新型长行程拾振器振动发电系统研究分析
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[摘 要]随着社会的快速发展能源对人类越来越重要，随着时间推移，能源的合理利用与收集将会更加得到重视，车辆在道路上行驶时，会产生振动，如果将这些振动进行吸收利用，会对节能环保、环境美化、自然和谐做出很大的贡献。
[关键词]能源；振动发电；研究分析
中图分类号：U491.5 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2016）09-0346-01
振动发电是依靠机械能来实现发电，机械能除了连续旋转形式之外，还包括持续或阶段性持续的振动，很多人都忽视了这种能量。如果能将汽车开过道路时发出的振动作为能源收集起来，进行发电或是其他方面的利用，这将成为一种神奇的技术。
1 国内外发展现状
国外已开展这方面尝试。美国加利福尼亚州正计划使用压电技术铺设一条压电发电道路，利用路上车辆经过时产生的压力，或者震动来发电。英国Southampton大学的科研人员自2001年以来一直在研究电磁式振动能量采集器[1]，实验样机在振动频率为320Hz的外界振动下，输出功率密度为0.53mW/240mm3。日本佳能公司纳米技术与先进系统研究实验室的Mizuno等人在2003年提出了一种结构新颖的由多悬臂梁组成的电磁式振动能量采集器模型[2]。2007年Thomas等人采用永磁振动发电机来为人体携带的传感器节点供电。通过实验数据得出，当永磁振动发电机体积不小于0.25cm3时，通过人体激励的作用可以驱动人体自身携带的传感器系统正常工作[3]。2008年C.R. Saha对采用永磁弹簧为拾振机构的永磁振动发电机进行了研究，其中，所用圆柱形永磁体均为轴向磁化，永磁体与线圈之间的间隙为1mm[4]。
国内对永磁振动发电机的研究报道较少。2010年河北工业大学的王博文和王志华等设计并制作了振动发电机系统，构建了测试平台进行了实验研究。试验表明，当电压值大于2V的时候，输出的功率会超过10mW[5]。
2 新型拾振器振动发电的发展趋势
振动发电技术具有高功率密度、智能储能控制、高可靠性控制的特点。拾振器振动发电的发展趋势也是本项目提出的面向城市道路振动发电系统的优点，永磁振动发电机比其它形式振动发电形式相比的功率密度大几个数量级别，现代控制算法保证了系统的稳定性，智能状态组合控制电路实现对负载的智能控制。
3 振动发电研究的主要内容
振动发电是一项涉及多学科、多领域的研究课题，因此它的主要研究内容也极为广泛。
（1）基于多耦合物理场的数学模型，采用交错迭代策略和分层多目标最优化算法，设计有限体积和复杂工况条件下新型拾振器的电磁系统、散热系统、绝缘系统以及支撑结构系统；基于能量最小稳定性原理，采用优化双侧端部几何形状和相应控制策略方法研究静动态端部效应。
（2）根据实际工况，结合控制算法、电机学以及动力学模型建立任意有限多个不确定子系统，研究复杂工况下组成的切换系统动态输出反馈鲁棒H∞控制问题，采用共同Lyapunov函数方法和凸组合技术，设计各种工况下切换控制算法和控制器。
（3）基于相同的多耦合物理量的数学物理方程、初始条件以及边界条件，研究不同几何尺寸的新型拾振器的输出电压、阻力、阻力波动、机械结构以及散热结构相似规律，总结相关设计方法，为批量生产提供理论依据。
（4）基于多属性决策分析优化算法，采用数据融合与数据挖掘技术，在大量实际道路交通调查与试验测试基础上，建立道路条件、交通组成、交通量（包括人流与车流）、通行能力、交通密度、行程车速等多个交通参数与振动发电输出能力关系模型，确定智能振动发电系统结构和参数设计。
4 振动发电重点应解决的科学和技术应用问题
振动发电是一项新兴技术，因此所要面对的科学和技术问题众多，
（1）多场耦合解耦及新型拾振器优化问题
本课题属于多交叉学科领域，涉及学科包括交通运输工程、载运工具运用工程、电机学、人工智能理论、电力电子技术、固体力学、机械设计原理与方法以及传热学等。因此第一个需要解决的关键问题就是各个领域之间的耦合问题，主要耦合物理量包括磁学量、力学量以及热学量，此系统中包括众多宏观效应和微观效应，这里忽略微观效应，各个物理量之间耦合呈正反馈。新型拾振器振动发电系统要求拾振器的体积尽量小，而对功率密度和能量密度尽量高，各个物理量之间耦合增强，所以必须比较准确的核算并采取必要的措施减小各个物理量间耦合。
多场耦合的求解是设计新型拾振器的基础，新型拾振器的设计指标即包含输出电压、阻力，还包括拾振器的体积等。综合考虑以上各个参数，优化永磁直线发电机也是关键技术之一。
（2）混杂动态子系统切换问题
新型拾振器的动子与动力源（行驶的汽车和行人）的接触是非常复杂的过程，根据动力源确定所需阻尼力大小，然后确定永磁直线发电机的工作状态。显然系统中包含连续变化过程和离散变化过程，即混杂动态系统。连续变化过程满足连续变量系统的运动规律，离散变化过程满足逻辑类型变量系统运动规律。保证系统稳定的前提下，混杂动态系统切换控制算法和相应的子控制器设计也是振动电机系统的关键技术之一。
（3）交通环境对新型拾振器系统影响分析
采用数据融合方法，对多个交通参数如道路条件、交通组成、交通量（包括人流与车流）、通行能力、交通密度、行程车速等多个交通属性参数进行多属性融合，在实际交通环境测试基础上建立与拾振器发电输入输出能力关系模型，为智能振动发电系统参数设计提供参考和保证。采用数据挖掘方法，结合前述交通参数―振动发电输入输出能力模型，对新型拾振器在城市道路中布设位置及具体结构进行优化设计，从而达到真正实际应用的目的。
5 结语
通过对目前现有振动发电系统情况研究，总结出对应的研究方法和研究目的，设计制造出符合中国实际情况的城市道路振动发电系统，实现节能环保，环境美化，为美丽地球做出贡献。
参考文献
[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
[2] Makoto Mizuno，Derek G Chetwynd，Investigation of a resonance microgenerator， Journal of Micromechanics and Microengineering，2003（13）：209-216
[3] Thomas von Büren， Gerhard Tr？ster. Design and optimization of a linear vibration-driven electromagnetic micro-power generator. Sensors and Actuators A. 2007（135）： 765-775.
项目编号：YC14-07（天津职业技术师范大学研究生创新基金资助）
于海庆（1989-），男，河北省廊坊人，硕士研究生在读，载运工具运用工程专业，研究方向：智能交通与节能技术。