轨道交通压电俘能器的研制及其理论研究

一方面，轨道交通在我国发展迅速，庞大的铁路网下蕴藏着大量可利用的绿色能源（环境振动能）；另一方面，列车运行速度不断提高，也增大了风险，安全可靠的保障措施成为必然选择。本项目基于此，重点解决以下科学问题：1）利用压电材料得天独厚的力电转换特性，研制轨道交通专用的压电俘能器，把列车运行中的机械能转换成电能；2）基于压电弹性动力理论，研究俘能器构造对能量输出的影响机理，以及俘能器与轨道的协同工作机制，改善并优化俘能器的设计；3）利用能量捕获过程中形成的电信号逆向分析列车运行的相关参数，比如车速、载重、行车距离和列车流量等，必要时能提出预警，通过理论和实验研究，建立列车运行参数与输出电信号之间的关系。简言之，这是一种集俘能和监测为一体的综合技术，更为关键的是获取能源的途径是无污染和绿色的，而且与太阳能俘获过程不同，轨道交通振动能量俘获不受外界天气影响，只要有列车运行就能俘获能量。

项目以交通环境下能量俘获为研究对象，研制了三种交通压电俘能器，包括多层钹式俘能器、多层承压俘能器、多层剪切俘能器。首先基于压电动力理论，对上述三种俘能器的力电耦合机理进行了理论解析，并进行了实验测试，结果表明通过适当的机械转换机构可获得较好的俘能效率，尤其是剪切型俘能器具有良好的俘能输出性能；其次，考虑俘能器的工作环境，建立了交通移动荷载作用下俘能器俘能输出梁模型和板模型，给出了荷载-桥梁-俘能器系统的能量输出解析解，明确了交通移动荷载特性对俘能器输出的影响，车辆移动速度、地基条件以及阻尼都对俘能输出有重大影响，在临界速度附近，俘能输出由阻尼控制，否则阻尼没有影响，而且当荷载振动频率接近桥梁振动频率或者俘能器振动频率时，可使俘能器具有较大能量输出，为获得宽频性能应使俘能器特征频率与桥梁自振频率不重合，与此同时也明确了俘能器安装位置对俘能输出的影响可通过分析桥梁的振型快速确定；此外，将俘能器与三种接口电路相连接，包括并联同步开关电感电路、倍压电路和标准俘能电路，测试了俘能效率，并使用降压DC-DC转换获得了稳定的电压输出，降低了输出电压对荷载的依赖性，为能量存储奠定基础；最后，基于理论解析，初步明确了交通荷载不同或者交通结构损坏时电信号的输出特征，可为交通荷载识别和结构监测提供理论依据。