一種將主動共振應(yīng)用于操場發(fā)電的方法和結(jié)構(gòu)

吳士賓 王躍康 張鼎喆

摘 要：本文基于主動共振原理，提出了一種將頻率共振應(yīng)用于操場發(fā)電的方法和結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)了一種共振發(fā)電裝置，應(yīng)用在操場等運(yùn)動場。人踩踏跑道的頻率與發(fā)電裝置固有頻率相同或接近，實(shí)現(xiàn)共振，得到較大的能量轉(zhuǎn)換效率。本結(jié)構(gòu)簡單，操作方便， 成本低、輸出功率大，清潔環(huán)保。

關(guān)鍵詞：主動共振；能量回收；發(fā)電

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2019.13.164

1 引言

十八大以來，節(jié)能減排，“綠水青山就是金山銀山”觀念深入人心[1]。隨著人們對自然環(huán)境中煤碳、石油，天然氣等主要能源的不斷利用開發(fā)，產(chǎn)生了大量的二氧化硫和氮氧化物等，對人類生存環(huán)境造成了很大的威脅。太陽能、地?zé)崮堋⒄駝幽艿惹鍧嵞茉吹睦迷絹碓绞艿街匾??；厥罩車沫h(huán)境中的能量，減少對煤碳等能源的依賴，是生態(tài)發(fā)展的必然趨勢。能量回收就是從外界環(huán)境中吸收能量，將其轉(zhuǎn)化為可用能量。環(huán)境的振動能量、人體運(yùn)動、地?zé)崮艿榷伎梢赞D(zhuǎn)化為電能利用[2]。

由于地理位置和自然條件的限制，南方陰雨綿綿，使得太陽能技術(shù)投入成本高，回報(bào)低，性價比低，不被看好。機(jī)械振動以海水波浪振動、風(fēng)吹草動、地面振動等形式呈現(xiàn)，處處存在。不受陰雨天氣、南方溫差小等因素的影響。

已證明，從汽車振動、海水波浪振動等形式中回收能量是可行的[3-4]。振動能量回收技術(shù)主要類型之一是利用電磁換能裝置將振動機(jī)械能轉(zhuǎn)換為電能。輸出功率大、成本低是能量回收系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)。美中不足的是感應(yīng)到的電壓很小?？朔@種缺點(diǎn)的辦法是使用變壓器、提高線圈圈數(shù)或提高磁場強(qiáng)度來進(jìn)一步提高感應(yīng)電壓。由于尺寸上受到限制，導(dǎo)致系統(tǒng)體積小，振動幅度不大，使得輸出功率降低。

在周圍環(huán)境中，需要對各個頻率階段能量進(jìn)行回收，因?yàn)榻^大多數(shù)的振動源分布在50-250Hz的低頻范圍，振動能量并非分布于單一頻率上。

人體運(yùn)動蘊(yùn)藏著巨大的能量，各個學(xué)校操場跑操時，整齊劃一，產(chǎn)生很多踩踏能，如果配合共振能量回收裝置，將會有很好的能量回收效果。

其中： 4、彈簧，5、永磁振子， 7、電磁感應(yīng)線圈， 6、8、10、導(dǎo)線。

2 人體踩踏操場發(fā)電頻率共振裝置結(jié)構(gòu)

如圖1所示的將頻率共振應(yīng)用于操場發(fā)電的共振發(fā)電裝置。其中共振發(fā)電裝置包括彈簧，永磁振子，電磁感應(yīng)線圈。共振發(fā)電裝置為中空的長方體結(jié)構(gòu)，永磁振子為長方體結(jié)構(gòu)，彈簧兩端分別與長方體上下地面連接，中間與永磁振子固定連接。電磁感應(yīng)線圈環(huán)繞在永磁振子周圍。

其中：1、跑道，2、足球場，3、共振發(fā)電裝置，4、彈簧，5、永磁振子， 7、電磁感應(yīng)線圈，9、蓄電裝置，11、充電插座，12、路燈，6、8、10、導(dǎo)線。

如圖2所示的將頻率共振應(yīng)用于操場發(fā)電的示意圖。包括：所述裝置包括跑道，共振發(fā)電裝置，蓄電裝置，充電插座，路燈，導(dǎo)線；跑道下埋設(shè)共振發(fā)電裝置，共振發(fā)電裝置內(nèi)有若干發(fā)電單元，發(fā)電單元包括彈簧，不同幾何參數(shù)的永磁振子，電磁感應(yīng)線圈，導(dǎo)線。

3 工作原理

共振發(fā)電系統(tǒng)所受激勵的頻率即跑步時腳踩踏操場的頻率與該系統(tǒng)的永磁振子的固有頻率一致相接近時，共振發(fā)電系統(tǒng)振幅顯著增大。

4 發(fā)電過程

測量并記錄操場跑操同學(xué)踩踏跑道的周期或頻率，根據(jù)記錄頻率，選取主要頻率區(qū)間。

永磁振子為長方體結(jié)構(gòu)，幾何參數(shù)具體指的長寬高。通過改變永磁振子幾何參數(shù)，改變共振發(fā)電裝置內(nèi)每個發(fā)電單元固有頻率。

根據(jù)記錄的踩踏跑道的頻率設(shè)置各個發(fā)電單元永磁振子固有頻率，將固有頻率調(diào)諧到記錄主要頻率區(qū)間內(nèi)；當(dāng)同學(xué)跑步踩踏跑道時，踩踏跑道的頻率就會與某個永磁振子固有頻率相同，從而實(shí)現(xiàn)共振頻率，以期得到較大的能量轉(zhuǎn)換效率。

永磁振子切割電磁感應(yīng)線圈產(chǎn)生的電能儲存在蓄電裝置中，用來提供操場夜間照明以及電源插座供電。

5 總結(jié)

本設(shè)計(jì)創(chuàng)新點(diǎn)在于提出了一種將頻率共振應(yīng)用于操場發(fā)電的方法和結(jié)構(gòu)，主動利用共振原理，在人體踩踏操場不同頻率的情況下，每個發(fā)電單元永磁振子幾何參數(shù)不同，從而永磁振子固有頻率不同，頻率范圍與人體踩踏操場頻率范圍相同。人踩踏跑道的頻率與發(fā)電裝置固有頻率相同或接近，實(shí)現(xiàn)共振，得到較大的能量轉(zhuǎn)換效率。本結(jié)構(gòu)簡單，操作方便， 成本低、輸出功率大，清潔環(huán)保。

參考文獻(xiàn)：

[1]劉煜杰.堅(jiān)持綠水青山就是金山銀山[N].中國環(huán)境報(bào)，2019-01-08（003）.

[2]余輝.熱能回收的分析及應(yīng)用[J].山東工業(yè)技術(shù)，2015（16）：61-62.

[3]白世鵬，侯之超.簧下調(diào)諧系統(tǒng)回收車輛垂向振動能量的可行性[J].清華大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2018，58（11）：1013-1020.

[4]陳東，高文磊，王峣.共振式波力能發(fā)電裝置液壓系統(tǒng)可靠性分析與預(yù)測[J].機(jī)床與液壓，2018，46（07）：140-145.

作者簡介：吳士賓（1991-），男，河北保定人，研究生在讀，主要研究方向：節(jié)能減排、大氣污染防治方向。