道路減速帶發電裝置設計與研究

劉峰源 房鑫永 蘇志芳 張毅

摘要：隨著經濟社會的發展人們對于新能源發電的需求與日俱增，壓力發電逐漸走進人們的視野，如果有一種壓力發電裝置可以與道路減速帶結合，收集路面上車輛駛過減速帶時消耗的能量，那將會帶來巨大的經濟效益。本文基于此設計了一種電磁式的壓力發電裝置，使其與減速帶結合進行能量回收。

關鍵詞：壓力發電；減速帶；電磁式發電

1 引言

現代人類的生活離不開能源，尤其是電能，它在我們的日常生活中有著舉足輕重的地位。但最近一些年來，我們消耗了太多的傳統化石類能源來制熱、發電等，與之而來的是燃燒化石燃料對我們環境的破壞，嚴重威脅了我們的身體健康。而且傳統化石類燃料不可再生，無法被無限制地一直開采，所以如何高效利用能源成為了世界性的議題。目前，我國已成為世界第二大能源生產國和第二大能源消費國，特別是近兩年來，在國民經濟快速增長的拉動下，我國能源需求增長較快，能源緊張也已成為制約經濟持續、穩定發展的重要問題。在眾多的發電方式中，風力發電、潮汐能發電、太陽能發電雖然在一定程度上解決了部分問題，但是受到的自然條件限制也是非常大。而壓力發電作為一種同樣清潔的發電方式開始越來越受到人們的重視，它不需要燃料、不占耕地、沒有污染，運行成本低，如果能充分利用將對我國的節能環保事業產生重大推進。

隨著經濟的發展，我國的交通行業也得到了迅速的提升，我國汽車保有量逐年增長，與之而來的是不可忽視的交通安全問題，越來越多的事故提醒相關部門需要采取一定的措施，所以我國在許多危險地段或者交通要道上都設置了大量減速帶，但是車輛在通過減速帶時減速帶震動產生的能量將會被浪費掉，如果能夠將這些能量回收并且加以利用，則會產生很大的經濟效益。

所以，筆者產生了利用減速帶發電的想法，將減速帶和壓力發電裝置結合在一起，使汽車在通過減速帶時減速帶因震動而產生的額外的能量不被浪費掉，而是轉變成電能輸出給路邊的照明設施或者其他負載。

2 國內外關于壓力發電的研究

國外研究現狀：

（1）減速帶電磁式能量回收

電磁式減速帶能量回收技術，是指利用管式永磁直線電機作為回收減速帶振動能量的換能器，是由Andrea Pirisi和Francesco Grimaccia在2013提出的一種管式永磁能量回收裝置。通過CI（Computational Intelligence）技術設計直線電機結構，并且用GSO算法優化設計。初步的臺架測試表明，10米長安裝在交叉路口的發電模塊，每天有8000輛車通過，一年可以回收100兆瓦時電能。

（2）壓電式：

2013 年，Craig D. Near 設計了一種用于回收路面振動能量的壓電裝置，回收原理是車輛駛過路面，路面發生振動，裝置的質量塊隨之振動，壓電效應使振動轉化為電能。這一發明的特點是將壓電材料制成蛇形以獲得更高振動能量。單個模塊，單輛車經過，可以產生40焦耳能量。

（3）機械式：

Prakhar Todaria和Lirong Wang 設計了一種機械式減速帶能量回收裝置，該裝置的特點是利用機械運動整流器（MMR），將車輛下壓減速帶時向下和向上的直線運動都轉化為軸的單向旋轉運動，隨后軸通過齒輪箱增速，帶動發電機發電。

（4）液壓式：

Chen-Ching Ting等人設計了一種液壓裝置，當汽車駛過該裝置時，活塞在車輪作用下向下運動，油腔的油液在壓力作用下從單向閥流出，流入蓄能器，進而帶動發電裝置發電。經計算，該裝置的效率在40%。

國內研究現狀：

我國對于減速帶發電裝置的研究還處于起步階段，大多是對結構和原理的探討，而對設計方法的研究較少，得出的實驗數據也較少。

東華大學的劉洋和王俊民設計一種機械式路面減速帶振動能量回收裝置，是通過各種齒輪傳動使減速帶被壓下之后帶動發電機發電，但是此方案沒有回收減速帶回歸原位時產生的震動的能量，所以能量回收率較低。王福杰基于液壓原理設計了一種利用行駛車輛動能發電的系統，該裝置通過液壓泵換能，利用液壓馬達帶動發電機旋轉發電，但是該裝置是單向連續式回收能量，液壓馬達轉速波動大，能量回收效率低。

本文所設計的道路減速帶是將減速帶與電磁式的壓力發電裝置通過物理連接結合起來。

3 道路減速帶發電裝置工作原理

4道路減速帶發電裝置系統設計

4.1機械系統設計

此壓力發電裝置由多組發電模塊組成。一組發電模塊包括：壓力板、磁鐵、線圈、彈性材料、底板、導線、集成板。磁鐵上方固定在壓力板上，下方與彈性材料接觸，磁鐵下半部分與彈性材料的外圍環繞著線圈，同時線圈固定在底板上，線圈上的導線被延伸到一塊獨立在外的集電板上，從而集中電流。每組發電模塊可通過物理方法進行連接，也可以安裝在同一個壓力板和底板上，可以適應各種路面情況進行安裝。此機械系統的工作形式是：當壓力板受到外力作用時，會帶動磁鐵與線圈發生相對運動，同時彈性材料儲存彈性勢能，當外力消失后，彈性材料消耗彈性勢能，對磁鐵做功，使磁鐵又與線圈發生相對運動。根據動生電動勢原理，產生近似的正弦式交流電。經過集電板，將每個線圈產生的電流收集，儲存，并且向外輸出。

由于此裝置要和減速帶結合在一起，故可將該裝置埋于地下，將減速帶直接置于壓力板的上方，當汽車通過時，施加給減速帶壓力，同時可以將該壓力傳給壓力板，完成壓力的收集與發電。

4.2電路控制系統設計

當壓力發電裝置將壓力轉化為電能并收集在集電板上之后，將要由控制電路系統輸出電能。由于整個裝置既可以實現對電能的直接利用，也可以實現將電能儲存之后再利用，所以設計了圖3所示電路。該電路圖主要包含以下三個部分：

整流電路：

整流電路由四個單向導電二極管組成，它的作用是將a，b兩個輸出端輸出的正弦式交流電經過2，3節點輸入后，利用二極管的單向導電性，實現對電流方向的連續選擇，再由1，4兩個節點輸出直流電。其中1節點的電壓高于4節點。

濾波電路：

當開關s置于s1時，電路處于電能的直接利用模式，同時三個電容器和用電器并聯形成濾波電路，濾波電路的作用是濾去整流輸出電壓中的紋波，使負載電流及電壓的脈動減小，波形變得平滑。

儲能電路：

當開關s置于s2時，電路處于儲能模式，由三個參數相同的電容器并聯組成。其作用是將經整流電路后輸出的直流電暫時儲存起來以備他用。當儲能電路工作一段時間之后，斷開開關s2，會看到用電器可以工作一段時間，這就是儲備起來的電能給了用電器的效果。

由于電容儲存的電能較少，時間也較短，所以該電路系統的重心是電能的直接利用模式。

5結語

此壓力發電裝置主要結構相對簡單，只要有壓力作用于壓力板并且使之與底板發生相對運動就會有電能的產生，它的成本較低，便于小型化集成化，而且它可以應用在很多地方，比如舞廳，人們在跳舞的時候會踩地板，如果把此裝置放在地板上，很多人一起跳舞一起踩壓就會產生很大的電能，那么整個舞廳的用電說不定可以做到自給自足，同理也可以用在樓梯、游戲廳、健身房等地方，使人們在游戲娛樂的同時產生電能，它的結構使它與其他東西的結合性非常強，相應地就會有非常強的應用前景。

參考文獻

[1]孔凡國，吳冠霖.電磁式公路減速帶發電裝置理論研究[J].機械設計與制造，2014（04）：76-78.

作者簡介：劉峰源，女，生于1998年9月，漢族，山西長治人，江蘇大學本科在讀，建筑環境方向。

房鑫永，男，生于1998年2月，漢族，遼寧本溪人，江蘇大學本科在讀，建筑環境方向。

蘇志芳，女，生于1996年10月，漢族，山西應縣人，江蘇大學本科在讀，工程熱物理方向。

張毅，男，生于1998年4月，漢族，山西長治人，江蘇大學本科在讀，車輛工程方向。

基金項目：本文系江蘇大學2018年度大學生實踐創新訓練項目，項目編號：201810299174H

（作者單位：江蘇大學）