道路減速帶發(fā)電裝置設(shè)計(jì)與研究

劉峰源 房鑫永 蘇志芳 張毅

摘要：隨著經(jīng)濟(jì)社會(huì)的發(fā)展人們對(duì)于新能源發(fā)電的需求與日俱增，壓力發(fā)電逐漸走進(jìn)人們的視野，如果有一種壓力發(fā)電裝置可以與道路減速帶結(jié)合，收集路面上車輛駛過(guò)減速帶時(shí)消耗的能量，那將會(huì)帶來(lái)巨大的經(jīng)濟(jì)效益。本文基于此設(shè)計(jì)了一種電磁式的壓力發(fā)電裝置，使其與減速帶結(jié)合進(jìn)行能量回收。

關(guān)鍵詞：壓力發(fā)電；減速帶；電磁式發(fā)電

1 引言

現(xiàn)代人類的生活離不開(kāi)能源，尤其是電能，它在我們的日常生活中有著舉足輕重的地位。但最近一些年來(lái)，我們消耗了太多的傳統(tǒng)化石類能源來(lái)制熱、發(fā)電等，與之而來(lái)的是燃燒化石燃料對(duì)我們環(huán)境的破壞，嚴(yán)重威脅了我們的身體健康。而且傳統(tǒng)化石類燃料不可再生，無(wú)法被無(wú)限制地一直開(kāi)采，所以如何高效利用能源成為了世界性的議題。目前，我國(guó)已成為世界第二大能源生產(chǎn)國(guó)和第二大能源消費(fèi)國(guó)，特別是近兩年來(lái)，在國(guó)民經(jīng)濟(jì)快速增長(zhǎng)的拉動(dòng)下，我國(guó)能源需求增長(zhǎng)較快，能源緊張也已成為制約經(jīng)濟(jì)持續(xù)、穩(wěn)定發(fā)展的重要問(wèn)題。在眾多的發(fā)電方式中，風(fēng)力發(fā)電、潮汐能發(fā)電、太陽(yáng)能發(fā)電雖然在一定程度上解決了部分問(wèn)題，但是受到的自然條件限制也是非常大。而壓力發(fā)電作為一種同樣清潔的發(fā)電方式開(kāi)始越來(lái)越受到人們的重視，它不需要燃料、不占耕地、沒(méi)有污染，運(yùn)行成本低，如果能充分利用將對(duì)我國(guó)的節(jié)能環(huán)保事業(yè)產(chǎn)生重大推進(jìn)。

隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，我國(guó)的交通行業(yè)也得到了迅速的提升，我國(guó)汽車保有量逐年增長(zhǎng)，與之而來(lái)的是不可忽視的交通安全問(wèn)題，越來(lái)越多的事故提醒相關(guān)部門需要采取一定的措施，所以我國(guó)在許多危險(xiǎn)地段或者交通要道上都設(shè)置了大量減速帶，但是車輛在通過(guò)減速帶時(shí)減速帶震動(dòng)產(chǎn)生的能量將會(huì)被浪費(fèi)掉，如果能夠?qū)⑦@些能量回收并且加以利用，則會(huì)產(chǎn)生很大的經(jīng)濟(jì)效益。

所以，筆者產(chǎn)生了利用減速帶發(fā)電的想法，將減速帶和壓力發(fā)電裝置結(jié)合在一起，使汽車在通過(guò)減速帶時(shí)減速帶因震動(dòng)而產(chǎn)生的額外的能量不被浪費(fèi)掉，而是轉(zhuǎn)變成電能輸出給路邊的照明設(shè)施或者其他負(fù)載。

2 國(guó)內(nèi)外關(guān)于壓力發(fā)電的研究

國(guó)外研究現(xiàn)狀：

（1）減速帶電磁式能量回收

電磁式減速帶能量回收技術(shù)，是指利用管式永磁直線電機(jī)作為回收減速帶振動(dòng)能量的換能器，是由Andrea Pirisi和Francesco Grimaccia在2013提出的一種管式永磁能量回收裝置。通過(guò)CI（Computational Intelligence）技術(shù)設(shè)計(jì)直線電機(jī)結(jié)構(gòu)，并且用GSO算法優(yōu)化設(shè)計(jì)。初步的臺(tái)架測(cè)試表明，10米長(zhǎng)安裝在交叉路口的發(fā)電模塊，每天有8000輛車通過(guò)，一年可以回收100兆瓦時(shí)電能。

（2）壓電式：

2013 年，Craig D. Near 設(shè)計(jì)了一種用于回收路面振動(dòng)能量的壓電裝置，回收原理是車輛駛過(guò)路面，路面發(fā)生振動(dòng)，裝置的質(zhì)量塊隨之振動(dòng)，壓電效應(yīng)使振動(dòng)轉(zhuǎn)化為電能。這一發(fā)明的特點(diǎn)是將壓電材料制成蛇形以獲得更高振動(dòng)能量。單個(gè)模塊，單輛車經(jīng)過(guò)，可以產(chǎn)生40焦耳能量。

（3）機(jī)械式：

Prakhar Todaria和Lirong Wang 設(shè)計(jì)了一種機(jī)械式減速帶能量回收裝置，該裝置的特點(diǎn)是利用機(jī)械運(yùn)動(dòng)整流器（MMR），將車輛下壓減速帶時(shí)向下和向上的直線運(yùn)動(dòng)都轉(zhuǎn)化為軸的單向旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，隨后軸通過(guò)齒輪箱增速，帶動(dòng)發(fā)電機(jī)發(fā)電。

（4）液壓式：

Chen-Ching Ting等人設(shè)計(jì)了一種液壓裝置，當(dāng)汽車駛過(guò)該裝置時(shí)，活塞在車輪作用下向下運(yùn)動(dòng)，油腔的油液在壓力作用下從單向閥流出，流入蓄能器，進(jìn)而帶動(dòng)發(fā)電裝置發(fā)電。經(jīng)計(jì)算，該裝置的效率在40%。

國(guó)內(nèi)研究現(xiàn)狀：

我國(guó)對(duì)于減速帶發(fā)電裝置的研究還處于起步階段，大多是對(duì)結(jié)構(gòu)和原理的探討，而對(duì)設(shè)計(jì)方法的研究較少，得出的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)也較少。

東華大學(xué)的劉洋和王俊民設(shè)計(jì)一種機(jī)械式路面減速帶振動(dòng)能量回收裝置，是通過(guò)各種齒輪傳動(dòng)使減速帶被壓下之后帶動(dòng)發(fā)電機(jī)發(fā)電，但是此方案沒(méi)有回收減速帶回歸原位時(shí)產(chǎn)生的震動(dòng)的能量，所以能量回收率較低。王福杰基于液壓原理設(shè)計(jì)了一種利用行駛車輛動(dòng)能發(fā)電的系統(tǒng)，該裝置通過(guò)液壓泵換能，利用液壓馬達(dá)帶動(dòng)發(fā)電機(jī)旋轉(zhuǎn)發(fā)電，但是該裝置是單向連續(xù)式回收能量，液壓馬達(dá)轉(zhuǎn)速波動(dòng)大，能量回收效率低。

本文所設(shè)計(jì)的道路減速帶是將減速帶與電磁式的壓力發(fā)電裝置通過(guò)物理連接結(jié)合起來(lái)。

3 道路減速帶發(fā)電裝置工作原理

4道路減速帶發(fā)電裝置系統(tǒng)設(shè)計(jì)

4.1機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計(jì)

此壓力發(fā)電裝置由多組發(fā)電模塊組成。一組發(fā)電模塊包括：壓力板、磁鐵、線圈、彈性材料、底板、導(dǎo)線、集成板。磁鐵上方固定在壓力板上，下方與彈性材料接觸，磁鐵下半部分與彈性材料的外圍環(huán)繞著線圈，同時(shí)線圈固定在底板上，線圈上的導(dǎo)線被延伸到一塊獨(dú)立在外的集電板上，從而集中電流。每組發(fā)電模塊可通過(guò)物理方法進(jìn)行連接，也可以安裝在同一個(gè)壓力板和底板上，可以適應(yīng)各種路面情況進(jìn)行安裝。此機(jī)械系統(tǒng)的工作形式是：當(dāng)壓力板受到外力作用時(shí)，會(huì)帶動(dòng)磁鐵與線圈發(fā)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)，同時(shí)彈性材料儲(chǔ)存彈性勢(shì)能，當(dāng)外力消失后，彈性材料消耗彈性勢(shì)能，對(duì)磁鐵做功，使磁鐵又與線圈發(fā)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)。根據(jù)動(dòng)生電動(dòng)勢(shì)原理，產(chǎn)生近似的正弦式交流電。經(jīng)過(guò)集電板，將每個(gè)線圈產(chǎn)生的電流收集，儲(chǔ)存，并且向外輸出。

由于此裝置要和減速帶結(jié)合在一起，故可將該裝置埋于地下，將減速帶直接置于壓力板的上方，當(dāng)汽車通過(guò)時(shí)，施加給減速帶壓力，同時(shí)可以將該壓力傳給壓力板，完成壓力的收集與發(fā)電。

4.2電路控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

當(dāng)壓力發(fā)電裝置將壓力轉(zhuǎn)化為電能并收集在集電板上之后，將要由控制電路系統(tǒng)輸出電能。由于整個(gè)裝置既可以實(shí)現(xiàn)對(duì)電能的直接利用，也可以實(shí)現(xiàn)將電能儲(chǔ)存之后再利用，所以設(shè)計(jì)了圖3所示電路。該電路圖主要包含以下三個(gè)部分：

整流電路：

整流電路由四個(gè)單向?qū)щ姸O管組成，它的作用是將a，b兩個(gè)輸出端輸出的正弦式交流電經(jīng)過(guò)2，3節(jié)點(diǎn)輸入后，利用二極管的單向?qū)щ娦?，?shí)現(xiàn)對(duì)電流方向的連續(xù)選擇，再由1，4兩個(gè)節(jié)點(diǎn)輸出直流電。其中1節(jié)點(diǎn)的電壓高于4節(jié)點(diǎn)。

濾波電路：

當(dāng)開(kāi)關(guān)s置于s1時(shí)，電路處于電能的直接利用模式，同時(shí)三個(gè)電容器和用電器并聯(lián)形成濾波電路，濾波電路的作用是濾去整流輸出電壓中的紋波，使負(fù)載電流及電壓的脈動(dòng)減小，波形變得平滑。

儲(chǔ)能電路：

當(dāng)開(kāi)關(guān)s置于s2時(shí)，電路處于儲(chǔ)能模式，由三個(gè)參數(shù)相同的電容器并聯(lián)組成。其作用是將經(jīng)整流電路后輸出的直流電暫時(shí)儲(chǔ)存起來(lái)以備他用。當(dāng)儲(chǔ)能電路工作一段時(shí)間之后，斷開(kāi)開(kāi)關(guān)s2，會(huì)看到用電器可以工作一段時(shí)間，這就是儲(chǔ)備起來(lái)的電能給了用電器的效果。

由于電容儲(chǔ)存的電能較少，時(shí)間也較短，所以該電路系統(tǒng)的重心是電能的直接利用模式。

5結(jié)語(yǔ)

此壓力發(fā)電裝置主要結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單，只要有壓力作用于壓力板并且使之與底板發(fā)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)就會(huì)有電能的產(chǎn)生，它的成本較低，便于小型化集成化，而且它可以應(yīng)用在很多地方，比如舞廳，人們?cè)谔璧臅r(shí)候會(huì)踩地板，如果把此裝置放在地板上，很多人一起跳舞一起踩壓就會(huì)產(chǎn)生很大的電能，那么整個(gè)舞廳的用電說(shuō)不定可以做到自給自足，同理也可以用在樓梯、游戲廳、健身房等地方，使人們?cè)谟螒驃蕵?lè)的同時(shí)產(chǎn)生電能，它的結(jié)構(gòu)使它與其他東西的結(jié)合性非常強(qiáng)，相應(yīng)地就會(huì)有非常強(qiáng)的應(yīng)用前景。

參考文獻(xiàn)

[1]孔凡國(guó)，吳冠霖.電磁式公路減速帶發(fā)電裝置理論研究[J].機(jī)械設(shè)計(jì)與制造，2014（04）：76-78.

作者簡(jiǎn)介：劉峰源，女，生于1998年9月，漢族，山西長(zhǎng)治人，江蘇大學(xué)本科在讀，建筑環(huán)境方向。

房鑫永，男，生于1998年2月，漢族，遼寧本溪人，江蘇大學(xué)本科在讀，建筑環(huán)境方向。

蘇志芳，女，生于1996年10月，漢族，山西應(yīng)縣人，江蘇大學(xué)本科在讀，工程熱物理方向。

張毅，男，生于1998年4月，漢族，山西長(zhǎng)治人，江蘇大學(xué)本科在讀，車輛工程方向。

基金項(xiàng)目：本文系江蘇大學(xué)2018年度大學(xué)生實(shí)踐創(chuàng)新訓(xùn)練項(xiàng)目，項(xiàng)目編號(hào)：201810299174H

（作者單位：江蘇大學(xué)）