一种基于减速带构成的振动能量回收装置

2022-01-22崔孝冬刘佳豪任双江郭朝露

电子测试 2021年21期

崔孝冬，刘佳豪，任双江，郭朝露

（攀枝花学院智能制造学院，四川攀枝花，617000）

0 引言

随着科技的快速进步，有限的能源被快速消耗是一个迫切解决的问题。通过减少能源供应来解决这个问题的可能性微乎其微。只有有效地利用和回收能源，才能有效缓解能源短缺的压力。在路上，汽车减速带主要是一种控制速度的装置。汽车经过时，总是会颠簸起来。这种车辆压过减速带所产生的振动可以通过某种设备转换为电能。减速带可以做成随着车轮的滚动而下降并复位的结构。每次减速带的这种往复运动都会发电。是一种将机械能充分转化为电能的装置[1]。

利用来自车辆自身重力使减速带振动带动内部装置来产生能量。来自道路交通减速带的能量回收系统充分利用了被忽视的道路交通能量，而且该种交通设施可利用范围广，长下坡路，小区，停车场等等都有使用。结构在一定程度上利于改装不会造成太大的影响，相较于结构复杂的发电装置该种系统结构简单，便于集成，有利于工业化量产和维护。这种道路系统的应用将减少电力系统对基础运输设施的供电，从而减少资源消耗，并在一定程度上实现道路自给自足，基本实现清洁能源生产，符合社会资源节约和环境保护的新概念。

1 发电系统结构

本装置的发电装置与传统悬臂结构相结合[2]，如图1所示。图中悬臂式截面梁的顶部表面嵌入有压电芯片，当施加系统外部的力时，会在末端产生上下激振作用。该芯片变形，以便系统的机械振动可以转换为电能，能量回收接口电路产生的能量可以回收存储，解决微型电力设备的供电问题。

图1 悬臂梁式压电振动能量回收系统示意图

2 装置发电原理

当汽车通过减速带1时，挤压减速带，进而使与减速带相连的导向柱向下运动（通常分析时需要考虑三个坐标向即垂向、横向和纵向动力学模型。本文针对减速带振动能量回收着重研究点放在垂向上。）复位弹簧4发生形变产生弹性势能，带动与减速带相连的悬臂梁2结构振动，悬臂梁末端上下振动，压电片3产生形变，因此，系统的机械振动可以转化为电能，利用电源回收接口电路回收产生的能量，以回收存储并解决低功耗设备的电源问题。

图2 减速带发电模块示意图

图3 装置三维图

图4 装置能量转换图

图5 系统电能利用方案

3 能量回收装置的改进

3.1 多层压电结构

提高压电陶瓷的有效体积也是提高能量回收效率的有效方法。在传统能量回收装置中，将一片压电片嵌入在悬臂梁上形成压电单片结构。另一种通用的结构是压电双片结构[2]，将两块压电板分别插入悬臂梁的上表面和下表面。能量回收电路的连接方式可分为并联型和串联型两种。在并联模式下，两个压电片的输出并联连接，并且受夹电容是一个压电片的两倍。通过串联两个压电元件的输出电压为两个压电元件电压之和的两个压电元件的输出来实现串联。

3.2 结构形式

压电振动能量回收装置通常使用矩形悬臂结构来回收更多能量，采用三角形型结构。结果表明，三角形悬臂梁的回收功率和电荷灵敏度均优于传统结构。Mateu等[3]人对比试验了矩形悬臂梁和三角形悬臂梁结构各自的优势。假设三角形悬臂梁的参数与矩形悬臂梁具有相同的参数，并且对每个悬臂使用相同的外部激励，则三角形悬臂梁的变形最大，可以实现低激励，高效益。梯形悬臂梁和矩形悬臂梁由Baker等[4]人对进行了控制变量分析，如图6所示。实验结果表明，梯形悬臂梁具有较高的工作效率，是矩形悬臂梁的1.3倍。

图6 压电悬臂梁结构：（a）梯形梁（b）矩形梁

3.3 机电耦合模型

机电耦合模型采用传统的压电悬臂梁结构，当振动结构在一阶谐振频率附近波动时，压电悬臂梁的机电耦合模型可以相当于“弹簧-质量-阻尼”模型[5-7]，如图所示。

图7 机电耦合模型

图7中KE-系统的等效刚度、C-等效阻尼，表示的是系统的机械损耗，M-系统的等效质量，u-系统的位移，F-作用在系统的外力之和，I1和Vco分别为压电片两端流出的电流和压电片两端的电压。如果模型中使用了传统的压电悬臂梁结构，根据第二类压电方程，可以得到T、S、D位移压电应力与电场强度之间的关系，如图(1)所示。