軌道交通領域新能源再生技術研究現(xiàn)狀與展望

吳小平 ，張祖濤 ，潘亞嘉 ，漆令飛 ，張庭生 ，郝大寧

（西南交通大學機械工程學院，四川 成都 611756）

鐵路客貨運量大、經(jīng)濟成本低，成為各國的主要運輸方式[1].特別是在某些發(fā)展中國家和發(fā)達國家，包括中國、日本和德國，高速鐵路被視為交通發(fā)展的核心，為乘客提供了快捷方便的出行方式[2-4].隨著列車速度的提升以及載客量、貨物量的增加，鐵路系統(tǒng)健康監(jiān)測發(fā)揮著越來越重要的作用[5-7]：一般分為軌道沿線側(cè)監(jiān)測[8-11]和車載監(jiān)測[12-13].對于這2 種監(jiān)測系統(tǒng)的供電，最普遍的方法是使用鋰電子電池，但是電池會造成電化學污染并且需要頻繁更換.另一種方法是通過線路連接到電網(wǎng)，但是此方法會造成遠距離電力輸送損失.在過去的 20 年內(nèi)，具有環(huán)境能量收集功能的鐵路環(huán)境自供電傳感器技術受到了極大的關注，因為該自供電技術具有環(huán)保、節(jié)能效益，并且能實時為監(jiān)測傳感器供電[14-16].

鐵路環(huán)境中的新能源再生是實現(xiàn)監(jiān)控系統(tǒng)自供電的關鍵技術[17-18].行駛中的列車周圍有相當多的風力資源，因此，風能收集被認為是鐵路領域的一種有前景的方法.特別是在隧道中，通過列車產(chǎn)生的活塞風具有為監(jiān)測傳感器供電的巨大潛力.其他鐵路環(huán)境中的清潔能源，如熱能、太陽能、聲能、制動能、無線電波能以及振動能，也被認為具有客觀的收集和應用潛力.

1 軌道交通領域新能源再生技術總體現(xiàn)狀與技術分類

軌道交通領域新能源再生技術路線如圖1 所示.

1.1 風能采集

軌道交通領域風能采集是指利用列車行駛過程中，車身周邊形成的氣流驅(qū)動發(fā)電裝置工作來進行發(fā)電，常見的發(fā)電裝置有電磁式發(fā)電機和壓電片發(fā)電機.特別是在高速鐵路沿線和隧道，風力資源十分優(yōu)越.近年來，國內(nèi)外都對鐵路沿線的風能采集技術展開了大量的研究[19-22].

2018 年，Nurmanova 等[23]設計了一種安裝在列車車頂?shù)娘L能采集裝置，如圖2 所示.該研究討論了在移動列車上實施風能收集系統(tǒng)的可行性； 建議和分析了在列車車頂安裝風力渦輪機的情況，討論了風能利用的實際問題，并強調(diào)了存在的挑戰(zhàn).其次，給出了車頂式渦輪機風力發(fā)電的計算方法，并討論了渦輪機的空氣阻力.在SolidWorks 環(huán)境中進行仿真研究，以探索風力渦輪機對移動列車的空氣阻力影響，將產(chǎn)生的功率與克服由火車車廂上方的風力渦輪機引起的額外空氣阻力所需的機械功率進行比較.結(jié)果表明風能采集產(chǎn)生的電量比列車克服運行阻力要提供的電量要多，燃料經(jīng)濟性和由此產(chǎn)生的二氧化碳排放量減少，表明了旅客列車風力渦輪機實施投資的合理性.

圖2 安裝在列車車頂?shù)娘L能收集裝置[23]Fig.2 Wind energy harvesting device installed on train roof

2019 年，Pan 等[24]提出了一種用于高速鐵路隧道自供電應用的集成S 轉(zhuǎn)子和H 轉(zhuǎn)子的便攜式可再生風能收集系統(tǒng)，該系統(tǒng)的原理和結(jié)構(gòu)如圖3 所示.該研究所提出的可再生風能收集系統(tǒng)可以收集隧道內(nèi)的風能并將其轉(zhuǎn)化為電能用于自供電傳感器.該可再生風能收集系統(tǒng)方案主要由3 部分組成：便攜式風力收集機構(gòu)、發(fā)電機模塊和儲能模塊.S 型轉(zhuǎn)子和H 型轉(zhuǎn)子集成為該系統(tǒng)中的風力獲取機構(gòu).S 轉(zhuǎn)子收集自然風能，H 轉(zhuǎn)子收集高速列車通過隧道時的活塞風能.同時，S 型轉(zhuǎn)子和H 型轉(zhuǎn)子通過單向軸承分別連接至發(fā)電機模塊.最后，電力存儲模塊采用充電速度快，壽命長的超級電容器進行儲能.通過風洞試驗環(huán)境下的測試，得出該風能采集器可以獲得 107.76 mW 的最大功率輸出和23.2%的最大效率.實驗結(jié)果表明，該風能收集系統(tǒng)是一種有前景的為高速鐵路隧道監(jiān)測傳感器供電的方法.

圖3 用于采集高速鐵路隧道活塞風的風能采集系統(tǒng)[24]Fig.3 Wind energy harvesting system for collecting piston wind of high-speed railway tunnel

2020 年，Guo 等[25]對高速鐵路隧道簡易風電機組進行了參數(shù)分析與優(yōu)化.該研究從CFD（computed fluid dynamics）的角度，利用三維URANS（非定常雷諾平均納維-斯托克斯）模型探究了在整個列車穿過隧道過程中風電機組在隧道內(nèi)不同設計參數(shù)下的能量收集性能.較高的葉片偏移距離值可以提高風洞內(nèi)風力發(fā)電機的發(fā)電效率.重疊距離為0 時，風電機組可以獲得最大發(fā)電效率.具有負扭轉(zhuǎn)角的渦輪機會產(chǎn)生比具有正扭轉(zhuǎn)角的渦輪機更好的性能.當火車以350 km/h 的速度通過時，最佳風力渦輪機可以產(chǎn)生高達157.9 W 的功率.綜合考慮我國隧道分布情況，每天可回收4.8 × 1012J 能量，足以為鐵路照明提供應急電源，還可有效緩解鐵路隧道日常照明所需電壓.

2021 年，Zheng 等[26]提出了一種用于地鐵隧道風能采集的電磁壓電混合式系統(tǒng)，其結(jié)構(gòu)如圖4 所示.這種新型混合式風能采集系統(tǒng)在地鐵隧道中收集風能，并將其轉(zhuǎn)化為電能進行存儲和利用.該系統(tǒng)由電磁風能采集模塊、壓電風能采集模塊、發(fā)電儲能模塊3 部分組成：電磁風能采集模塊利用電磁感應原理將風能轉(zhuǎn)化為電能；壓電風能采集模塊利用壓電片將風能轉(zhuǎn)化為電能；發(fā)電儲能模塊將采集到的交流電轉(zhuǎn)換為直流電，并且儲存在超級電容器中為無線網(wǎng)絡傳感器（WSN）節(jié)點供電.實驗數(shù)據(jù)表明，該系統(tǒng)在風速為7 m/s 時的能量輸出功率為59.31 mW.以成都地鐵2 號線為案例，WSN 節(jié)點消耗的能量占系統(tǒng)收集能量的49.4%～59.8%.上述結(jié)果表明，所提出的系統(tǒng)可以為地鐵隧道中的 WSN 節(jié)點系統(tǒng)提供持續(xù)穩(wěn)定的電源.

圖4 收集地鐵隧道風能的電磁壓電混合式采集器Fig.4 Electromagnetic-piezoelectric harvester for collecting wind energy in the subway tunnel

1.2 熱能采集

熱能采集技術是指利用熱電轉(zhuǎn)換材料的溫差發(fā)電原理將熱能直接轉(zhuǎn)化為可利用電能的一種技術，通常也被稱為熱電發(fā)電機.在機車車輛運行過程中，會產(chǎn)生各種能量，例如振動、熱量和列車引起的風能.當重型鐵路車輛高速運行時，能量耗散量不容忽視.因此，如果有效地收集浪費的能量，則可將其用于低功耗傳感器節(jié)點等組件供電.2018 年，Ahn 等[27]研究了一種收集機車車輛轉(zhuǎn)向架軸承產(chǎn)生的廢熱的方法，其原理如圖5 所示.使用熱電模塊 （TEM） 將軸瓦表面與室外空氣之間的溫度梯度轉(zhuǎn)換為電能.在這項研究中，TEM 中溫差導致的輸出性能經(jīng)過實驗室測試，并通過冷卻翅片的計算流體分析進行了最大化處理.該研究還設計了優(yōu)化的熱電能量收集系統(tǒng)（TEHS）并將其應用于車輛，以分析機車運行中的發(fā)電性能.當機車車輛運行約57 min （包括最大速度為 300 km/h 的間隔）時，測得的最大開路電壓約為 0.4 V.基于這項研究，該系統(tǒng)有望用作未來低功耗傳感器節(jié)點的自供電.

圖5 應用于機車轉(zhuǎn)向架的熱能收集原理Fig.5 Principle of heat energy collection applied to rolling stock

其次，在軌道交通領域，鐵軌由于其良好的導熱性，也被認為是一種有效的熱能采集源.2019 年，Gao 等[28]提出了一種采集鐵軌熱能的發(fā)電系統(tǒng)，其結(jié)構(gòu)原理如圖6 所示.本研究旨在開發(fā)一種從鐵路軌道收集熱電能的原型.通過捕獲鐵路軌道中現(xiàn)有的熱能，該技術有助于在不消耗自然資源的情況下為離網(wǎng)和偏遠地區(qū)的鐵路側(cè)傳感器供電.在中國南方等低緯度地區(qū)，由于太陽輻射，鐵軌溫度可達57 ℃.然而，在軌道基礎下方相對較淺深度（200 mm）的基質(zhì)層（例如土壤層）具有較低的溫度（即15～26 ℃）.這種溫差可通過熱電發(fā)電機（TEG）進行發(fā)電，該研究提出的方法從鐵路軌道捕獲熱能并將能量傳輸?shù)杰壍赖撞肯路降腡EG.該系統(tǒng)通過有限體積分析、現(xiàn)場測試和實驗室內(nèi)實驗進行了評估.結(jié)果表明，所提出的熱電發(fā)電機可以在8.0～29.2 ℃的熱梯度下通過電阻負載產(chǎn)生5.8～316.8 mW 的功率.同時，該研究開發(fā)了具有鋰電池管理功能的DC-DC 降壓-升壓器電路，通過收集的熱能為電池充電.該系統(tǒng)工作在0.9 V 的低啟動電壓下，轉(zhuǎn)換效率大于60%.

圖6 軌道熱能采集系統(tǒng)Fig.6 Track thermal energy harvesting system

1.3 太陽能采集

太陽能采集通常是利用光伏板將太陽輻射直接轉(zhuǎn)化為電能.太陽能資源豐富，分布廣闊.在軌道交通領域，利用太陽能為鐵路沿線的用電設施供電具有不錯的前景.Ruscelli 等[29]在2017 年提出了使用能量收集系統(tǒng)來集成到列車動力系統(tǒng).該研究分析了目前可用的技術并選擇技術成熟的光伏系統(tǒng).截至2017 年為止，只有大型太陽能發(fā)電廠被認為是鐵路的能源，很少有研究火車運行沿線本地化太陽能利用的解決方案.關于鐵路領域太陽能采集的研究可以追溯到21 世紀初期，當時光伏技術對于這一應用領域還不夠成熟.隨著技術的發(fā)展，與21 世紀初期相比，現(xiàn)在的光伏發(fā)電量可以增加到 400%.在Ruscelli 的研究中，其仿真結(jié)果表明，基于微型逆變器和去耦光伏組件的新型功率優(yōu)化解決方案可以克服由于列車車頂光伏板的非最佳朝向、列車運動和陰影導致的限制，將能量產(chǎn)量從2%增加到25%.所提出的方法可以使鐵路系統(tǒng)對環(huán)境問題敏感的用戶更具吸引力，并可以促進與城市和地方交通的其他綠色解決方案的多式聯(lián)運.

2021 年，Hao 等[30]提出了一種基于折疊翼機構(gòu)的高效便攜式太陽能收集系統(tǒng)（SEHS），為鐵路沿線裝置提供電力，其結(jié)構(gòu)原理如圖7 所示.由于其便攜性，該系統(tǒng)可以用作鐵路沿線電氣裝置的臨時或永久備用電源，由2 個主要部分組成：太陽能折疊翼模塊（SFWM）和儲能模塊.光伏 （PV） 面板將太陽能轉(zhuǎn)化為電能，產(chǎn)生的電能存儲在超級電容器中，為軌道側(cè)電力設施供電.通過理論分析和仿真結(jié)果表明，該太陽能收集系統(tǒng)年發(fā)電量可達673 994 kW?h.此外，在實驗室環(huán)境下使用太陽模擬器對提出的系統(tǒng)進行了太陽輻射模擬實驗.當外接負載為5 Ω 時，所提出SEHS 的最大輸出功率為10.934 W，表明所提出的光伏系統(tǒng)能夠作為永久電源或臨時電源為軌道側(cè)小功率設施供電.

圖7 鐵路系統(tǒng)便攜式太陽能采集系統(tǒng)Fig.7 Portable solar energy harvesting system in railroad

1.4 聲能采集

鐵路運行過程中的噪聲有多種來源，其中包括機車的發(fā)動機和冷卻風扇、齒輪、高速運行的空氣動力效應以及輪軌的相互作用.車輪/軌道噪音或“滾動噪音”是由車輪在軌道上滾動時車輪和軌道的振動激發(fā)產(chǎn)生的.激勵是由車輪和軌道之間界面處的組合表面粗糙度或“接觸面”提供的.因為整個車輪和軌道系統(tǒng)是由界面處的組合粗糙度激發(fā)的，所以正是這個組合值決定了滾動噪聲的水平，而不是單獨的軌道和車輪粗糙度分量.輪軌接觸噪聲對周圍環(huán)境有負面影響，因此近年來出現(xiàn)了關于可降噪或消噪的聲能采集技術[31].

2018 年，Noh[32]提出了一種使用壓電發(fā)電機收集鐵路環(huán)境噪聲的技術.在該研究中，能量收集系統(tǒng)的設計是利用高速列車實際運行過程中產(chǎn)生的噪聲來實現(xiàn)的.其結(jié)果證明，50～200 Hz 的低頻噪聲在乘客、駕駛室和車廂之間產(chǎn)生.此項研究的結(jié)果用于基于理論模型設計的174 Hz 目標噪聲亥姆霍茲諧振器.此外，借助聲源揚聲器進行數(shù)值模擬以研究諧振器壁中的震動.最后，使用各種結(jié)構(gòu)的壓電元件（例如矩形和圓形板）進行能量收集實驗.實驗結(jié)果表明，對于100 dB 的入射聲壓級，使用大矩形板壓電元件會產(chǎn)生大約 0.7 V 輸出電壓，足以為各種低功率電子設備供電.

同年，Wang 等[33]提出了使用亥姆霍茲諧振器和聚偏二氟乙烯（ PVDF）薄膜的高速鐵路可再生低頻聲能收集噪聲屏障，其樣機展示如圖8 所示.該研究的核心是使用亥姆霍茲諧振器和PVDF 薄膜將高速鐵路低頻噪聲的聲能轉(zhuǎn)換為電能.其可再生聲能采集系統(tǒng)方案主要由4 部分組成：噪聲采集輸入模塊、聲壓放大模塊、發(fā)電機模塊和儲能模塊.聲壓在亥姆霍茲諧振器中被放大，發(fā)電機模塊中的PVDF 薄膜可以將聲能轉(zhuǎn)化為電能.電力存儲模塊將電能存儲在超級電容器中，為鐵路沿線的監(jiān)測傳感器等小型電子設備供電.基于實驗，該系統(tǒng)的一個單元可以在110 dB （SPL） 下產(chǎn)生 74.6 mV 的瞬時最大輸出電壓，驗證了所提出的聲能收集噪聲屏障系統(tǒng)具有為高速鐵路沿線低功耗傳感器供電的潛力.

圖8 用于高速鐵路的聲能收集噪聲屏障Fig.8 Renewable low-frequency acoustic energy harvesting noise barrier for high-speed railways

1.5 制動能采集

在列車進站減速時，列車的制動系統(tǒng)會產(chǎn)生大量的制動能量，而這些制動能量通常以熱能的形式耗散掉.為了提高列車運行時的能源效率，一些研究人員開展了列車再生制動的研究.2014 年， Jiang 等[34]研究了在電氣化火車站收集列車制動能量的方法，討論了再生制動產(chǎn)生的能量的吸收、儲存和使用方法.同時提出了2 種措施：1） 將再生能源反饋到配電網(wǎng)，為火車站的固定負載供電；2） 將再生能源用于為鐵路車載存儲容器充電，該容器也可以為固定負載供電或運輸?shù)狡渌胤揭詡洳粫r之需.使用再生制動收集的能量很重要，因為其基本上可以將市政火車站轉(zhuǎn)換為微電網(wǎng).雖然其設計目的是一次只提供幾分鐘的電力，但再生制動可以提供極其通用的能量收集，否則這些能量會被浪費在大氣中作為額外的熱量.該研究以一個典型的城市火車站為案例，其結(jié)果表明，再生制動每年可以賺幾百美元，是經(jīng)濟上難得的亮點.

2017 年， Kaleybar 等[35]提出了一種交流電氣化鐵路變電站再生制動能量收集智能策略，其原理如圖9 所示.該研究將再生制動能量 （RBE） 恢復到配電網(wǎng)并將鐵路牽引供電變電站（TPSS）轉(zhuǎn)換為微電網(wǎng).在所提出的策略中，鐵路電能質(zhì)量補償器（RPQC）將RBE 反饋到符合美國電氣與電子工程師協(xié)會（IEEE）電能質(zhì)量（PQ）標準的電網(wǎng).此外，所提出的拓撲結(jié)構(gòu)可以為其他相鄰的運行列車供電.用于RPQC 的智能控制系統(tǒng)可以抑制諧波、控制負序電流（NSC）和補償功率因數(shù)（PF）.仿真結(jié)果驗證了所提出策略的有效性.

圖9 交流鐵路變電站再生制動能量收集智能策略Fig.9 Intelligent strategy for regenerative braking energy harvesting in AC electrical railway substation

1.6 振動能采集

除了上述各種能量采集，軌道和列車懸架振動能量采集是軌道交通領域近年來受關注程度最高的能源采集技術.由于鐵路軌道接頭、輪軌磨損和風力因素，在火車行駛過程中，車體、軌道和其他基礎設施會持續(xù)振動.

軌道振動主要由軌道不平順度[36]引起，采用功率譜密度函數(shù)來描述，如式（1）.

式中：SV(w)為軌道不平順的譜函數(shù)， cm2?m/rad；Av為軌道不平順譜粗糙度常數(shù)， cm2?rad/m；w1、w2為截斷頻率，w0為空間頻率，rad/m.

無論是在車體上還是軌道旁，都存在監(jiān)測列車和軌道正常工作的無線網(wǎng)絡傳感器.因此，通過采集列車或軌道的振動能，并就近為其監(jiān)測傳感器供電具有可觀的前景.從振動源頭分類，軌道交通的振動能量采集技術可以分為軌道側(cè)振動能量采集[37]和車側(cè)振動能量采集[38].從能量采集技術原理分類，軌道交通振動能量采集（RVEH）主要有4 個分支：電磁式振動能量采集、壓電式振動能量采集、摩擦式振動能量采集和液壓式振動能量采集.

下文將對基于各種原理的軌道交通振動能量采集技術進行詳細的文獻綜述.

1.6.1 電磁式振動能量采集

電磁式能量采集器由于其能量收集效率高和可控性強，已在各種交通運輸領域展開理論和試驗研究，例如基于車輛懸架系統(tǒng)的振動能量采集[39-41]和基于道路減速帶的振動能量采集[42-44].電磁式振動能量采集的基本原理是基于電磁感應，利用外界振動源驅(qū)動磁場和導體產(chǎn)生相對運動，進而使得導體中產(chǎn)生電流.通常情況下，電磁振動能量采集技術會借助中間機械整流結(jié)構(gòu)將雙向往復振動轉(zhuǎn)變成單向旋轉(zhuǎn)運動后再驅(qū)動發(fā)電機發(fā)電.在鐵路領域，電磁式振動能量采集技術更是受到了廣泛關注.總體上講，鐵路領域基于電磁式原理的振動能量采集技術主要分為線性振動能采集器[45-47]和旋轉(zhuǎn)式振動能采集器[48-50].軌道側(cè)和車側(cè)的線性振動能量采集器都是通過吸收軌道或列車的振動進而驅(qū)動永磁體在線圈之間線性往復運動來產(chǎn)生電能.線性電磁式振動能量采集器具有原理和結(jié)構(gòu)簡單的優(yōu)點，并且容易安裝在軌道側(cè)或車體懸架上.對于旋轉(zhuǎn)式電磁振動能量采集器，通常需要使用機械振動整流器（MVR）將列車或軌道的直線往復振動轉(zhuǎn)換為輸出軸的單向旋轉(zhuǎn)運動.因此，旋轉(zhuǎn)式電磁振動能量采集器的輸出性能主要受MVR 結(jié)構(gòu)的影響.為了提高振動能量的收集效率，基于各種機構(gòu)的MVR 系統(tǒng)不斷更新，包括齒條齒輪機構(gòu)[51-52]、滾珠絲杠機構(gòu)[53-54]和一些其他機構(gòu)[55-56].與線性電磁式振動能量采集器相比，旋轉(zhuǎn)式電磁振動能量采集器具有更復雜的結(jié)構(gòu)、更高的能量密度，并且整體系統(tǒng)更緊湊[57].

電磁式能量采集器動力學模型[53]為

式中：a(t)為采集器頂端加速度；C1、C2為積分常數(shù)；k為剛度系數(shù)；m為采集器輸入部分質(zhì)量；t為時間.

系統(tǒng)輸出功率[53]為

式中：T(t)為轉(zhuǎn)矩；l為導程；J為轉(zhuǎn)運慣量；v(t)為系統(tǒng)速度.

基于電磁式的鐵路軌道振動能量采集方案研究較多，表1 為部分研究者采用不同結(jié)構(gòu)方案設計的RVEH 發(fā)電情況對比.

表1 基于電磁轉(zhuǎn)換的RVEH 不同結(jié)構(gòu)能量采集對比Tab.1 Energy acquisition comparison of different structures of RVEH based on electromagnetic conversion

1.6.2 壓電式振動能量采集

除了電磁式振動能量采集，基于壓電原理的振動能量收集技術是軌道交通領域中最普遍的能量再生策略[58-60].壓電式振動能量采集的基本原理是基于壓電效應，利用外界振動源驅(qū)動壓電介質(zhì)產(chǎn)生形變使其內(nèi)部會產(chǎn)生極化現(xiàn)象，同時在2 個相對表面上出現(xiàn)正負相反的電荷.根據(jù)文獻資料記載，重載鐵路和高速鐵路領域中的環(huán)境振動振幅均為毫米級，而振動頻率范圍較寬，在30～650 Hz[61-62].近年來，為了提高鐵路系統(tǒng)的安全性和舒適性，軌道領域?qū)＜彝ㄟ^改進技術進一步減輕了火車引起的振動[63].在這種寬頻低振幅的振動環(huán)境中，基于壓電原理的振動能量采集技術是一種更有效的采集列車或軌道的振動能量.Nelson 等[64]和Mouapi 等[65]分別證明了軌道側(cè)和車側(cè)壓電振動能量采集器可以實現(xiàn)為低能耗的監(jiān)測傳感器節(jié)點供電.相比于電磁式振動能量采集，壓電式軌道交通振動能量采集在結(jié)構(gòu)上更加簡單，在輸出上能夠得到更高的輸出電壓，但是由于其自身阻抗較大，其輸出電流較小.

壓電式振動能量采集動力學模型[58]為

式中：Z為相對位移；w為振動頻率；x為永磁鐵基座振動幅值；μ為彈性系數(shù)；m1為質(zhì)量塊質(zhì)量；c為阻尼系數(shù).

表2 列出了部分基于壓電研究的RVEH 不同結(jié)構(gòu)能量采集結(jié)果，可進行更直觀對比.

表2 部分基于壓電式的RVEH 不同結(jié)構(gòu)能量采集結(jié)果Tab.2 Energy collection results of different structures of RVEH based on piezoelectricity

1.6.3 摩擦式和液壓式振動能量采集

近年來，還提出了基于摩擦發(fā)電原理和液壓機制的振動能量采集技術[69-71].通常情況，摩擦式的軌道振動能量采集技術需要引入摩擦納米發(fā)電機將軌道的微振動轉(zhuǎn)化為電能，進而用于監(jiān)測傳感器等小功耗負載供電.摩擦納米發(fā)電機在2012 年由王中林院士等[72]提出，其原理是利用2 種對電子束縛能力不同的材料，相互接觸時得失電子而在外電路產(chǎn)生電流的微型電機.主要有4 種模式：垂直接觸分離、平面滑動式、單電極式、獨立層式.納米發(fā)電機技術是近十年來興起的一項新技術[73-74]，如圖10 所示，這種新興技術本身對材料和電路控制系統(tǒng)有很高的要求.因此，基于摩擦發(fā)電機制的軌道振動能量采集技術研究還處在一個萌芽階段.液壓式振動能量采集的原理是利用外界振動源將振動機械能轉(zhuǎn)化為液壓流體的壓力能，液壓流體通過集成塊（或閥組合）被傳輸?shù)桨l(fā)電機，進而驅(qū)動電機進行發(fā)電.由于液壓系統(tǒng)對密封要求高、控制復雜以及結(jié)構(gòu)復雜等特點[75-77]，如圖11 所示，因此，基于液壓原理的軌道振動能量采集研究也沒有受到廣泛關注.

圖11 軌道液壓能量收集系統(tǒng)Fig.11 Rail hydraulic energy collection system

2 研究趨勢及熱點分析

本文通過西南交通大學網(wǎng)上圖書館，利用“軌道交通”“能量采集”“能量回收”等中文關鍵詞和“rail trans*”“energy harvest*”“energy collect*”等英文關鍵詞分別在CNKI 和Web of Science 核心數(shù)據(jù)庫進行期刊文獻主題檢索，時間跨度為2000 年—2020 年.共檢索到軌道交通新能源再生相關研究中文文獻41 篇，英文文獻297 篇，并利用檢索到的338 篇文獻進行研究趨勢及熱點分析.

2.1 發(fā)文特征分析

年度發(fā)文量是衡量該研究領域被關注程度以及發(fā)展狀況的重要指標，圖12 展示了軌道交通領域新能源再生研究的年發(fā)文情況.從圖中可以得出：總發(fā)文量自2000 年起呈現(xiàn)總體上升趨勢，尤其是2010 年進入快速增長階段，但是研究成果在英文期刊發(fā)文量要多于中文期刊發(fā)文量，且該差距正逐漸加大.文章數(shù)量的不斷增加表明軌道交通領域能量采集研究正逐漸引起研究人員重視且發(fā)展快速.

圖12 軌道交通新能源再生研究年度發(fā)文量Fig.12 Annual publications of rail energy harvesting research

2.2 關鍵詞基礎性熱點分析

由圖12 可知，軌道交通領域新能源再生相關研究成果主要發(fā)表在英文期刊，故本文利用CiteSpace軟件對相關英文文獻進行關鍵詞分析.關鍵詞是文章核心內(nèi)容的細化，本文通過關鍵詞共現(xiàn)方式展示軌道交通領域能量收集研究的關鍵點.利用Cite-Space 軟件分析得到的關鍵詞圖譜如圖13 所示，圖中節(jié)點和字號大小與關鍵詞出現(xiàn)頻次成正比.出現(xiàn)頻率最高的前15 個關鍵詞如表3 所示.通過圖12和表3 可知，能量采集器（energy harvester）是研究人員最關注的研究內(nèi)容，其次是性能（performance）、發(fā)電（generating electricity）、算法（algorithm）、能源消耗（energy consumption）、振動能量采集（vibration energy harvesting）、環(huán)境影響（environmental impact）、電路（circuit）等.

圖13 軌道交通能量采集研究關鍵詞共現(xiàn)Fig.13 Co-occurrence of keywords in energy collection of rail transit

2.3 關鍵詞階段性前沿研究分析

突現(xiàn)詞是指突然出現(xiàn)或受研究人員高度關注的詞.通過研究關鍵詞突現(xiàn)，可以更好地把握研究前沿和熱點.圖14 是2000 年—2020 年軌道交通領域新能源再生研究英文文獻關鍵詞突現(xiàn)圖譜.從圖中可以看出,研究熱點按時間順序分別為：算法（algorithm）、電路（circuit）、環(huán)境影響（environmental impact）、電磁式（electromagnetic）、能量采集器（energy harvester）、無線傳感器網(wǎng)絡（wireless sensor network）、發(fā)電（generating electricity）、發(fā)電機（generator）、效率（efficiency）、振動能量采集（vibration energy harvesting）、仿真（simulation）、優(yōu)化（optimization）.值得注意的是，振動能量采集（vibration energy harvesting）是研究熱度最高的方向，且自2018 年之后始終保持著高熱度，且同仿真（simulation）、優(yōu)化（optimization）、效率（efficiency）等研究方向一直到2020 年始終保持高熱度.

圖14 2000 年—2020 年軌道交通能量采集研究英文文獻突現(xiàn)詞圖譜Fig.14 Atlas of emergent words on energy collection of rail transit study in English literature ( year 2000-2020)

從圖14 可以進一步得出如下結(jié)論，軌道交通能量采集研究領域的研究點正發(fā)生變化，2018 年以前的突現(xiàn)詞為算法（algorithm）、電路（circuit）、環(huán)境影響（environmental impact）等，研究內(nèi)容孤立，相互聯(lián)系不大.隨著研究的不斷深入，2018 年出現(xiàn)優(yōu)化（optimization）、效率（efficiency）等突現(xiàn)詞，為軌道交通能量采集研究指出了新的研究方向，也是該研究領域的重要轉(zhuǎn)折點，意味著該領域研究重點正從算法（algorithm）、電路（circuit）等孤立點研究轉(zhuǎn)向優(yōu)化（optimization）、效率（efficiency）等綜合性研究.

3 應用前景

鐵路系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運行離不開無線網(wǎng)絡傳感器節(jié)點（WSN）的監(jiān)控.無論是鐵路側(cè)還是車輛側(cè)，都需要各種傳感器來實時監(jiān)測鐵路系統(tǒng)的狀態(tài).WSN 自供電技術是近年來研究的熱點.傳統(tǒng)上，有2 種方式為 WSN 節(jié)點供電：鋰電池供電和電網(wǎng)供電.鋰電池供電存在人工更換電池繁瑣和造成電化學污染的缺陷，尤其是在偏遠地區(qū)，由于遠距離輸電，電網(wǎng)供電不可避免地存在能量損耗.一般傳感器的功耗在微瓦到毫瓦范圍內(nèi)，而大量研究表明大多數(shù)能量采集器的功率輸出在毫瓦到瓦特范圍內(nèi).因此，基于環(huán)境新能源再生技術驅(qū)動的自供電無線網(wǎng)絡傳感器技術可以有效促進軌道交通綠色、智能、安全發(fā)展.目前已經(jīng)有一些關于使用軌道領域環(huán)境新能源再生裝置為列車側(cè)和軌道側(cè)的傳感器供電的研究.例如，Gao 等[78]提出了一種基于磁懸浮能量收集器的自供電 Zigbee-WSN 技術，用于監(jiān)測鐵路狀況.現(xiàn)場實驗測試結(jié)果表明，所提出的能量采集裝置為Zigbee-WSN 供電是可行的.Hadas 等[79]提出了一種為軌道旁物體供電的能量收集技術，其仿真結(jié)果表明，在列車速度為 130 km/h 的情況下，所提出的能量采集器產(chǎn)生的平均輸出功率可以達到 200 mW，表明該能量采集裝置可以滿足微瓦和毫瓦傳感器的功率要求.

除了軌道側(cè)的自供電策略外，Jin 等[80]開發(fā)了一種磁懸浮多孔納米發(fā)電機（MPNG）來收集振動能量，為高速列車上的監(jiān)測傳感器供電.結(jié)果表明，所提出的 MPNG 產(chǎn)生的能量足以為 400 個商用發(fā)光二極管供電，并且可以將超級電容器從0 充電到3 V.Wang 等[81]提出了一種壓電能量采集器，用于列車集裝箱監(jiān)測中的自供電應用.仿真和實驗結(jié)果表明，所提出的2 個串聯(lián)式能量收集器可以有效地為濕度和溫度傳感器供電.

在偏遠的軌道交通環(huán)境中，除了監(jiān)控系統(tǒng)外，還有其他附屬電氣設施，如交通燈、隧道照明、通風設備等.隨著能量采集技術的逐漸成熟，其能量輸出的逐漸提升，軌道交通領域的新能源再生技術也具有為其附屬電氣設施供電的潛能，如圖15 所示.

圖15 軌道新能源再生技術應用Fig.15 Application of energy harvesting technology in railway system

4 總結(jié)與展望

總結(jié)了近年來軌道交通領域新能源再生的最新技術及研究現(xiàn)狀，包括軌道交通領域風能采集、熱能采集、太陽能采集、聲能采集、制動能采集以及振動能采集.以上不同種類能量的采集利用，為節(jié)能減排、智慧鐵路，特別是高海拔高寒鐵路運營監(jiān)控和軌道控制提供電能.

比較和討論了基于不同原理機制的軌道振動能量技術的優(yōu)缺點.因軌道振動能量是近年研究的熱點，將振動能轉(zhuǎn)化為電能實現(xiàn)傳感器的自供電是一個重點的研究發(fā)展方向.總體上講，軌道交通領域振動能量采集主要包括：電磁式、壓電式、摩擦式和液壓式.電磁式和壓電式能量采集是目前軌道交通中最流行的2 種技術.不同類型振動能量采集器的主要特點如下：1） 電磁式采集器功率輸出大，能量轉(zhuǎn)換效率高，但結(jié)構(gòu)復雜；2） 壓電式采集器結(jié)構(gòu)簡單，振動響應靈敏，但功率和電流輸出低；3） 摩擦發(fā)電式采集器輸出電壓高，但是輸出功率和電流低；4） 液壓式采集器輸出功率大，但結(jié)構(gòu)復雜，對密封要求嚴格.

分析了軌道交通領域新能源再生的研究趨勢及熱點.通過對年度發(fā)文量分析，得到年度發(fā)文量基本逐漸增加，且主要發(fā)表在英文期刊；通過關鍵詞共現(xiàn)展現(xiàn)軌道交通領域能量收集研究的關鍵點；通過關鍵詞突現(xiàn)展示究前沿和熱點.

雖然很多研究已經(jīng)成功證明軌道交通領域現(xiàn)有的振動能量采集技術具有良好的輸出性能，但在實際應用中仍然存在一些挑戰(zhàn)和被忽視的問題：1） 穩(wěn)定性，如何將采集到的隨機振動能量轉(zhuǎn)化為可以為負載實際供電的穩(wěn)定電能；2） 耐用性，如何為負載提供長期持續(xù)供電；3） 經(jīng)濟性，缺少能量采集器的成本和經(jīng)濟效益相關的分析；4） 能量大小，目前的研究多為關注能量采集器的功率輸出，缺少能量大小相關的討論；5） 運動放大，在將振動能轉(zhuǎn)化為電能之前，可考慮采用運動放大機構(gòu)來提高振動幅度進而增加能量輸出；6） 可靠性，在高低溫頻繁更迭、風雪較大的高海拔高寒地區(qū)各類裝置的可靠運行性問題.上述6 點是軌道交通振動能量采集技術在未來得以實際推廣應用的關鍵點.

未來，隨著軌道交通領域能量采集技術發(fā)展的逐漸成熟，高速動車、貨運列車運行時，軌道監(jiān)測、傳感、控制將無須額外電網(wǎng)電源供電，鐵路軌道將實現(xiàn)智能監(jiān)控；鐵路沿線的泥石流、塌方監(jiān)測通過傳感器自供電技術，實現(xiàn)實時在線監(jiān)測預警；高海拔高寒無人地區(qū)，可利用各類能量采集技術，實現(xiàn)鐵軌、道岔的自融雪融冰，軌道運行監(jiān)測及沿線監(jiān)控自供電.

致謝：感謝四川省科技廳省院省校合作項目（2021YFSY0059）、四川省科技廳重大項目（ 2021YFQ0055） 、 宜賓市科技計劃項目（2021ZYCG017）給予的支持.