一种基于压电陶瓷和桥洞风力的混合发电装置的设计
2021-03-04左露洁刘冬阳张蓓蓓
左露洁, 张 幔, 刘冬阳, 赵 博, 张蓓蓓
(中南大学 能源科学与工程学院，湖南 长沙 410083)
0 引言
随着化石燃料的日益枯竭，人们对可再生能源的研究热度高涨，风能以其绿色、丰富、分布广泛等特征而备受青睐。压电材料节能环保、绿色安全，近年来利用压电材料进行能量收集的研究也越来越多。调查研究显示，目前国内外尚缺乏基于行人路面压电发电技术的有关实践研究。相对于沥青路面，人行路面结构简单，更适合压电发电技术的开展。我国国内具有交通频繁，人流量大的特点，特别是在商场和车站等场所，行人在行走过程中产生的能量收集存储后将非常可观。在行人较多的空旷步道或者桥梁等处，风能和人行路面压电发电技术的结合，将为能源的利用和保障提供新的思路。
本文由长沙橘子洲大桥得到灵感与启发，利用桥洞处风速相对较高、桥面人行道人流量较大的特点，设计了一种基于压电陶瓷和桥洞风力的混合发电装置，可直接为桥上的照明装置等电器提供电能，减少了远程输电过程中的能量损耗，具有节能减排的实际意义。
1 风力发电装置的设计
1.1 风机种类的选取
项目设计首先选用了目前市面上应用较多的可自动调整迎风角度的三相交流永磁同步风力发电机，直径为1.3 m。该种风力发电机的缺点在于启动风速较高，在桥洞风速较低的情况下并不适用，但安全风速与额定风速较高，适合于风力强劲时作为主要的发电设备。
根据臧建彬等人[1]对各种传统风力机的风能利用系数的对比研究，螺旋桨式风力发电机在叶尖速比高于0.5时的风能利用系数远比Savonius式、高速双叶式、高速三叶式高很多，因此本项目研究还选取了螺旋桨式风力发电机。
1.2 发电桥的设计
借鉴罗才德[2]风力发电桥的设计思路,本项目在确保桥洞行洪、通行等基本功能的前提下，应尽可能高效利用桥洞的横截面积，不仅有利于扩大有效迎风面，而且可根据实际情况和需要设计多个、多种型号风力发电机的组合，以达到更好的能源利用效果。示例如图1。
图1 风力发电桥的设计示意图
由于桥洞处的风速并不是恒定的，会随时间季节有一定的波动，因此设计的发电桥不应该只适用于某一特定的狭隘的风速范围，必须具备较强的适应性，在高风速与低风速的较广风速范围内都能正常使用。风速高时三相交流永磁同步风力发电机可作为主要电能来源[3]，风速低时可用小型但数目较多的螺旋桨式风力发电机，根据实际情况设定一定比例的组合来达到更好的发电效果[4]。
2 压电装置的设计
2.1 压电薄膜的选取
基于PVDF压电薄膜的诸多优点，如质轻柔软、压电灵敏度高、具有良好的机械强度和韧性等，本项目研究最终选用了PVDF压电薄膜作为压电材料[5]。
PVDF薄膜由于其压电性可以在两极积累电荷、产生电压，利用其产生的电荷通过整流电路等装置来存储电能，实现将人体机械能转换成电能，其内部结构如图2所示。
2.2 整流电路的设计
由于压电产生的是交流脉冲电流，要将交流电转换为直流电，再进行储存。本项目设计采用整流电路进行整流。
图2 PVDF压电膜以及悬臂梁式压电结构示意图
全波整流电路能把正弦交流电的正负两个半波都利用起来，输出电压的脉冲度会大大减小。用四个6 A整流二极管构成整流桥，两个引脚接压电陶瓷，另外两个引脚接滤波电路的两极[6]，可以将负半周的电压也利用起来，提高利用效率。
2.3 悬臂梁式压电装置的设计
压电悬臂发电梁在压电振动能量收集中较为常见，在振动的作用下，悬臂梁很容易发生变形，进而带动压电片的变形，由于压电材料的正压电效应，压电薄膜表面积累电荷，达到将振动能量转化为电能的目的[7]。
上述压电结构的设计，可以将人体行走时产生的机械能转换为电能并加以存储，就地为桥梁或路面的照明、监控等设备实施提供电能供给。
3 混合发电装置的设计
在实际的拱形桥梁处，单一的风能发电装置或者压电装置都可能无法完全满足桥上用电装置的需求，而根据带质量块的悬臂梁式压电结构与桥洞风力设计而成的混合发电装置优势互补，通过两者结合，可达到提高发电效率、提高保障能力的目的。
仿照万云霞等人的系统模型[8]，设计如下图3的混合发电装置。系统的输入能量主要分为两部分:风能和人体行走时产生的机械能。蓄能电池作为系统的核心部分既可将输入系统的能量进行储存，也可利用系统输出的电能对用电设备进行供电。
图3 系统模型图
通过仿真模拟以及实验结果表明：相比于其他地方，桥洞处的风力相对较强，具有可以利用的价值；带质量块的悬臂梁式压电结构相比普通的PVDF压电薄膜可以更有效地将轻微压力信号转变为电压信号输出。
4 结语
本项目研究为能源的综合利用提供了一种设计思路，并力求根据不同的运行条件和能源需求，通过能源采集、存储和利用的无缝对接和自动转换，提高利用率和可靠性。设计的混合发电装置能因地制宜地利用周围环境的能源，实用性强，应用范围广。
