道路减速带发电装置设计与研究

刘峰源 房鑫永 苏志芳 张毅

摘要：随着经济社会的发展人们对于新能源发电的需求与日俱增，压力发电逐渐走进人们的视野，如果有一种压力发电装置可以与道路减速带结合，收集路面上车辆驶过减速带时消耗的能量，那将会带来巨大的经济效益。本文基于此设计了一种电磁式的压力发电装置，使其与减速带结合进行能量回收。

关键词：压力发电；减速带；电磁式发电

1 引言

现代人类的生活离不开能源，尤其是电能，它在我们的日常生活中有着举足轻重的地位。但最近一些年来，我们消耗了太多的传统化石类能源来制热、发电等，与之而来的是燃烧化石燃料对我们环境的破坏，严重威胁了我们的身体健康。而且传统化石类燃料不可再生，无法被无限制地一直开采，所以如何高效利用能源成为了世界性的议题。目前，我国已成为世界第二大能源生产国和第二大能源消费国，特别是近两年来，在国民经济快速增长的拉动下，我国能源需求增长较快，能源紧张也已成为制约经济持续、稳定发展的重要问题。在众多的发电方式中，风力发电、潮汐能发电、太阳能发电虽然在一定程度上解决了部分问题，但是受到的自然条件限制也是非常大。而压力发电作为一种同样清洁的发电方式开始越来越受到人们的重视，它不需要燃料、不占耕地、没有污染，运行成本低，如果能充分利用将对我国的节能环保事业产生重大推进。

随着经济的发展，我国的交通行业也得到了迅速的提升，我国汽车保有量逐年增长，与之而来的是不可忽视的交通安全问题，越来越多的事故提醒相关部门需要采取一定的措施，所以我国在许多危险地段或者交通要道上都设置了大量减速带，但是车辆在通过减速带时减速带震动产生的能量将会被浪费掉，如果能够将这些能量回收并且加以利用，则会产生很大的经济效益。

所以，笔者产生了利用减速带发电的想法，将减速带和压力发电装置结合在一起，使汽车在通过减速带时减速带因震动而产生的额外的能量不被浪费掉，而是转变成电能输出给路边的照明设施或者其他负载。

2 国内外关于压力发电的研究

国外研究现状：

（1）减速带电磁式能量回收

电磁式减速带能量回收技术，是指利用管式永磁直线电机作为回收减速带振动能量的换能器，是由Andrea Pirisi和Francesco Grimaccia在2013提出的一种管式永磁能量回收装置。通过CI（Computational Intelligence）技术设计直线电机结构，并且用GSO算法优化设计。初步的台架测试表明，10米长安装在交叉路口的发电模块，每天有8000辆车通过，一年可以回收100兆瓦时电能。

（2）压电式：

2013 年，Craig D. Near 设计了一种用于回收路面振动能量的压电装置，回收原理是车辆驶过路面，路面发生振动，装置的质量块随之振動，压电效应使振动转化为电能。这一发明的特点是将压电材料制成蛇形以获得更高振动能量。单个模块，单辆车经过，可以产生40焦耳能量。

（3）机械式：

Prakhar Todaria和Lirong Wang 设计了一种机械式减速带能量回收装置，该装置的特点是利用机械运动整流器（MMR），将车辆下压减速带时向下和向上的直线运动都转化为轴的单向旋转运动，随后轴通过齿轮箱增速，带动发电机发电。

（4）液压式：

Chen-Ching Ting等人设计了一种液压装置，当汽车驶过该装置时，活塞在车轮作用下向下运动，油腔的油液在压力作用下从单向阀流出，流入蓄能器，进而带动发电装置发电。经计算，该装置的效率在40%。

国内研究现状：

我国对于减速带发电装置的研究还处于起步阶段，大多是对结构和原理的探讨，而对设计方法的研究较少，得出的实验数据也较少。

东华大学的刘洋和王俊民设计一种机械式路面减速带振动能量回收装置，是通过各种齿轮传动使减速带被压下之后带动发电机发电，但是此方案没有回收减速带回归原位时产生的震动的能量，所以能量回收率较低。王福杰基于液压原理设计了一种利用行驶车辆动能发电的系统，该装置通过液压泵换能，利用液压马达带动发电机旋转发电，但是该装置是单向连续式回收能量，液压马达转速波动大，能量回收效率低。

本文所设计的道路减速带是将减速带与电磁式的压力发电装置通过物理连接结合起来。

3 道路减速带发电装置工作原理

4道路减速带发电装置系统设计

4.1机械系统设计

此压力发电装置由多组发电模块组成。一组发电模块包括：压力板、磁铁、线圈、弹性材料、底板、导线、集成板。磁铁上方固定在压力板上，下方与弹性材料接触，磁铁下半部分与弹性材料的外围环绕着线圈，同时线圈固定在底板上，线圈上的导线被延伸到一块独立在外的集电板上，从而集中电流。每组发电模块可通过物理方法进行连接，也可以安装在同一个压力板和底板上，可以适应各种路面情况进行安装。此机械系统的工作形式是：当压力板受到外力作用时，会带动磁铁与线圈发生相对运动，同时弹性材料储存弹性势能，当外力消失后，弹性材料消耗弹性势能，对磁铁做功，使磁铁又与线圈发生相对运动。根据动生电动势原理，产生近似的正弦式交流电。经过集电板，将每个线圈产生的电流收集，储存，并且向外输出。

由于此装置要和减速带结合在一起，故可将该装置埋于地下，将减速带直接置于压力板的上方，当汽车通过时，施加给减速带压力，同时可以将该压力传给压力板，完成压力的收集与发电。

4.2电路控制系统设计

当压力发电装置将压力转化为电能并收集在集电板上之后，将要由控制电路系统输出电能。由于整个装置既可以实现对电能的直接利用，也可以实现将电能储存之后再利用，所以设计了图3所示电路。该电路图主要包含以下三个部分：

整流电路：

整流电路由四个单向导电二极管组成，它的作用是将a，b两个输出端输出的正弦式交流电经过2，3节点输入后，利用二极管的单向导电性，实现对电流方向的连续选择，再由1，4两个节点输出直流电。其中1节点的电压高于4节点。

滤波电路：

当开关s置于s1时，电路处于电能的直接利用模式，同时三个电容器和用电器并联形成滤波电路，滤波电路的作用是滤去整流输出电压中的纹波，使负载电流及电压的脉动减小，波形变得平滑。

储能电路：

当开关s置于s2时，电路处于储能模式，由三个参数相同的电容器并联组成。其作用是将经整流电路后输出的直流电暂时储存起来以备他用。当储能电路工作一段时间之后，断开开关s2，會看到用电器可以工作一段时间，这就是储备起来的电能给了用电器的效果。

由于电容储存的电能较少，时间也较短，所以该电路系统的重心是电能的直接利用模式。

5结语

此压力发电装置主要结构相对简单，只要有压力作用于压力板并且使之与底板发生相对运动就会有电能的产生，它的成本较低，便于小型化集成化，而且它可以应用在很多地方，比如舞厅，人们在跳舞的时候会踩地板，如果把此装置放在地板上，很多人一起跳舞一起踩压就会产生很大的电能，那么整个舞厅的用电说不定可以做到自给自足，同理也可以用在楼梯、游戏厅、健身房等地方，使人们在游戏娱乐的同时产生电能，它的结构使它与其他东西的结合性非常强，相应地就会有非常强的应用前景。

参考文献

[1]孔凡国，吴冠霖.电磁式公路减速带发电装置理论研究[J].机械设计与制造，2014（04）：76-78.

作者简介：刘峰源，女，生于1998年9月，汉族，山西长治人，江苏大学本科在读，建筑环境方向。

房鑫永，男，生于1998年2月，汉族，辽宁本溪人，江苏大学本科在读，建筑环境方向。

苏志芳，女，生于1996年10月，汉族，山西应县人，江苏大学本科在读，工程热物理方向。

张毅，男，生于1998年4月，汉族，山西长治人，江苏大学本科在读，车辆工程方向。

基金项目：本文系江苏大学2018年度大学生实践创新训练项目，项目编号：201810299174H

（作者单位：江苏大学）