新型長行程拾振器振動(dòng)發(fā)電系統(tǒng)研究分析

1、<p>　　新型長行程拾振器振動(dòng)發(fā)電系統(tǒng)研究分析</p><p>　　[摘 要]隨著社會(huì)的快速發(fā)展能源對人類越來越重要，隨著時(shí)間推移，能源的合理利用與收集將會(huì)更加得到重視，車輛在道路上行駛時(shí)，會(huì)產(chǎn)生振動(dòng)，如果將這些振動(dòng)進(jìn)行吸收利用，會(huì)對節(jié)能環(huán)保、環(huán)境美化、自然和諧做出很大的貢獻(xiàn)。 </p><p>　　[關(guān)鍵詞]能源；振動(dòng)發(fā)電；研究分析 </p><p>

2、　　中圖分類號(hào)：U491.5 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1009-914X（2016）09-0346-01 </p><p>　　振動(dòng)發(fā)電是依靠機(jī)械能來實(shí)現(xiàn)發(fā)電，機(jī)械能除了連續(xù)旋轉(zhuǎn)形式之外，還包括持續(xù)或階段性持續(xù)的振動(dòng)，很多人都忽視了這種能量。如果能將汽車開過道路時(shí)發(fā)出的振動(dòng)作為能源收集起來，進(jìn)行發(fā)電或是其他方面的利用，這將成為一種神奇的技術(shù)。 </p><p>　　1 國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀 &

3、lt;/p><p>　　國外已開展這方面嘗試。美國加利福尼亞州正計(jì)劃使用壓電技術(shù)鋪設(shè)一條壓電發(fā)電道路，利用路上車輛經(jīng)過時(shí)產(chǎn)生的壓力，或者震動(dòng)來發(fā)電。英國Southampton大學(xué)的科研人員自2001年以來一直在研究電磁式振動(dòng)能量采集器[1]，實(shí)驗(yàn)樣機(jī)在振動(dòng)頻率為320Hz的外界振動(dòng)下，輸出功率密度為0.53mW/240mm3。日本佳能公司納米技術(shù)與先進(jìn)系統(tǒng)研究實(shí)驗(yàn)室的Mizuno等人在2003年提出了一種結(jié)構(gòu)新穎的由

4、多懸臂梁組成的電磁式振動(dòng)能量采集器模型[2]。2007年Thomas等人采用永磁振動(dòng)發(fā)電機(jī)來為人體攜帶的傳感器節(jié)點(diǎn)供電。通過實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)得出，當(dāng)永磁振動(dòng)發(fā)電機(jī)體積不小于0.25cm3時(shí)，通過人體激勵(lì)的作用可以驅(qū)動(dòng)人體自身攜帶的傳感器系統(tǒng)正常工作[3]。2008年C.R. Saha對采用永磁彈簧為拾振機(jī)構(gòu)的永磁振動(dòng)發(fā)電機(jī)進(jìn)行了研究，其中，所用圓柱形永磁體均為軸向磁化，永磁體與線圈之間的間隙為1mm[4]。 </p><p&

5、gt;　　國內(nèi)對永磁振動(dòng)發(fā)電機(jī)的研究報(bào)道較少。2010年河北工業(yè)大學(xué)的王博文和王志華等設(shè)計(jì)并制作了振動(dòng)發(fā)電機(jī)系統(tǒng)，構(gòu)建了測試平臺(tái)進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究。試驗(yàn)表明，當(dāng)電壓值大于2V的時(shí)候，輸出的功率會(huì)超過10mW[5]。 </p><p>　　2 新型拾振器振動(dòng)發(fā)電的發(fā)展趨勢 </p><p>　　振動(dòng)發(fā)電技術(shù)具有高功率密度、智能儲(chǔ)能控制、高可靠性控制的特點(diǎn)。拾振器振動(dòng)發(fā)電的發(fā)展趨勢也是本項(xiàng)目提出的

6、面向城市道路振動(dòng)發(fā)電系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)，永磁振動(dòng)發(fā)電機(jī)比其它形式振動(dòng)發(fā)電形式相比的功率密度大幾個(gè)數(shù)量級(jí)別，現(xiàn)代控制算法保證了系統(tǒng)的穩(wěn)定性，智能狀態(tài)組合控制電路實(shí)現(xiàn)對負(fù)載的智能控制。 </p><p>　　3 振動(dòng)發(fā)電研究的主要內(nèi)容 </p><p>　　振動(dòng)發(fā)電是一項(xiàng)涉及多學(xué)科、多領(lǐng)域的研究課題，因此它的主要研究內(nèi)容也極為廣泛。 </p><p>　?。?）基于多耦合物理場

7、的數(shù)學(xué)模型，采用交錯(cuò)迭代策略和分層多目標(biāo)最優(yōu)化算法，設(shè)計(jì)有限體積和復(fù)雜工況條件下新型拾振器的電磁系統(tǒng)、散熱系統(tǒng)、絕緣系統(tǒng)以及支撐結(jié)構(gòu)系統(tǒng)；基于能量最小穩(wěn)定性原理，采用優(yōu)化雙側(cè)端部幾何形狀和相應(yīng)控制策略方法研究靜動(dòng)態(tài)端部效應(yīng)。 </p><p>　　（2）根據(jù)實(shí)際工況，結(jié)合控制算法、電機(jī)學(xué)以及動(dòng)力學(xué)模型建立任意有限多個(gè)不確定子系統(tǒng)，研究復(fù)雜工況下組成的切換系統(tǒng)動(dòng)態(tài)輸出反饋魯棒H∞控制問題，采用共同Lyapunov函

8、數(shù)方法和凸組合技術(shù)，設(shè)計(jì)各種工況下切換控制算法和控制器。 </p><p>　　（3）基于相同的多耦合物理量的數(shù)學(xué)物理方程、初始條件以及邊界條件，研究不同幾何尺寸的新型拾振器的輸出電壓、阻力、阻力波動(dòng)、機(jī)械結(jié)構(gòu)以及散熱結(jié)構(gòu)相似規(guī)律，總結(jié)相關(guān)設(shè)計(jì)方法，為批量生產(chǎn)提供理論依據(jù)。 </p><p>　?。?）基于多屬性決策分析優(yōu)化算法，采用數(shù)據(jù)融合與數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)，在大量實(shí)際道路交通調(diào)查與試驗(yàn)測試

9、基礎(chǔ)上，建立道路條件、交通組成、交通量（包括人流與車流）、通行能力、交通密度、行程車速等多個(gè)交通參數(shù)與振動(dòng)發(fā)電輸出能力關(guān)系模型，確定智能振動(dòng)發(fā)電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和參數(shù)設(shè)計(jì)。 </p><p>　　4 振動(dòng)發(fā)電重點(diǎn)應(yīng)解決的科學(xué)和技術(shù)應(yīng)用問題 </p><p>　　振動(dòng)發(fā)電是一項(xiàng)新興技術(shù)，因此所要面對的科學(xué)和技術(shù)問題眾多， </p><p>　?。?）多場耦合解耦及新型拾振器優(yōu)

10、化問題 </p><p>　　本課題屬于多交叉學(xué)科領(lǐng)域，涉及學(xué)科包括交通運(yùn)輸工程、載運(yùn)工具運(yùn)用工程、電機(jī)學(xué)、人工智能理論、電力電子技術(shù)、固體力學(xué)、機(jī)械設(shè)計(jì)原理與方法以及傳熱學(xué)等。因此第一個(gè)需要解決的關(guān)鍵問題就是各個(gè)領(lǐng)域之間的耦合問題，主要耦合物理量包括磁學(xué)量、力學(xué)量以及熱學(xué)量，此系統(tǒng)中包括眾多宏觀效應(yīng)和微觀效應(yīng)，這里忽略微觀效應(yīng)，各個(gè)物理量之間耦合呈正反饋。新型拾振器振動(dòng)發(fā)電系統(tǒng)要求拾振器的體積盡量小，而對功率密

11、度和能量密度盡量高，各個(gè)物理量之間耦合增強(qiáng)，所以必須比較準(zhǔn)確的核算并采取必要的措施減小各個(gè)物理量間耦合。 </p><p>　　多場耦合的求解是設(shè)計(jì)新型拾振器的基礎(chǔ)，新型拾振器的設(shè)計(jì)指標(biāo)即包含輸出電壓、阻力，還包括拾振器的體積等。綜合考慮以上各個(gè)參數(shù)，優(yōu)化永磁直線發(fā)電機(jī)也是關(guān)鍵技術(shù)之一。 </p><p>　　（2）混雜動(dòng)態(tài)子系統(tǒng)切換問題 </p><p>　　新型

12、拾振器的動(dòng)子與動(dòng)力源（行駛的汽車和行人）的接觸是非常復(fù)雜的過程，根據(jù)動(dòng)力源確定所需阻尼力大小，然后確定永磁直線發(fā)電機(jī)的工作狀態(tài)。顯然系統(tǒng)中包含連續(xù)變化過程和離散變化過程，即混雜動(dòng)態(tài)系統(tǒng)。連續(xù)變化過程滿足連續(xù)變量系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)規(guī)律，離散變化過程滿足邏輯類型變量系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)規(guī)律。保證系統(tǒng)穩(wěn)定的前提下，混雜動(dòng)態(tài)系統(tǒng)切換控制算法和相應(yīng)的子控制器設(shè)計(jì)也是振動(dòng)電機(jī)系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)之一。 </p><p>　?。?）交通環(huán)境對新型拾振器

13、系統(tǒng)影響分析 </p><p>　　采用數(shù)據(jù)融合方法，對多個(gè)交通參數(shù)如道路條件、交通組成、交通量（包括人流與車流）、通行能力、交通密度、行程車速等多個(gè)交通屬性參數(shù)進(jìn)行多屬性融合，在實(shí)際交通環(huán)境測試基礎(chǔ)上建立與拾振器發(fā)電輸入輸出能力關(guān)系模型，為智能振動(dòng)發(fā)電系統(tǒng)參數(shù)設(shè)計(jì)提供參考和保證。采用數(shù)據(jù)挖掘方法，結(jié)合前述交通參數(shù)―振動(dòng)發(fā)電輸入輸出能力模型，對新型拾振器在城市道路中布設(shè)位置及具體結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，從而達(dá)到真正實(shí)際

14、應(yīng)用的目的。 </p><p><b>　　5 結(jié)語 </b></p><p>　　通過對目前現(xiàn)有振動(dòng)發(fā)電系統(tǒng)情況研究，總結(jié)出對應(yīng)的研究方法和研究目的，設(shè)計(jì)制造出符合中國實(shí)際情況的城市道路振動(dòng)發(fā)電系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)節(jié)能環(huán)保，環(huán)境美化，為美麗地球做出貢獻(xiàn)。 </p><p><b>　　參考文獻(xiàn) </b></p>&l

15、t;p>　　[1] M.El-hami，P.Glynne-Jones，N.M.White.Design and fabrication of a newvibration-based electromechanical power generator，Sensors and Actuators A，2001，92（1）：335-342 </p><p>　　[2] Makoto Mizuno，Derek G

16、 Chetwynd，Investigation of a resonance microgenerator， Journal of Micromechanics and Microengineering，2003（13）：209-216 </p><p>　　[3] Thomas von Büren， Gerhard Tr？ster. Design and optimization of a linea

17、r vibration-driven electromagnetic micro-power generator. Sensors and Actuators A. 2007（135）： 765-775. </p><p>　　基金項(xiàng)目：基于新型長行程拾振器的振動(dòng)發(fā)電系統(tǒng)研究 </p><p>　　項(xiàng)目編號(hào)：YC14-07（天津職業(yè)技術(shù)師范大學(xué)研究生創(chuàng)新基金資助） </p>