地铁轨道振动能量回收系统储能技术

地铁轨道振动能量回收系统储能技术吴丽君;徐振龙浏晓红;赵峰;孙栩;王喻红浏磊【摘要】对地铁轨道振动能量回收系统储能技术进行研究，设计整流汇流电路、压电振子驱动发光二极管电路、阻抗变换电路等，并进行储能及供能实验.实验结果表明,利用所设计的储能及供能电路能够实现对轨道振动能量的回收及供能目标.【期刊名称】《交通科技与经济》【年(卷)，期】2019(021)005【总页数】5页(P76-80)【关键词】振动能量;压电振子;整流汇流;阻抗变换;能量回收【作者】吴丽君;徐振龙浏晓红;赵峰;孙栩;王喻红浏磊【作者单位】黑龙江工程学院计算机科学与技术学院,黑龙江哈尔滨150050;哈尔滨工业大学机电工程学院，黑龙江哈尔滨150001;黑龙江工程学院计算机科学与技术学院,黑龙江哈尔滨150050;黑龙江工程学院计算机科学与技术学院，黑龙江哈尔滨150050;黑龙江工程学院计算机科学与技术学院,黑龙江哈尔滨150050;黑龙江工程学院计算机科学与技术学院,黑龙江哈尔滨150050;黑龙江工程学院计算机科学与技术学院，黑龙江哈尔滨150050【正文语种】中文【中图分类】TB332能源问题是当今世界最为关注的问题之一，各国科技工作者一直在致力于寻找和开发新型能源来解决能源缺乏和使用传统能源时存在的问题。将工作和生活环境中的潜在能源加以利用一直是个热门课题。其中，振动或噪声是环境中潜在的能源之一，几乎无处不在且具有较高的能量密度。以地铁为例，地铁在运行过程中产生很大的振动能量通过轮轨噪声向夕卜辐射。而随着城市人口的快速增长，地铁正逐步成为大中城市的主要交通工具，若能将地铁在运行过程中产生的振动能量回收利用，用于系统自身的照明、行车信息和广告显示，则可达到节能环保及降低噪声之双重目的。1能量回收系统根据调研和文献检索［1-2］,采用压电俘能技术可以实现对地铁轨道振动能量的回收和降低噪声的目的。由压电材料制成的压电俘能装置具有结构简单、不发热、无电磁干扰、无污染、易于加工制作等诸多优点而备受关注。目前研究较多的压电俘能装置的结构形式有悬臂梁式和圆盘式。其中，悬臂梁压电俘能装置能量转化效率高、结构简单、谐振频率低，更容易在低频环境下产生谐振，俘获振动能量多，也易于轨道系统安装［3-5］。研究表明［6-8］,双晶并联悬臂梁压电俘能装置输出电流明显高于串联的输出电流，所以本文采用双晶并联悬臂梁压电俘能装置。虽然双晶并联压电俘能装置输出功率较大，但仍无法为通用的显示电路供电，必须采用多个并联压电悬臂梁作为能量获取装置，而储能和供能电路的设计是实现系统功能的关键技术之一。2整流汇流电路设计由于各压电悬臂梁谐振频率不尽相同，因此各路输出电压和相位也不完全一致，直接将其并联会导致电中和问题。为高效汇集多个压电振子产生的电能，本文设计实现了多路整流汇流与储能电路，经较长时间储能后，可带动较大功率的通用显示电路，下面以4路为例对其原理进行说明（见图1所示）。图1多路压电悬臂梁汇流电路如图1所示，B1~B4为4个双晶并联压电振子，D1~D4、D5~D8、D9~D12和D13~D16分别是其对应的桥式整流器（输出电压为V1~V4）。4个整流器的输出直接并联后，对超级电容C1和C2进行充电，D17是用于保护C1和C2的齐纳二极管，使充电后的电容电压Uc不会超过4.7V。下面分析整流汇流电路。图2中所示U1~U4为4个悬臂梁压电俘能器的输出电压波形。图2各悬臂梁压电俘能器的输出电压波形U1~U4为不同电压不同相位的交流电压，经整流后的波形为V1~V4，如图3所示。图3各悬臂梁压电俘能器经整流后的电压波形工作原理：由于C1和C2容量很大，故Uc短时间内可认为不变。当V1~V4中任一者高于Uc时，对应的整流器就会导通，形成充电电流，将振动能量存储入C1和C2中。由于4个整流电路可以在不同的时间开启，且可防止电流反向流动，因此尽管各压电振子输出电压和相位不同，图1所示电路仍可实现多个压电振子向一组储能元件的汇流储能功能。D1~D16选用导通压降小、反向电流小的管子1N60。能量回收系统采用点阵式液晶作为显示元件，为了驱动液晶模块，设计电路，如图4所示。图4显示电路如图4所示，点阵式液晶模块为通用的1602型，由AVR低功耗单片机ATtiny24V驱动。其中单片机的PC3-PC为数据总线，连接液晶模块的D7-D4端;PC7-PC5为控制总线，连接液晶模块的R/S（命令/数据）、RW（读写）和E（使能）端。即液晶模块工作于4位数据总线模式，有利于节约单片机的IO资源。由于超级电容在放电过程中的电压不断降低，因此必须采用升压电路维持单片机和液晶模块的正常工作。升压芯片采用了MAXIM的BOOST升压集成电路MAX1674，其特点是启动电压低（达0.9V），效率高（可达93%），输出电流高达300mA。单片机的PC7配置为ADC（模数转换）端口，其作用是测量超级电容的当前电压，并用百分比的形式显示当前的储能电量。根据公式可知，储能电量的百分比与当前超级电容电压的平方有关。设电容充电饱和时的电压为4.5V，则储能百分比为（1）图4中的R和C构成低通滤波器，用于使显示数据更加稳定。在储能电路设计的基础上，进行压电俘能装置驱动发光二极管的供能电路设计。3压电振子驱动发光二极管压电振子在机械谐振条件下对外输出最大功率，若功率足够大，则可驱动发光二极管持续点亮，实现利用地铁运行时的振动能量发电而显示相关信息。压电振子属高阻抗器件，即其输出呈现“高电压（101~103V量级）、低电流（10-6~10-4A量级）”特性，即使多个压电振子经整流和汇流后，其阻抗仍高达数千Q；而发光二极管阻抗较低，工作于〃低电压（数V）、相对大电流（10-3~10-2A量级）”状态。根据最大功率传输条件，若将二者直接相接，显然难以获得最大功率传输效率，发光二极管可能处于微弱的闪烁状态，或者根本不亮，无法指示信息;而用足够多压电振子汇流后直接驱动发光管的话，则会将其击穿。为此必须在两者之间加入一个阻抗变换装置，通过选取最优的变换系数，实现压电振子持续高效驱动发光二极管。本部分在研究发光二极管伏安特性和压电振子等效电路的基础上，推导出可实现最高功率传输效率的阻抗变换系数，并给出阻抗变换电路。3.1发光二极管的伏安特性发光二极管(LED)是一种常用的发光电子元件，具有亮度高、耗电省、寿命长、适应快速闪烁和色彩丰富等特点。LED符号及其等效电路如图5所示。如图5等效电路所示，R为LED的材料体电阻，其值一般为数Q至数百Q；Dz为齐纳二极管，代表LED的开启电压Ua，依LED的材料不同，Ua在1.8~4.5V之间；D1为理想二极管，反映了LED作为二极管的反向阻断特性。作为发光器件，LED通常工作于正向电压下，此时其伏安特性曲线如图6所示。图5LED符号及其等效电路图6LED正向伏安特性曲线如图6所示，当LED夕卜加电压U<Ua时，电流I很小，LED处于未开启状态；当U>Ua后，I迅速增大，在工作点O处，LED的耗散功率为Po=Io・U。(如图中阴影部分面积所示)；当U继续增大超过某一值Um时，1的增速趋于平缓，此时LED功耗很大而亮度不再显著增加，同时发热严重，故从经济和器件寿命角度来看，U>Um段是危险工作区域，应避免进入。LED在O点的阻抗可表示为:由于Dz及其它非线性因素的限制，LED伏安特性曲线不是过原点的直线，故r。随O点而变，呈非线性。由上述分析可知，LED的工作电压应设置于Ua<Uo<Um范围内，在此基础上根据当前的ro调节LED电源内阻Rin，使Rin=ro，以实现最大的功率传递效率。3.2压电振子等效电路压电振子等效电路如图7(a)所示：图7压电振子等效电路及其简化Cm是动态电容，Lm是动态电感，Rm是动态电阻，三者均为机电等效量，分别表征了振子的力顺、惯性和机械阻，Ce是压电振子的静态电容，为真实电学量。压电振子的机械谐振频率可表示为(2)当夕卜界振动频率等于fs时，Cm和Lm共同吸收振动能量，对外输出电能，可用一交流电压源表示，故该条件下压电振子等效电路转变为图7(b)。又因Ce的值一般为数十nF，而本系统设计中所采用压电振子的谢振频率约为70Hz左右，Ce容抗为106Q量级，远大于Rm，因此Ce的分流作用可以忽略不计，即等效电路转变为图7(c)所示。设整流和汇流过程为理想，所有压电振子的输出电压(包括频率、幅度和相位)相同，振子数目为n，则整流汇流后压电振子组的内阻Rin变为⑶3.3阻抗变换器根据最大功率传输条件，用压电振子组驱动发光二极管时，必须使Rin=ro。而ro通常为数千Q以内，且随着工作点改变而变化，因此必须在压电振子组和LED之间加入一个阻抗变换器，其变换系数为k，通过使Rin=kro,⑷来实现最大功率传输效率。具有阻抗变换功能的元器件很多，其中最为常用的是变压器。变压器通过电磁感应原理实现能量传递，由于输入端与输出端的功率相等而电压可变，因此能实现阻抗变换。用变压器实现阻抗变换具有效率高的优点，但其体积和重量较大(低频条件下)，而且只能传递交流电。另一种可实现阻抗变换的器件是直流稳压电源，又可分为线性稳压电源和开关型稳压电源。综合分析变压器、线性稳压电源和开关型稳压电源的特点和阻抗变换性质，针对本次设计中压电振子微功率输出和LED直流工作的属性，设计采用开关型稳压电源的原理来实现压电振子组和LED之间的阻抗变换。4储能及供能实验先对多悬臂梁压电振子的俘能能力进行测试，为此建立多悬臂梁压电振子俘能实验装置，如图8所示。实验装置主要包括信号发生器、功率放大器、激振器、多悬臂梁压电振子和DS-5000系列数字存储示波器。由实验可知，多悬臂梁压电俘能装置在频率54~72Hz内都能有大的功率输出，在振动频率为60Hz时最大输出功率达到14.6mW。图8实验装置图供能实验。实验装置包括激振器、多悬臂梁压电振子、整流汇流电路和供能显示装置，如图9所示。图9供能实验装置实验过程如下：将不同数目的LED接入匹配电路的输出端，首先调节信号发生器频率和激励电流，在较低电压（工作点）条件下点亮LED，此时LED消耗功率小，易于驱动；而后逐步提高阻抗变换电路输出电压（此时LED工作点提高，功率消耗变大），并通过微调信号发生器频率和增大激励电流来维持LED的持续点亮。在激励电流不超过1.5A的条件下，记录稳定状态下的最高输出电压、激励频率和电流。实验数据如表1所示。表1供能实验数据LED数量12345输出电压/V1.831.781.721.65-发生器频率/Hz67.767.26767-激励电流/A1.451.451.51.5-亮度（目测）刺目高中等一般闪烁、暗淡5结语本文所设计的多路独立整流和汇流技术，不需考虑各路电压间的幅度和相位问题；采用超级电容进行存储汇集，使系统能够在短时间内驱动较大功率的用电设备；超级电容具有无限次充放电能力，系统能够在无人值守条件下长期连续运行，实现了储能和供能的目标。参考文献：【相关文献】龚立娇.基于压电材料的能量采集研究[D].南京：南京航空航天大学,2008.LIAOY,SODANOHA.Structuraleffectsandenergyconversionefficiencyofpowerharvesting.JournalofIntelligentMaterialSystemsandStructures.2009,20:505-514.刘卫丰，刘维宁,G.Degrande.地铁列车运行引起地表振动的预测模型及其试验验证[J].振动工程学报，2010,23(4):373-379.杜小振，褚金奎,张海军，等.环境振动能收集系统的微型压电悬臂梁设计与制作[J].功能材料与器件学报，2008,14(1):116-120.袁江波，谢涛，陈维山，等.悬臂梁压电发电装置的实验研究[J].振动与冲击，2009,28(7):69-72.阚君武,唐可洪,王淑云，等.压电悬臂梁俘能装置的建模与仿真