一種基于減速帶構成的振動能量回收裝置

崔孝冬，劉佳豪，任雙江，郭朝露

（攀枝花學院智能制造學院，四川攀枝花，617000）

0 引言

隨著科技的快速進步，有限的能源被快速消耗是一個迫切解決的問題。通過減少能源供應來解決這個問題的可能性微乎其微。只有有效地利用和回收能源，才能有效緩解能源短缺的壓力。在路上，汽車減速帶主要是一種控制速度的裝置。汽車經過時，總是會顛簸起來。這種車輛壓過減速帶所產生的振動可以通過某種設備轉換為電能。減速帶可以做成隨著車輪的滾動而下降并復位的結構。每次減速帶的這種往復運動都會發(fā)電。是一種將機械能充分轉化為電能的裝置[1]。

利用來自車輛自身重力使減速帶振動帶動內部裝置來產生能量。來自道路交通減速帶的能量回收系統(tǒng)充分利用了被忽視的道路交通能量，而且該種交通設施可利用范圍廣，長下坡路，小區(qū)，停車場等等都有使用。結構在一定程度上利于改裝不會造成太大的影響，相較于結構復雜的發(fā)電裝置該種系統(tǒng)結構簡單，便于集成，有利于工業(yè)化量產和維護。這種道路系統(tǒng)的應用將減少電力系統(tǒng)對基礎運輸設施的供電，從而減少資源消耗，并在一定程度上實現道路自給自足，基本實現清潔能源生產，符合社會資源節(jié)約和環(huán)境保護的新概念。

1 發(fā)電系統(tǒng)結構

本裝置的發(fā)電裝置與傳統(tǒng)懸臂結構相結合[2]，如圖1所示。圖中懸臂式截面梁的頂部表面嵌入有壓電芯片，當施加系統(tǒng)外部的力時，會在末端產生上下激振作用。該芯片變形，以便系統(tǒng)的機械振動可以轉換為電能，能量回收接口電路產生的能量可以回收存儲，解決微型電力設備的供電問題。

圖1 懸臂梁式壓電振動能量回收系統(tǒng)示意圖

2 裝置發(fā)電原理

當汽車通過減速帶1時，擠壓減速帶，進而使與減速帶相連的導向柱向下運動（通常分析時需要考慮三個坐標向即垂向、橫向和縱向動力學模型。本文針對減速帶振動能量回收著重研究點放在垂向上。）復位彈簧4發(fā)生形變產生彈性勢能，帶動與減速帶相連的懸臂梁2結構振動，懸臂梁末端上下振動，壓電片3產生形變，因此，系統(tǒng)的機械振動可以轉化為電能，利用電源回收接口電路回收產生的能量，以回收存儲并解決低功耗設備的電源問題。

圖2 減速帶發(fā)電模塊示意圖

圖3 裝置三維圖

圖4 裝置能量轉換圖

圖5 系統(tǒng)電能利用方案

3 能量回收裝置的改進

3.1 多層壓電結構

提高壓電陶瓷的有效體積也是提高能量回收效率的有效方法。在傳統(tǒng)能量回收裝置中，將一片壓電片嵌入在懸臂梁上形成壓電單片結構。另一種通用的結構是壓電雙片結構[2]，將兩塊壓電板分別插入懸臂梁的上表面和下表面。能量回收電路的連接方式可分為并聯型和串聯型兩種。在并聯模式下，兩個壓電片的輸出并聯連接，并且受夾電容是一個壓電片的兩倍。通過串聯兩個壓電元件的輸出電壓為兩個壓電元件電壓之和的兩個壓電元件的輸出來實現串聯。

3.2 結構形式

壓電振動能量回收裝置通常使用矩形懸臂結構來回收更多能量，采用三角形型結構。結果表明，三角形懸臂梁的回收功率和電荷靈敏度均優(yōu)于傳統(tǒng)結構。Mateu等[3]人對比試驗了矩形懸臂梁和三角形懸臂梁結構各自的優(yōu)勢。假設三角形懸臂梁的參數與矩形懸臂梁具有相同的參數，并且對每個懸臂使用相同的外部激勵，則三角形懸臂梁的變形最大，可以實現低激勵，高效益。梯形懸臂梁和矩形懸臂梁由Baker等[4]人對進行了控制變量分析，如圖6所示。實驗結果表明，梯形懸臂梁具有較高的工作效率，是矩形懸臂梁的1.3倍。

圖6 壓電懸臂梁結構：（a）梯形梁（b）矩形梁

3.3 機電耦合模型

機電耦合模型采用傳統(tǒng)的壓電懸臂梁結構，當振動結構在一階諧振頻率附近波動時，壓電懸臂梁的機電耦合模型可以相當于“彈簧-質量-阻尼”模型[5-7]，如圖所示。

圖7 機電耦合模型

圖7中KE-系統(tǒng)的等效剛度、C-等效阻尼，表示的是系統(tǒng)的機械損耗，M-系統(tǒng)的等效質量，u-系統(tǒng)的位移，F-作用在系統(tǒng)的外力之和，I1和Vco分別為壓電片兩端流出的電流和壓電片兩端的電壓。如果模型中使用了傳統(tǒng)的壓電懸臂梁結構，根據第二類壓電方程，可以得到T、S、D位移壓電應力與電場強度之間的關系，如圖(1)所示。

因為

式(2)中，L-壓電板的厚度，A-壓電板的表面積，Fp-壓電板對懸臂梁的反作用力。式 (3)中，KPE-壓電板的短路等效剛度，C0-壓電片的受夾電容，α-力因子。將式 (2)和式(3)代入式(1)中 可以得到:

當系統(tǒng)在一階共振頻率附近振動時，能量回收系統(tǒng)的振動平衡方程式為：

式 (5)中F-系統(tǒng)外作用力之和，KE-系統(tǒng)的等效剛度。機電耦合系統(tǒng)的系數2k如式(6)所示。

對式 (5)等式兩端同時乘以且對時間積分，可以得到式(7)，表示了整個系統(tǒng)的能量回收關系。

對式(4)中的第二個式子兩邊同時乘以Vco并對時間積分，得到機電轉換能量分為兩部分，如公式(8)是剩余在壓電板受夾電容中的能量,所以這部分可以忽略不計;是由所得能量由接口電路部分提取，其中可以看出壓電元件兩端Vco電壓的提高可以提高接口電路的回收能量。

4 結論

該種減速帶實現了傳統(tǒng)能量回收裝置的簡化，提高了該減速帶能量回收裝置的實用價值，易于維護。并對這類裝置的使用方式發(fā)散出合理的設想。該裝置還可以作為數據收集器，根據電脈沖信號進行車輛計數，進而可以作為信號配時方案設計的數據，也可以通過電信號觀察車輛數在一天的分布情況，進行交通信號控制等應用。