振动能量的利用研究概况：振动发电机技术
导语：随着对绿色环保能源需求的加大及新型高效能源的快速发展，振动发电机技术日益受到国内外学者及企业的广泛关注。目前研究领域已涉及大气气流振动发电、海洋海波振动发电、公路振动发电、人流密集区踩踏发电、机械振动发电及纳米发电等众多方面，是一种具有长远发展潜力的电能获取方式。机械振动能量回收发电 目前研究的最多最深入的是压电式振动发电研究与应用。根据发电原理不同，振动发电机可以分为静电式、电磁式与压电式。其中，压电式振动发电机以其能量转换效率高、结构简单、无电磁干扰、易于实现整体结构的微型化与集成化等优点成为国内外振动发电领域研究的重点。
图1 振动发电机模型 振动发电机模型如图1所示，振动发电机与外界振动激励频率相同即共振时发电机输出平均功率最大。其中，压电式振动能量采集结构利用的是压电材料的压电效应来实现的，当压电元件在外界振动源激励作用下随之振动时，压电元件产生变形，压电元件表面随之累积电荷，从而在压电元件的上下两个电极之间形成电势差，通过能量采集电路将该电势差转换并存储，完成机械振动能向电能的转换。
哈工大袁江波等人研究了复合型悬臂梁压电振子振动模型，并进行了相关的发电试验研究。由于单悬臂梁压电振子俘获环境中振动能时，对环境振动频率敏感且频带有限，在谐振频率与环境振动频率不匹配的情况下，会导致压电振子俘能效率低下。因此他们设计了复合型悬臂梁压电振子并建立其振动模型，采用激光测振仪对复合型悬臂梁压电振子进行扫频测试。
研究结果显示，复合型悬臂梁压电振子谐振频率范围为56～72Hz，与理论分析结果基本吻合。相比于单悬臂梁压电振子，复合型悬臂梁压电振子有效地拓宽了其谐振频带，易于实现与环境振动源振动频率匹配以提高压电发电效率。在此基础上，进行复合型悬臂梁压电发电装置的发电能力测试，在负载为820Ω，工作频率为60Hz 时最大输出功率达到4.9mW，产生的能量能够满足网络传感器等低耗能微电子产品的供能需求。
国外所研究的压电发电装置大多属于人力发电机，其中，对压电发电鞋研究最多。这种发电装置的发电功率可满足野外军事行动中通信联络和无线电跟踪电子装置的使用需求，压电发电鞋的原理就是把发电装置植入鞋底。通过走路时脚对鞋底的冲击使压电陶瓷变形而产生电流。该压电鞋在标准体重和标准步幅下能够产生250mW的能量。
受石油危机的影响，汽车节能工作受到了世界各国的普遍高度重视。汽车振动能量较大，具有一定回收的价值。吉林大学于长淼采用CARSIM仿真软件对汽车减振器能量耗散情况做过仿真试验，从仿真试验结果可看出，减振器消耗能量占发动机输出能量的比重大，且路面越不平整、汽车车速越高，减振器消耗能量占发动机输出能量的比重就越大。目前减振器消耗的这部分振动能量一直未被有效利用，随着振动式发电机技术的发展，相信不久的将来这部分能量的回收将成为现实。
振动式发电机的基础原理和仿真模型还在不断地完善和改进，新的结构也在不断提出。目前研究工作的重点在于对改进发电机的仿真模型，进而针对具体应用场合对发电机的结构和参数进行优化设计，提高其各项性能指标，从而使其更快地得到实际应用。
空气振动的发电利用研究 目前研究较多的是地铁和隧道中车辆通过时产生的空气震荡和流动产生风能，利用能量转换与收集装置对振动的能量进行回收。
上海师范大学汪浩进行了利用地铁隧道风能发电的设计与研究，分析了地铁隧道的风能特征、可行性、成本估算等，并对地铁风力发电机进行了设计，得出了利用地铁产生的多余能量转化为电能存在着广泛的市场，为缓解能源紧缺问题提出新思路。
陕西高速集团西禹公司刘继伟发表了《高速公路隧道风力发电系统初探》一文，简述了风力发电的原理、风力发电机的分类、隧道风能的调查、功率选择、并网方式和经济效益分析，得出了较好的结果。
也有不少学者提出了在高速公路和铁道两边利用车辆高速行驶时激起的空气流动来发电，也有学者对道路两边由于车辆通过引起的风速进行实测，得出的结论是：
① 在小汽车通过时，由于小汽车车身的流线型设计，风速很小，只有大货车类型的车辆通过时才会产生目前可利用的风能;
② 路边的风速不稳定，难以形成可利用的规模。
不过在风力较大的地方，如峡谷的桥上则有充分利用的可能，韩国科学技术院土木与环境工程系亨裕荣和韩国科学技术院李升宇在英国皇家物理学会出版社的智能材料和结构上发表了《一个基于尾流驰振现象的新能量收集系统的实验验证》，该文提出了当一个结构受到的风荷载作用时，由于涡激振动、舞动、颤振和抖振等的气动不稳定现象，可以充分利用这种现象产生电能。
因为这种振动能量之大可以使美国的旧塔克马(Tacoma Narrows)大桥在1940年由于上述的气动不稳定现象之一：扭转颤振而倒塌。他们利用布置在桥上的杆件在风载荷下引起的振动来产生电能，并进行了风洞试验。图2为空气动力学不稳定现象的典型速度-振幅曲线。图3为尾流驰振现象。图4为风洞试验，图5为能量收集装置原理图，图6为能量收集试验装置。
图2 空气动力学不稳定现象的典型速度-振幅曲线。(a)涡激振动;(b)发散振荡(即驰振,颤振,耦合颤振);(c)尾流驰振;(d) 抖振
图3 尾流驰振
图4 风洞试验示意图
图5 能量收集原理
图6 能量收集试验装置。(a)串联布置;(b)弹性安装系统
他们在桥上的不同部位进行了连续的测量，绘制了在不同风速和线圈匝数下的不同的输出功率曲线并讨论了在其他民用工程中的适用性，得出的结论是在中等风速条件下，它能被有效地用作电源，为大桥上的无限传感器节点提供电能。
除了民用之外，在军事技术上，振动发电利用工程也占有越来越重要的地位。南京理工大学杨亦春研究了利用空气振动发电的引信电源，对弹丸飞行所引起的各种模式的空气振动的特性进行分析，认为激波是主要的噪声源，附面层压力起伏可以直接利用，但能量小，两者可作为发电的主要能量来源。设计了利用弹丸激波发电的装置，该装置在弹头有一个导流装置。在对模拟电源装置进行吹风试验检测发电信号的波形和频率等参数的基础上，论证利用该电源装置为无线电引信提供电源的可行性，并对该电源进行了结构设计。
随着风能的发电技术研究的深入，相关的专利申请也越来越多。华北电力大学张帆提出了一种适用于地铁隧道发电的柔性叶片风力发电机，该发电机由三个柔性叶片的叶轮、直驱永磁发电机、塔架、机舱及其转体以及控制风向的尾翼五部分组成。叶片材料采用帆布或碳纤维布，以钢化玻璃管作为支撑。
目前六潜高速公路隧道的照明采用太阳能和风能发电互补离网供电系统，不仅节省电能，还可相对提高照明灯的使用寿命。
地铁风能发电方面的研究工作也在2009年6月15号获得建设部的立项。但是，“虽然从有效能源利用的角度来考虑，地铁系统中所产生的风能可以用来进行开发和利用，但是其产生的风能太小，很难形成规模效益，这在开发上并不具有经济价值。”长城证券新能源行业分析师周涛认为，目前在世界范围内，他还没有听说过有利用市内风能来进行发电的做法。所以地铁风能的利用还需要走一段较长的路程。
海洋海波振动发电 随着世界能源日趋紧张，波浪发电作为一种新能源的来源，受到世界各国的重视。波能转换技术日趋成熟，日、英、挪威等国建造了若干座不同类型的波浪发电站。占地球表面积70%的广阔海洋，集中了97%的水量，蕴藏着大量的能源，其中包括波浪能、潮汐能、海流能、温差能、盐差能等。其中，波浪能由于开发过程中对环境影响最小且以机械能的形式存在，是品位最高的海洋能。
据估算，全世界波浪能的理论值约为109kW量级，是现在世界发电量的数百倍，有着广阔的商用前景，因而也是各国海洋能研究开发的重点。自20世纪70年代世界石油危机以来，各国不断投入大量资金人力开展波浪能开发利用的研究，并取得了较大的进展。日、英、美、澳等国家都研制出应用波浪发电的装置，并应用于波浪发电中。
我国对波浪能的研究、利用起步较晚，目前我国东南沿海福建、广东等地区已在试验一些波浪发电装置。波浪发电是波浪能利用的主要方式，波浪能利用装置的种类繁多，关于波能转换装置的发明专利超过千项。这些装置主要基于以下几种基本机理，即利用物体在波浪作用下的振荡和摇摆运动;利用波浪压力的变化;利用波浪的沿岸爬升将波浪能转换成水的势能等。
经过20世纪70年代对多种波能装置进行的实验室研究和80年代进行的海况试验及应用示范研究，波浪发电技术己逐步接近实用化水平，研究的重点也集中于4种被认为是有商品化价值的装置，包括振荡水柱式装置、摆式装置、振荡浮子式波能转换装置和收缩波道式波能转换装置。
振荡水柱式波能转换装置
根据其系泊方式可分为漂浮式和固定式，漂浮式即一次转换装置由重物系泊漂浮于海上，而固定式(岸式)一般建在岸边迎浪侧，其在岸上施工较为方便，且并网与输电也更为简单。其主要原理是利用空气作为转换介质，能量的采集通过气室完成，气室的下部开口在水下与海水连通，气室的上部开口(喷嘴)与大气连通。在波浪力的作用下，气室下部的水柱作强迫振动，压缩气室的空气往复通过喷嘴，将波浪能转换成空气的压力势能和动能，在喷嘴处安装一个空气透平并将透平转轴与发电机相连，可利用压缩气流驱动透平旋转并带动发电机发电。其工作原理及汽轮叶片的结构如图7所示。
图7 振荡水柱式波能装换装置示意及汽轮叶片设计
目前以这种方式建造的波浪发电装置已比较完善，世界各国商业化的波浪发电站基本都是基于此原理，如用于为导航浮标供电，装机容量数十到数百kW的波浪能装置在英国、澳大利亚、挪威、葡萄牙和中国等地也已经成功地建成并投入使用。
摆式波能转换装置
摆式波能转换装置是利用装置的活动部件，在波浪的推动下，将其从波浪中吸收的能量转换成机械能或势能，这种波能转换装置最先是由日本的度部富治教授提出，其方式是波浪在水室中形成立波，在立波的驻点处，水质点作往复运动，表现在宏观上，即水团的往复运动，将波浪能转换成摆轴的动能，与摆轴相连的通常是液压装置，它将摆轴的动能转换成液力泵的动能，再由液压马达带动发电机发电， 如图8所示。
图8 摆式波能转换装置
振荡浮子式波能转换装置
振荡浮子式波能转换装置是在振荡水柱式的基础上发展起来的波能转换装置，它用一个放在港中的浮子作为波浪能的吸收载体，然后将浮子吸收的能量通过一个放在岸上的机械或液压装置转换出去，用来驱动发电机发电，由浮子、连杆、液压传动机构、发电机和保护装置几部分组成，图9是瑞典乌普萨拉大学设计振荡浮子式波能转换装置以及由此装置设想的大规模海浪发电场。
图9 瑞典乌普萨拉大学设计振荡浮子式波能转换装置(右)以及由此装置设想的大规模海浪发电场(左)
收缩波道式波能转换装置
收缩波道式波能转换装置是基于波聚理论的一种波能转换装置。波聚理论最早由挪威特隆姆大学的Falnes和Budal提出。收缩波道式波能转换装置具有一个比海平面高的高位水库和一个渐收的波道。收缩波道其实就是两道钢筋混凝土做成的对数螺旋正交曲面，从海里一直延伸到高位水库里，两道墙在高位水库内相接。当海浪进入收缩波道时，由于收缩波道的波聚作用，使波浪的波高增大，从而使水越过钢筋混凝土墙进入高位水库，然后水库里的水通过一个低水头的水轮发电机组用来发电。挪威波能公司(NorwaveA.S)于1986年建造了一座装机容量为350kW的收缩波道式波能电站。
对于可再生能源来说，高效转换技术是研究的难点，由于波浪的不稳定性导致其转换装置经常处于非设计工况，因此提高波能利用率,降低波能发电的成本始终是波能研究的目标。
结论 随着经济的发展、化石燃料资源的日益紧张，各国对振动发电技术的研究日益深入，欧洲各国和北美国家在这个领域的研究仍处于领先地位，我国在这个对于新能源竞争日益激烈的国际环境下的竞争地位还是不容乐观的。尽管现在和常规能源相比，振动发电还有很大的距离，但是，从我国能源长期发展战略和技术储备的角度来看，加大和加快振动能量收集能源的开发研究具有重要的现实和战略意义。
本文根据百度文库《振动能量在发电领域的利用研究综述》一文编辑而成，略有修改。
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