一種基于壓電陶瓷和橋洞風力的混合發電裝置的設計

左露潔, 張 幔, 劉冬陽, 趙 博, 張蓓蓓

(中南大學 能源科學與工程學院，湖南 長沙 410083)

0 引言

隨著化石燃料的日益枯竭，人們對可再生能源的研究熱度高漲，風能以其綠色、豐富、分布廣泛等特征而備受青睞。壓電材料節能環保、綠色安全，近年來利用壓電材料進行能量收集的研究也越來越多。調查研究顯示，目前國內外尚缺乏基于行人路面壓電發電技術的有關實踐研究。相對于瀝青路面，人行路面結構簡單，更適合壓電發電技術的開展。我國國內具有交通頻繁，人流量大的特點，特別是在商場和車站等場所，行人在行走過程中產生的能量收集存儲后將非常可觀。在行人較多的空曠步道或者橋梁等處，風能和人行路面壓電發電技術的結合，將為能源的利用和保障提供新的思路。

本文由長沙橘子洲大橋得到靈感與啟發，利用橋洞處風速相對較高、橋面人行道人流量較大的特點，設計了一種基于壓電陶瓷和橋洞風力的混合發電裝置，可直接為橋上的照明裝置等電器提供電能，減少了遠程輸電過程中的能量損耗，具有節能減排的實際意義。

1 風力發電裝置的設計

1.1 風機種類的選取

項目設計首先選用了目前市面上應用較多的可自動調整迎風角度的三相交流永磁同步風力發電機，直徑為1.3 m。該種風力發電機的缺點在于啟動風速較高，在橋洞風速較低的情況下并不適用，但安全風速與額定風速較高，適合于風力強勁時作為主要的發電設備。

根據臧建彬等人[1]對各種傳統風力機的風能利用系數的對比研究，螺旋槳式風力發電機在葉尖速比高于0.5時的風能利用系數遠比Savonius式、高速雙葉式、高速三葉式高很多，因此本項目研究還選取了螺旋槳式風力發電機。

1.2 發電橋的設計

借鑒羅才德[2]風力發電橋的設計思路,本項目在確保橋洞行洪、通行等基本功能的前提下，應盡可能高效利用橋洞的橫截面積，不僅有利于擴大有效迎風面，而且可根據實際情況和需要設計多個、多種型號風力發電機的組合，以達到更好的能源利用效果。示例如圖1。

圖1 風力發電橋的設計示意圖

由于橋洞處的風速并不是恒定的，會隨時間季節有一定的波動，因此設計的發電橋不應該只適用于某一特定的狹隘的風速范圍，必須具備較強的適應性，在高風速與低風速的較廣風速范圍內都能正常使用。風速高時三相交流永磁同步風力發電機可作為主要電能來源[3]，風速低時可用小型但數目較多的螺旋槳式風力發電機，根據實際情況設定一定比例的組合來達到更好的發電效果[4]。

2 壓電裝置的設計

2.1 壓電薄膜的選取

基于PVDF壓電薄膜的諸多優點，如質輕柔軟、壓電靈敏度高、具有良好的機械強度和韌性等，本項目研究最終選用了PVDF壓電薄膜作為壓電材料[5]。

PVDF薄膜由于其壓電性可以在兩極積累電荷、產生電壓，利用其產生的電荷通過整流電路等裝置來存儲電能，實現將人體機械能轉換成電能，其內部結構如圖2所示。

2.2 整流電路的設計

由于壓電產生的是交流脈沖電流，要將交流電轉換為直流電，再進行儲存。本項目設計采用整流電路進行整流。

圖2 PVDF壓電膜以及懸臂梁式壓電結構示意圖

全波整流電路能把正弦交流電的正負兩個半波都利用起來，輸出電壓的脈沖度會大大減小。用四個6 A整流二極管構成整流橋，兩個引腳接壓電陶瓷，另外兩個引腳接濾波電路的兩極[6]，可以將負半周的電壓也利用起來，提高利用效率。

2.3 懸臂梁式壓電裝置的設計

壓電懸臂發電梁在壓電振動能量收集中較為常見，在振動的作用下，懸臂梁很容易發生變形，進而帶動壓電片的變形，由于壓電材料的正壓電效應，壓電薄膜表面積累電荷，達到將振動能量轉化為電能的目的[7]。

上述壓電結構的設計，可以將人體行走時產生的機械能轉換為電能并加以存儲，就地為橋梁或路面的照明、監控等設備實施提供電能供給。

3 混合發電裝置的設計

在實際的拱形橋梁處，單一的風能發電裝置或者壓電裝置都可能無法完全滿足橋上用電裝置的需求，而根據帶質量塊的懸臂梁式壓電結構與橋洞風力設計而成的混合發電裝置優勢互補，通過兩者結合，可達到提高發電效率、提高保障能力的目的。

仿照萬云霞等人的系統模型[8]，設計如下圖3的混合發電裝置。系統的輸入能量主要分為兩部分:風能和人體行走時產生的機械能。蓄能電池作為系統的核心部分既可將輸入系統的能量進行儲存，也可利用系統輸出的電能對用電設備進行供電。

圖3 系統模型圖

通過仿真模擬以及實驗結果表明：相比于其他地方，橋洞處的風力相對較強，具有可以利用的價值；帶質量塊的懸臂梁式壓電結構相比普通的PVDF壓電薄膜可以更有效地將輕微壓力信號轉變為電壓信號輸出。

4 結語

本項目研究為能源的綜合利用提供了一種設計思路，并力求根據不同的運行條件和能源需求，通過能源采集、存儲和利用的無縫對接和自動轉換，提高利用率和可靠性。設計的混合發電裝置能因地制宜地利用周圍環境的能源，實用性強，應用范圍廣。