《基於壓電效應的交通機械能俘獲系統及其工程套用研究》是依託北京交通大學，由石志飛擔任項目負責人的面上項目。
基本介紹
- 中文名：基於壓電效應的交通機械能俘獲系統及其工程套用研究
- 項目類別：面上項目
- 項目負責人：石志飛
- 依託單位：北京交通大學
項目摘要,結題摘要,
項目摘要
鐵路和公路系統運營中伴隨有大量的機械能（如軌道和路面變形、振動產生的能量），然而，其中的部分能量以熱能和噪聲的形式擴散到周圍環境中，形成了能量的浪費。我國交通特別是軌道交通發展非常迅速，在龐大的交通系統中，毫無疑問，這種能量的浪費是極其驚人的。利用壓電材料的機電轉換特性，將車輛運行中耗散的部分機械能轉換為電能，將得到一種新的綠色能源，不僅有望解決鐵路線的野外維護用電問題，也為開發自供能監測系統提供了一種新思路。本項目的研究內容，主要包括機械能俘獲系統研究及其工程套用研究兩大部分。在機械能俘獲系統研究方面，將基於壓電彈性動力學等理論，從軌道結構和路面結構的特點出發，設計並製作不同的壓電俘能器，完成相關數值模擬、實驗室測試和現場測試，進而揭示車載參數（如載重、速度和車距等）對俘能器儲能效率的影響；在工程套用研究方面，將在長大隧道照明以及壓電俘能器自供能無線感測系統開發兩方面進行探索。
結題摘要
鐵路和公路系統運營中伴隨有大量的機械能（如軌道和路面變形、振動產生的能量），然而，其中的部分能量以熱能和噪聲的形式擴散到周圍環境中，形成了能量的浪費。我國交通特別是軌道交通發展非常迅速，在龐大的交通系統中，毫無疑問，這種能量的浪費是極其驚人的。本項目利用壓電材料的力電轉換特性，主要研究了交通振動和結構變形中的能量俘獲及其工程套用問題。本項目的研究內容主要包括三大部分，第一部分為壓電器件的力-電耦合機理研究，第二部分為俘能器件的設計與研製，第三部分為交通機械能量俘獲和無線感測研究。在第一部分研究中，除給出了壓電雙層懸臂樑三種不同模型和多層壓電/彈性複合筒式換能器在一些荷載作用下的分析解外，還建立了基於貼片型和疊堆型兩種俘獲軌道系統振動能量的理論分析模型，給出了壓電俘能器輸出電壓和功率的表達式，分析了火車軸重、運行速度、外接電阻等對解答的影響。在第二部分研究中，研製了弱型式和強型式且具有高承載力的彎曲-壓縮型壓電俘能器單元，強型式的俘能單元俘能功率已達17.8mW，據此製作了俘能器試件並通過試驗測試了俘能效果；研製了懸臂式壓電俘能器，進一步研製出VD俘能電路板，該電路板具有調節輸出電壓的功能，實現了輸出電壓在3V到12V間的自動調節。在第三部分研究中，首先研究了移動荷載下的路面俘能問題，給出了單輪和四輪兩種情況下俘能器輸出電壓表達式；其次採用本項目開發的新型壓電俘能單元，研究了軌道交通中的能量俘獲問題，發現當列車以144km/h的速度通過一個俘能器時，在保護模式下，俘能器的平均輸出功率可達0.62W；此外，本項目研製的俘能器所俘獲的能量，已成功實現對LED燈和無線信號傳輸系統供能。另外，依託本項目，已培養博士生3名，碩士生5名，3名博士生共獲國家獎學金4次；發表SCI期刊論文10篇。
