基于压电效应的交通机械能俘获系统及其工程应用研究

A huge of mechanical energy can be generated in the operating railway and road system, such as deformations of rail track and road pavement, and traffic induced vibration energy. However, a part of energy will be dissipated into the surrounding environment as heat and noise, which is wasteful. The development of traffic is very rapidly in China, especially in the rail transit. In such a huge traffic system, it is no doubt that the waste of energy is extremely serious. Depending on the excellent electromechanical characteristics, piezoelectric materials can be used to transfer the dissipative mechanical energy into electrical energy, which is a kind of promising green energy. The energy can not only solve the electricity maintenance problem of remote railway lines but also present a new idea for designing the self-power monitoring system. The aims of this project are to develop the harvesting devices captured the mechanical energy and extend these devices into the engineering applications. First, according to the basic characteristics of track and pavement structures, we will design and fabricate some kinds of piezoelectric energy harvesters based on the piezo-elasticity theory, and present the effects of vehicle parameters, such as vehicle load, speed and distance between two vehicles, on the energy storage efficiency of piezoelectric energy harvesters through the numeral simulation, laboratory test and field test. Second, we will use the designed harvesting devices to explore the engineering applications in solving the problem of the poor lighting in the remote long tunnels and in developing the piezoelectric self-power wireless sensor system.

铁路和公路系统运营中伴随有大量的机械能（如轨道和路面变形、振动产生的能量），然而，其中的部分能量以热能和噪声的形式扩散到周围环境中，形成了能量的浪费。我国交通特别是轨道交通发展非常迅速，在庞大的交通系统中，毫无疑问，这种能量的浪费是极其惊人的。利用压电材料的机电转换特性，将车辆运行中耗散的部分机械能转换为电能，将得到一种新的绿色能源，不仅有望解决铁路线的野外维护用电问题，也为开发自供能监测系统提供了一种新思路。本项目的研究内容，主要包括机械能俘获系统研究及其工程应用研究两大部分。在机械能俘获系统研究方面，将基于压电弹性动力学等理论，从轨道结构和路面结构的特点出发，设计并制作不同的压电俘能器，完成相关数值模拟、实验室测试和现场测试，进而揭示车载参数（如载重、速度和车距等）对俘能器储能效率的影响；在工程应用研究方面，将在长大隧道照明以及压电俘能器自供能无线传感系统开发两方面进行探索。

铁路和公路系统运营中伴随有大量的机械能（如轨道和路面变形、振动产生的能量），然而，其中的部分能量以热能和噪声的形式扩散到周围环境中，形成了能量的浪费。我国交通特别是轨道交通发展非常迅速，在庞大的交通系统中，毫无疑问，这种能量的浪费是极其惊人的。本项目利用压电材料的力电转换特性，主要研究了交通振动和结构变形中的能量俘获及其工程应用问题。本项目的研究内容主要包括三大部分，第一部分为压电器件的力-电耦合机理研究，第二部分为俘能器件的设计与研制，第三部分为交通机械能量俘获和无线传感研究。在第一部分研究中，除给出了压电双层悬臂梁三种不同模型和多层压电/弹性复合筒式换能器在一些荷载作用下的分析解外，还建立了基于贴片型和叠堆型两种俘获轨道系统振动能量的理论分析模型，给出了压电俘能器输出电压和功率的表达式，分析了火车轴重、运行速度、外接电阻等对解答的影响。在第二部分研究中，研制了弱型式和强型式且具有高承载力的弯曲-压缩型压电俘能器单元，强型式的俘能单元俘能功率已达17.8mW，据此制作了俘能器试件并通过试验测试了俘能效果；研制了悬臂式压电俘能器，进一步研制出VD俘能电路板，该电路板具有调节输出电压的功能，实现了输出电压在3V到12V间的自动调节。在第三部分研究中，首先研究了移动荷载下的路面俘能问题，给出了单轮和四轮两种情况下俘能器输出电压表达式；其次采用本项目开发的新型压电俘能单元，研究了轨道交通中的能量俘获问题，发现当列车以144km/h的速度通过一个俘能器时，在保护模式下，俘能器的平均输出功率可达0.62W；此外，本项目研制的俘能器所俘获的能量，已成功实现对LED灯和无线信号传输系统供能。另外，依托本项目，已培养博士生3名，硕士生5名，3名博士生共获国家奖学金4次；发表SCI期刊论文10篇。