地鐵軌道振動(dòng)能量回收系統(tǒng)儲(chǔ)能技術(shù)吳麗君;徐振龍瀏曉紅;趙峰;孫栩;王喻紅瀏磊【摘要】對(duì)地鐵軌道振動(dòng)能量回收系統(tǒng)儲(chǔ)能技術(shù)進(jìn)行研究，設(shè)計(jì)整流匯流電路、壓電振子驅(qū)動(dòng)發(fā)光二極管電路、阻抗變換電路等，并進(jìn)行儲(chǔ)能及供能實(shí)驗(yàn).實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,利用所設(shè)計(jì)的儲(chǔ)能及供能電路能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)軌道振動(dòng)能量的回收及供能目標(biāo).【期刊名稱】《交通科技與經(jīng)濟(jì)》【年(卷)，期】2019(021)005【總頁(yè)數(shù)】5頁(yè)(P76-80)【關(guān)鍵詞】振動(dòng)能量;壓電振子;整流匯流;阻抗變換;能量回收【作者】吳麗君;徐振龍瀏曉紅;趙峰;孫栩;王喻紅瀏磊【作者單位】黑龍江工程學(xué)院計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)學(xué)院,黑龍江哈爾濱150050;哈爾濱工業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，黑龍江哈爾濱150001;黑龍江工程學(xué)院計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)學(xué)院,黑龍江哈爾濱150050;黑龍江工程學(xué)院計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，黑龍江哈爾濱150050;黑龍江工程學(xué)院計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)學(xué)院,黑龍江哈爾濱150050;黑龍江工程學(xué)院計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)學(xué)院,黑龍江哈爾濱150050;黑龍江工程學(xué)院計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，黑龍江哈爾濱150050【正文語(yǔ)種】中文【中圖分類】TB332能源問(wèn)題是當(dāng)今世界最為關(guān)注的問(wèn)題之一，各國(guó)科技工作者一直在致力于尋找和開(kāi)發(fā)新型能源來(lái)解決能源缺乏和使用傳統(tǒng)能源時(shí)存在的問(wèn)題。將工作和生活環(huán)境中的潛在能源加以利用一直是個(gè)熱門(mén)課題。其中，振動(dòng)或噪聲是環(huán)境中潛在的能源之一，幾乎無(wú)處不在且具有較高的能量密度。以地鐵為例，地鐵在運(yùn)行過(guò)程中產(chǎn)生很大的振動(dòng)能量通過(guò)輪軌噪聲向夕卜輻射。而隨著城市人口的快速增長(zhǎng)，地鐵正逐步成為大中城市的主要交通工具，若能將地鐵在運(yùn)行過(guò)程中產(chǎn)生的振動(dòng)能量回收利用，用于系統(tǒng)自身的照明、行車(chē)信息和廣告顯示，則可達(dá)到節(jié)能環(huán)保及降低噪聲之雙重目的。1能量回收系統(tǒng)根據(jù)調(diào)研和文獻(xiàn)檢索［1-2］,采用壓電俘能技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)對(duì)地鐵軌道振動(dòng)能量的回收和降低噪聲的目的。由壓電材料制成的壓電俘能裝置具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、不發(fā)熱、無(wú)電磁干擾、無(wú)污染、易于加工制作等諸多優(yōu)點(diǎn)而備受關(guān)注。目前研究較多的壓電俘能裝置的結(jié)構(gòu)形式有懸臂梁式和圓盤(pán)式。其中，懸臂梁壓電俘能裝置能量轉(zhuǎn)化效率高、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、諧振頻率低，更容易在低頻環(huán)境下產(chǎn)生諧振，俘獲振動(dòng)能量多，也易于軌道系統(tǒng)安裝［3-5］。研究表明［6-8］,雙晶并聯(lián)懸臂梁壓電俘能裝置輸出電流明顯高于串聯(lián)的輸出電流，所以本文采用雙晶并聯(lián)懸臂梁壓電俘能裝置。雖然雙晶并聯(lián)壓電俘能裝置輸出功率較大，但仍無(wú)法為通用的顯示電路供電，必須采用多個(gè)并聯(lián)壓電懸臂梁作為能量獲取裝置，而儲(chǔ)能和供能電路的設(shè)計(jì)是實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)功能的關(guān)鍵技術(shù)之一。2整流匯流電路設(shè)計(jì)由于各壓電懸臂梁諧振頻率不盡相同，因此各路輸出電壓和相位也不完全一致，直接將其并聯(lián)會(huì)導(dǎo)致電中和問(wèn)題。為高效匯集多個(gè)壓電振子產(chǎn)生的電能，本文設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了多路整流匯流與儲(chǔ)能電路，經(jīng)較長(zhǎng)時(shí)間儲(chǔ)能后，可帶動(dòng)較大功率的通用顯示電路，下面以4路為例對(duì)其原理進(jìn)行說(shuō)明（見(jiàn)圖1所示）。圖1多路壓電懸臂梁匯流電路如圖1所示，B1~B4為4個(gè)雙晶并聯(lián)壓電振子，D1~D4、D5~D8、D9~D12和D13~D16分別是其對(duì)應(yīng)的橋式整流器（輸出電壓為V1~V4）。4個(gè)整流器的輸出直接并聯(lián)后，對(duì)超級(jí)電容C1和C2進(jìn)行充電，D17是用于保護(hù)C1和C2的齊納二極管，使充電后的電容電壓Uc不會(huì)超過(guò)4.7V。下面分析整流匯流電路。圖2中所示U1~U4為4個(gè)懸臂梁壓電俘能器的輸出電壓波形。圖2各懸臂梁壓電俘能器的輸出電壓波形U1~U4為不同電壓不同相位的交流電壓，經(jīng)整流后的波形為V1~V4，如圖3所示。圖3各懸臂梁壓電俘能器經(jīng)整流后的電壓波形工作原理：由于C1和C2容量很大，故Uc短時(shí)間內(nèi)可認(rèn)為不變。當(dāng)V1~V4中任一者高于Uc時(shí)，對(duì)應(yīng)的整流器就會(huì)導(dǎo)通，形成充電電流，將振動(dòng)能量存儲(chǔ)入C1和C2中。由于4個(gè)整流電路可以在不同的時(shí)間開(kāi)啟，且可防止電流反向流動(dòng)，因此盡管各壓電振子輸出電壓和相位不同，圖1所示電路仍可實(shí)現(xiàn)多個(gè)壓電振子向一組儲(chǔ)能元件的匯流儲(chǔ)能功能。D1~D16選用導(dǎo)通壓降小、反向電流小的管子1N60。能量回收系統(tǒng)采用點(diǎn)陣式液晶作為顯示元件，為了驅(qū)動(dòng)液晶模塊，設(shè)計(jì)電路，如圖4所示。圖4顯示電路如圖4所示，點(diǎn)陣式液晶模塊為通用的1602型，由AVR低功耗單片機(jī)ATtiny24V驅(qū)動(dòng)。其中單片機(jī)的PC3-PC為數(shù)據(jù)總線，連接液晶模塊的D7-D4端;PC7-PC5為控制總線，連接液晶模塊的R/S（命令/數(shù)據(jù)）、RW（讀寫(xiě)）和E（使能）端。即液晶模塊工作于4位數(shù)據(jù)總線模式，有利于節(jié)約單片機(jī)的IO資源。由于超級(jí)電容在放電過(guò)程中的電壓不斷降低，因此必須采用升壓電路維持單片機(jī)和液晶模塊的正常工作。升壓芯片采用了MAXIM的BOOST升壓集成電路MAX1674，其特點(diǎn)是啟動(dòng)電壓低（達(dá)0.9V），效率高（可達(dá)93%），輸出電流高達(dá)300mA。單片機(jī)的PC7配置為ADC（模數(shù)轉(zhuǎn)換）端口，其作用是測(cè)量超級(jí)電容的當(dāng)前電壓，并用百分比的形式顯示當(dāng)前的儲(chǔ)能電量。根據(jù)公式可知，儲(chǔ)能電量的百分比與當(dāng)前超級(jí)電容電壓的平方有關(guān)。設(shè)電容充電飽和時(shí)的電壓為4.5V，則儲(chǔ)能百分比為（1）圖4中的R和C構(gòu)成低通濾波器，用于使顯示數(shù)據(jù)更加穩(wěn)定。在儲(chǔ)能電路設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上，進(jìn)行壓電俘能裝置驅(qū)動(dòng)發(fā)光二極管的供能電路設(shè)計(jì)。3壓電振子驅(qū)動(dòng)發(fā)光二極管壓電振子在機(jī)械諧振條件下對(duì)外輸出最大功率，若功率足夠大，則可驅(qū)動(dòng)發(fā)光二極管持續(xù)點(diǎn)亮，實(shí)現(xiàn)利用地鐵運(yùn)行時(shí)的振動(dòng)能量發(fā)電而顯示相關(guān)信息。壓電振子屬高阻抗器件，即其輸出呈現(xiàn)“高電壓（101~103V量級(jí)）、低電流（10-6~10-4A量級(jí)）”特性，即使多個(gè)壓電振子經(jīng)整流和匯流后，其阻抗仍高達(dá)數(shù)千Q；而發(fā)光二極管阻抗較低，工作于〃低電壓（數(shù)V）、相對(duì)大電流（10-3~10-2A量級(jí)）”狀態(tài)。根據(jù)最大功率傳輸條件，若將二者直接相接，顯然難以獲得最大功率傳輸效率，發(fā)光二極管可能處于微弱的閃爍狀態(tài)，或者根本不亮，無(wú)法指示信息;而用足夠多壓電振子匯流后直接驅(qū)動(dòng)發(fā)光管的話，則會(huì)將其擊穿。為此必須在兩者之間加入一個(gè)阻抗變換裝置，通過(guò)選取最優(yōu)的變換系數(shù)，實(shí)現(xiàn)壓電振子持續(xù)高效驅(qū)動(dòng)發(fā)光二極管。本部分在研究發(fā)光二極管伏安特性和壓電振子等效電路的基礎(chǔ)上，推導(dǎo)出可實(shí)現(xiàn)最高功率傳輸效率的阻抗變換系數(shù)，并給出阻抗變換電路。3.1發(fā)光二極管的伏安特性發(fā)光二極管(LED)是一種常用的發(fā)光電子元件，具有亮度高、耗電省、壽命長(zhǎng)、適應(yīng)快速閃爍和色彩豐富等特點(diǎn)。LED符號(hào)及其等效電路如圖5所示。如圖5等效電路所示，R為L(zhǎng)ED的材料體電阻，其值一般為數(shù)Q至數(shù)百Q(mào)；Dz為齊納二極管，代表LED的開(kāi)啟電壓Ua，依LED的材料不同，Ua在1.8~4.5V之間；D1為理想二極管，反映了LED作為二極管的反向阻斷特性。作為發(fā)光器件，LED通常工作于正向電壓下，此時(shí)其伏安特性曲線如圖6所示。圖5LED符號(hào)及其等效電路圖6LED正向伏安特性曲線如圖6所示，當(dāng)LED夕卜加電壓U<Ua時(shí)，電流I很小，LED處于未開(kāi)啟狀態(tài)；當(dāng)U>Ua后，I迅速增大，在工作點(diǎn)O處，LED的耗散功率為Po=Io?U。(如圖中陰影部分面積所示)；當(dāng)U繼續(xù)增大超過(guò)某一值Um時(shí)，1的增速趨于平緩，此時(shí)LED功耗很大而亮度不再顯著增加，同時(shí)發(fā)熱嚴(yán)重，故從經(jīng)濟(jì)和器件壽命角度來(lái)看，U>Um段是危險(xiǎn)工作區(qū)域，應(yīng)避免進(jìn)入。LED在O點(diǎn)的阻抗可表示為:由于Dz及其它非線性因素的限制，LED伏安特性曲線不是過(guò)原點(diǎn)的直線，故r。隨O點(diǎn)而變，呈非線性。由上述分析可知，LED的工作電壓應(yīng)設(shè)置于Ua<Uo<Um范圍內(nèi)，在此基礎(chǔ)上根據(jù)當(dāng)前的ro調(diào)節(jié)LED電源內(nèi)阻Rin，使Rin=ro，以實(shí)現(xiàn)最大的功率傳遞效率。3.2壓電振子等效電路壓電振子等效電路如圖7(a)所示：圖7壓電振子等效電路及其簡(jiǎn)化Cm是動(dòng)態(tài)電容，Lm是動(dòng)態(tài)電感，Rm是動(dòng)態(tài)電阻，三者均為機(jī)電等效量，分別表征了振子的力順、慣性和機(jī)械阻，Ce是壓電振子的靜態(tài)電容，為真實(shí)電學(xué)量。壓電振子的機(jī)械諧振頻率可表示為(2)當(dāng)夕卜界振動(dòng)頻率等于fs時(shí)，Cm和Lm共同吸收振動(dòng)能量，對(duì)外輸出電能，可用一交流電壓源表示，故該條件下壓電振子等效電路轉(zhuǎn)變?yōu)閳D7(b)。又因Ce的值一般為數(shù)十nF，而本系統(tǒng)設(shè)計(jì)中所采用壓電振子的謝振頻率約為70Hz左右，Ce容抗為106Q量級(jí)，遠(yuǎn)大于Rm，因此Ce的分流作用可以忽略不計(jì)，即等效電路轉(zhuǎn)變?yōu)閳D7(c)所示。設(shè)整流和匯流過(guò)程為理想，所有壓電振子的輸出電壓(包括頻率、幅度和相位)相同，振子數(shù)目為n，則整流匯流后壓電振子組的內(nèi)阻Rin變?yōu)棰?.3阻抗變換器根據(jù)最大功率傳輸條件，用壓電振子組驅(qū)動(dòng)發(fā)光二極管時(shí)，必須使Rin=ro。而ro通常為數(shù)千Q以內(nèi)，且隨著工作點(diǎn)改變而變化，因此必須在壓電振子組和LED之間加入一個(gè)阻抗變換器，其變換系數(shù)為k，通過(guò)使Rin=kro,⑷來(lái)實(shí)現(xiàn)最大功率傳輸效率。具有阻抗變換功能的元器件很多，其中最為常用的是變壓器。變壓器通過(guò)電磁感應(yīng)原理實(shí)現(xiàn)能量傳遞，由于輸入端與輸出端的功率相等而電壓可變，因此能實(shí)現(xiàn)阻抗變換。用變壓器實(shí)現(xiàn)阻抗變換具有效率高的優(yōu)點(diǎn)，但其體積和重量較大(低頻條件下)，而且只能傳遞交流電。另一種可實(shí)現(xiàn)阻抗變換的器件是直流穩(wěn)壓電源，又可分為線性穩(wěn)壓電源和開(kāi)關(guān)型穩(wěn)壓電源。綜合分析變壓器、線性穩(wěn)壓電源和開(kāi)關(guān)型穩(wěn)壓電源的特點(diǎn)和阻抗變換性質(zhì)，針對(duì)本次設(shè)計(jì)中壓電振子微功率輸出和LED直流工作的屬性，設(shè)計(jì)采用開(kāi)關(guān)型穩(wěn)壓電源的原理來(lái)實(shí)現(xiàn)壓電振子組和LED之間的阻抗變換。4儲(chǔ)能及供能實(shí)驗(yàn)先對(duì)多懸臂梁壓電振子的俘能能力進(jìn)行測(cè)試，為此建立多懸臂梁壓電振子俘能實(shí)驗(yàn)裝置，如圖8所示。實(shí)驗(yàn)裝置主要包括信號(hào)發(fā)生器、功率放大器、激振器、多懸臂梁壓電振子和DS-5000系列數(shù)字存儲(chǔ)示波器。由實(shí)驗(yàn)可知，多懸臂梁壓電俘能裝置在頻率54~72Hz內(nèi)都能有大的功率輸出，在振動(dòng)頻率為60Hz時(shí)最大輸出功率達(dá)到14.6mW。圖8實(shí)驗(yàn)裝置圖供能實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)裝置包括激振器、多懸臂梁壓電振子、整流匯流電路和供能顯示裝置，如圖9所示。圖9供能實(shí)驗(yàn)裝置實(shí)驗(yàn)過(guò)程如下：將不同數(shù)目的LED接入匹配電路的輸出端，首先調(diào)節(jié)信號(hào)發(fā)生器頻率和激勵(lì)電流，在較低電壓（工作點(diǎn)）條件下點(diǎn)亮LED，此時(shí)LED消耗功率小，易于驅(qū)動(dòng)；而后逐步提高阻抗變換電路輸出電壓（此時(shí)LED工作點(diǎn)提高，功率消耗變大），并通過(guò)微調(diào)信號(hào)發(fā)生器頻率和增大激勵(lì)電流來(lái)維持LED的持續(xù)點(diǎn)亮。在激勵(lì)電流不超過(guò)1.5A的條件下，記錄穩(wěn)定狀態(tài)下的最高輸出電壓、激勵(lì)頻率和電流。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)如表1所示。表1供能實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)LED數(shù)量12345輸出電壓/V1.831.781.721.65-發(fā)生器頻率/Hz67.767.26767-激勵(lì)電流/A1.451.451.51.5-亮度（目測(cè)）刺目高中等一般閃爍、暗淡5結(jié)語(yǔ)本文所設(shè)計(jì)的多路獨(dú)立整流和匯流技術(shù)，不需考慮各路電壓間的幅度和相位問(wèn)題；采用超級(jí)電容進(jìn)行存儲(chǔ)匯集，使系統(tǒng)能夠在短時(shí)間內(nèi)驅(qū)動(dòng)較大功率的用電設(shè)備；超級(jí)電容具有無(wú)限次充放電能力，系統(tǒng)能夠在無(wú)人值守條件下長(zhǎng)期連續(xù)運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)了儲(chǔ)能和供能的目標(biāo)。參考文獻(xiàn)：【相關(guān)文獻(xiàn)】龔立嬌.基于壓電材料的能量采集研究[D].南京：南京航空航天大學(xué),2008.LIAOY,SODANOHA.Structuraleffectsandenergyconversionefficiencyofpowerharvesting.JournalofIntelligentMaterialSystemsandStructures.2009,20:505-514.劉衛(wèi)豐，劉維寧,G.Degrande.地鐵列車(chē)運(yùn)行引起地表振動(dòng)的預(yù)測(cè)模型及其試驗(yàn)驗(yàn)證[J].振動(dòng)工程學(xué)報(bào)，2010,23(4):373-379.杜小振，褚金奎,張海軍，等.環(huán)境振動(dòng)能收集系統(tǒng)的微型壓電懸臂梁設(shè)計(jì)與制作[J].功能材料與器件學(xué)報(bào)，2008,14(1):116-120.袁江波，謝濤，陳維山，等.懸臂梁壓電發(fā)電裝置的實(shí)驗(yàn)研究[J].振動(dòng)與沖擊，2009,28(7):69-72.闞君武,唐可洪,王淑云，等.壓電懸臂梁俘能裝置的建模與仿真