基于纳米压力发电机的道路减速带能量回收装置

摘 要：合理利用汽车本身对道路的动力，设计回收这种能量的装置是减少能源浪费，延长能源使用年限的有效手段。本文基于纳米发电技术，提出了将标准小汽车经过减速带时产生的动能转化为可利用的电能储存起来的装置，达到了降低汽车能耗的目的。

关键词：纳米发电；能量转换；减速带能量回收装置；标准小汽车

随着经济的迅速发展，有限的能源被大量地消耗是人类待解决的一大难题。减少能源供给的这种方式实现的可能性是很小的，只有从能源的有效利用和重新收集能源的方式上着手，才能有效地缓解能源短缺的压力。公路上的汽车减速带主要是用来控制车速的一种装置，车碾过时总会向上一颠，这种上下运动就可以通过某种装置转化为电能。减速带可以做成随着汽车碾过而下降的结构，每一次下降就可以产生一次电能，技术关键在于将机械能转化为电能的装置[ 1 ]。

1 关键技术

1.1 铸钢减速带现状

安装在公路上使经过的车辆减速的减速带主要有两种，分别是橡胶制和铸钢制的，这两种类型的减速带各有特点，橡胶减速带具有减震性，寿命长，对车磨损少等特点。但是，橡胶减速垫破损后，不能在原位置安装新的减速垫，而且旧安装位置留下的螺钉对车辆轮胎磨损大，甚至存在安全隐患，特别是过往重型车辆多或可安装减速带位置少的场所。

而铸钢减速带，是使用特种钢制作，承重在200吨以上，常用于高速公路、加油站、城市路口等超过200吨的机动车辆出口地带。铸钢减速垫耐磨性强，承载重力大，不变形且寿命是橡胶减速垫的5～10倍。

1.2 车辆分析

我国车辆类型繁多，可以分为五类，分别是载客车，载货车，三轮汽车，低速货车，摩托车和挂车，像载货车和载客车又分为中型、轻型和微型，在这里我们仅以轿车为例进行研究。同时，汽车经过减速带时的质量应是总质量（汽车总质量=整备质量+驾驶员及乘员质量+行李质量）。

1.3 装置系统图

我们研究的是汽车通过减速带时，利用设计的纳米压力发电机能量回收装置，将汽车的动能和重力势能转化为电能并储存起来，具体设计的装置如下所示：

1.4 装置原理

为收集汽车经过减速带时的能量并将其转化成可利用的电能，我们设计了一套装置，其具体工作原理如下。

汽车经过减速带时，会给减速带来较大的压力和动力，以地面为参照物，也会产生重力势能。为了将更多的能量转换成电能，使用弹性高分子衬垫（弯曲性好），将其安装在减速带下方。然后把氧化锌线（ZnO）水平固定于弹性高分子衬垫下方，其两端分别连接输出电极并固定在衬垫下部，当弹性衬垫在减速带的压力作用下变形弯曲后，氧化锌线整体被拉伸或压缩，同时压电电场沿着线轴向建立并在两端形成电势差，此压电电势差随着氧化锌线的来回弯曲而驱动电子在外电路中的往复流动，产生了交变电流[ 4 ]。利用整流器将单相交流电转变成稳定的直流电。若压力足够大，直流电经过控制电路流向逆变器，并向蓄电池充电；若压力没有达到要求，控制电路切换为停止为蓄电池充电。直流电经逆变器变换为恒频稳定交流电，此时即可实现为负载供电。

1.5 装置的容纳能力

汽车经过减速带时产生的压力是通过前后车轮传递给减速带的，在汽车距离减速带一定距离时驾驶员就会减速行驶，这个过程可以理解为汽车的制动。所以要计算汽车制动时前、后轮的地面法向反作用力，如图2所示为忽略汽车的滚动阻力偶矩和旋转质量减速时的惯性阻力偶矩时，汽车在水平路面上制动的受力情况。

因为制动时车速较低，空气阻力可忽略不计，则分别对汽车前、后轮接地点取矩，整理得前、后轮的地面法向反作用力如下式所示：

其中，Fz1表示减速带对前轮的法向反作用力；

Fz2表示减速带对后轮的法向反作用力；

L表示汽车前后轴之间的距离（轴距）。

根据式1），代入相关汽车参数，即可计算得到汽车加入该纳米压力发电机的道路减速带能量回收装置后的承重力。

2 结语

由式1）结合现代标准小汽车参数可计算出该装置可轻微的提高能源利用率。然而在我国能源利用率仅为30%，与世界先进水平相差10个百分点，主要产品耗能比世界先进水平高40%情况下，该装置无疑能很好的帮助缓解我国的能源危机。

参考文献：

[1] 魏朗，刘浩学.汽车安全技术概论[M].北京：人民交通出版社，1999.

[2] 瞿宏学，梅掌荣.论压力发电在新能源潮流中的地位[J].科技资讯，2013：1-5.

[3] 卫晓雨.且行且发电[J].科技资讯，2015：2-3.

[4] 徐志军，初瑞清. 纳米材料与纳米技术化学工业出版社，2010.

作者简介：刘建檬（1995-），女，重庆奉节人，本科，重庆市南岸区重庆交通大学交通运输专业。