将电子从共价键中激起，致使发作电子-空穴对。界面层临近的电子和空穴在复合之前，将经由空间电荷的电场结果被相互分别。电子向带正电的

23、N区和空穴向带负电的P区运动。经由界面层的电荷分别，将在P区和N区之间发作一个向外的可测试的电压。此时可在硅片的两边加上电极并接入电压表。对晶体硅太阳能电池来说，开路电压的典型数值为0.50.6V。经由光照在界面层发作的电子-空穴对越多，电流越大。界面层接纳的光能越多，界面层即电池面积越大，在太阳能电池中组成的电流也越大。 太阳光照在半导体p-n结上，形成新的空穴-电子对，在p-n结电场的作用下，空穴由n区流向p区，电子由p区流向n区，接通电路后就形成电流。这就是光电效应太阳能电池的工作原理。这个过程的实质是：光子能量转换成电能的过程。5、创新点及应用1、将传统风光路灯添加了收集数据的功能，便

24、于实地数据测量，应用前景广阔，可应用于天气状况测定，交通事故紧急医疗救治方面。 2、构建出城市电力数据网的宏观模型，引入大数据的概念，可应用于各个城市系统，可拓展为国家性、世界性网络。将世界通过大数据紧密相连，更加准确的控制每一个器件。并在现代农业、现代林业、海岛开发等领域也都具有广泛应用前景。3、 在街头的大街小巷，有轨电车多用电线在电车上方，在电车运行过程中给电车提供电力，不仅不美观，而且使用太多电线，不够节能环保。利用无线充电给电车充电，解决电车充电难的问题，使电车广泛普及成为可能。无线充电可应用于电车产业、移动设备充电、甚至各种电子设备。6、附录：1度电消耗KG0.4标准煤减少排放碳粉

25、尘KG0.27减少排放二氧化碳KG1CO2减少排放二氧化硫KG0.03SO2表3 1度电消耗煤量和排污量参考文献1 全国大学生节能减排大赛【范例】科技作品类 - 豆丁网2 http:/ http:/ 智能城市_百度百科5 http:/ Lee H Y, Reinholtz C F. Inverse kinematics of serial-chain manipulatorsJ. ASME Journal of Mechanical Design. 1996, 118(3): 396-4045 Driver Response to Parking Guidance and Information Systems,Allen P A,June302-307.19936http:/ - 硕士论文 - 道客巴巴http:/ - 电子发烧友网http:/