《軌道交通壓電俘能器的研製及其理論研究》是依託北京交通大學，由向宏軍擔任項目負責人的面上項目。
基本介紹
- 中文名：軌道交通壓電俘能器的研製及其理論研究
- 項目類別：面上項目
- 項目負責人：向宏軍
- 依託單位：北京交通大學
項目摘要,結題摘要,
項目摘要
一方面，軌道交通在我國發展迅速，龐大的鐵路網下蘊藏著大量可利用的綠色能源（環境振動能）；另一方面，列車運行速度不斷提高，也增大了風險，安全可靠的保障措施成為必然選擇。本項目基於此，重點解決以下科學問題：（1）利用壓電材料得天獨厚的力電轉換特性，研製軌道交通專用的壓電俘能器，把列車運行中的機械能轉換成電能；（2）基於壓電彈性動力理論，研究俘能器構造對能量輸出的影響機理，以及俘能器與軌道的協同工作機制，改善並最佳化俘能器的設計；（3）利用能量捕獲過程中形成的電信號逆向分析列車運行的相關參數，比如車速、載重、行車距離和列車流量等，必要時能提出預警，通過理論和實驗研究，建立列車運行參數與輸出電信號之間的關係。簡言之，這是一種集俘能和監測為一體的綜合技術，更為關鍵的是獲取能源的途徑是無污染和綠色的，而且與太陽能俘獲過程不同，軌道交通振動能量俘獲不受外界天氣影響，只要有列車運行就能俘獲能量。
結題摘要
項目以交通環境下能量俘獲為研究對象，研製了三種交通壓電俘能器，包括多層鈸式俘能器、多層承壓俘能器、多層剪下俘能器。首先基於壓電動力理論，對上述三種俘能器的力電耦合機理進行了理論解析，並進行了實驗測試，結果表明通過適當的機械轉換機構可獲得較好的俘能效率，尤其是剪下型俘能器具有良好的俘能輸出性能；其次，考慮俘能器的工作環境，建立了交通移動荷載作用下俘能器俘能輸出梁模型和板模型，給出了荷載-橋樑-俘能器系統的能量輸出解析解，明確了交通移動荷載特性對俘能器輸出的影響，車輛移動速度、地基條件以及阻尼都對俘能輸出有重大影響，在臨界速度附近，俘能輸出由阻尼控制，否則阻尼沒有影響，而且當荷載振動頻率接近橋樑振動頻率或者俘能器振動頻率時，可使俘能器具有較大能量輸出，為獲得寬頻性能應使俘能器特徵頻率與橋樑自振頻率不重合，與此同時也明確了俘能器安裝位置對俘能輸出的影響可通過分析橋樑的振型快速確定；此外，將俘能器與三種接口電路相連線，包括並聯同步開關電感電路、倍壓電路和標準俘能電路，測試了俘能效率，並使用降壓DC-DC轉換獲得了穩定的電壓輸出，降低了輸出電壓對荷載的依賴性，為能量存儲奠定基礎；最後，基於理論解析，初步明確了交通荷載不同或者交通結構損壞時電信號的輸出特徵，可為交通荷載識別和結構監測提供理論依據。
