轨道交通领域新能源再生技术研究现状与展望

吴小平 ，张祖涛 ，潘亚嘉 ，漆令飞 ，张庭生 ，郝大宁

（西南交通大学机械工程学院，四川 成都 611756）

铁路客货运量大、经济成本低，成为各国的主要运输方式[1].特别是在某些发展中国家和发达国家，包括中国、日本和德国，高速铁路被视为交通发展的核心，为乘客提供了快捷方便的出行方式[2-4].随着列车速度的提升以及载客量、货物量的增加，铁路系统健康监测发挥着越来越重要的作用[5-7]：一般分为轨道沿线侧监测[8-11]和车载监测[12-13].对于这2 种监测系统的供电，最普遍的方法是使用锂电子电池，但是电池会造成电化学污染并且需要频繁更换.另一种方法是通过线路连接到电网，但是此方法会造成远距离电力输送损失.在过去的 20 年内，具有环境能量收集功能的铁路环境自供电传感器技术受到了极大的关注，因为该自供电技术具有环保、节能效益，并且能实时为监测传感器供电[14-16].

铁路环境中的新能源再生是实现监控系统自供电的关键技术[17-18].行驶中的列车周围有相当多的风力资源，因此，风能收集被认为是铁路领域的一种有前景的方法.特别是在隧道中，通过列车产生的活塞风具有为监测传感器供电的巨大潜力.其他铁路环境中的清洁能源，如热能、太阳能、声能、制动能、无线电波能以及振动能，也被认为具有客观的收集和应用潜力.

1 轨道交通领域新能源再生技术总体现状与技术分类

轨道交通领域新能源再生技术路线如图1 所示.

1.1 风能采集

轨道交通领域风能采集是指利用列车行驶过程中，车身周边形成的气流驱动发电装置工作来进行发电，常见的发电装置有电磁式发电机和压电片发电机.特别是在高速铁路沿线和隧道，风力资源十分优越.近年来，国内外都对铁路沿线的风能采集技术展开了大量的研究[19-22].

2018 年，Nurmanova 等[23]设计了一种安装在列车车顶的风能采集装置，如图2 所示.该研究讨论了在移动列车上实施风能收集系统的可行性； 建议和分析了在列车车顶安装风力涡轮机的情况，讨论了风能利用的实际问题，并强调了存在的挑战.其次，给出了车顶式涡轮机风力发电的计算方法，并讨论了涡轮机的空气阻力.在SolidWorks 环境中进行仿真研究，以探索风力涡轮机对移动列车的空气阻力影响，将产生的功率与克服由火车车厢上方的风力涡轮机引起的额外空气阻力所需的机械功率进行比较.结果表明风能采集产生的电量比列车克服运行阻力要提供的电量要多，燃料经济性和由此产生的二氧化碳排放量减少，表明了旅客列车风力涡轮机实施投资的合理性.

图2 安装在列车车顶的风能收集装置[23]Fig.2 Wind energy harvesting device installed on train roof

2019 年，Pan 等[24]提出了一种用于高速铁路隧道自供电应用的集成S 转子和H 转子的便携式可再生风能收集系统，该系统的原理和结构如图3 所示.该研究所提出的可再生风能收集系统可以收集隧道内的风能并将其转化为电能用于自供电传感器.该可再生风能收集系统方案主要由3 部分组成：便携式风力收集机构、发电机模块和储能模块.S 型转子和H 型转子集成为该系统中的风力获取机构.S 转子收集自然风能，H 转子收集高速列车通过隧道时的活塞风能.同时，S 型转子和H 型转子通过单向轴承分别连接至发电机模块.最后，电力存储模块采用充电速度快，寿命长的超级电容器进行储能.通过风洞试验环境下的测试，得出该风能采集器可以获得 107.76 mW 的最大功率输出和23.2%的最大效率.实验结果表明，该风能收集系统是一种有前景的为高速铁路隧道监测传感器供电的方法.

图3 用于采集高速铁路隧道活塞风的风能采集系统[24]Fig.3 Wind energy harvesting system for collecting piston wind of high-speed railway tunnel

2020 年，Guo 等[25]对高速铁路隧道简易风电机组进行了参数分析与优化.该研究从CFD（computed fluid dynamics）的角度，利用三维URANS（非定常雷诺平均纳维-斯托克斯）模型探究了在整个列车穿过隧道过程中风电机组在隧道内不同设计参数下的能量收集性能.较高的叶片偏移距离值可以提高风洞内风力发电机的发电效率.重叠距离为0 时，风电机组可以获得最大发电效率.具有负扭转角的涡轮机会产生比具有正扭转角的涡轮机更好的性能.当火车以350 km/h 的速度通过时，最佳风力涡轮机可以产生高达157.9 W 的功率.综合考虑我国隧道分布情况，每天可回收4.8 × 1012J 能量，足以为铁路照明提供应急电源，还可有效缓解铁路隧道日常照明所需电压.

2021 年，Zheng 等[26]提出了一种用于地铁隧道风能采集的电磁压电混合式系统，其结构如图4 所示.这种新型混合式风能采集系统在地铁隧道中收集风能，并将其转化为电能进行存储和利用.该系统由电磁风能采集模块、压电风能采集模块、发电储能模块3 部分组成：电磁风能采集模块利用电磁感应原理将风能转化为电能；压电风能采集模块利用压电片将风能转化为电能；发电储能模块将采集到的交流电转换为直流电，并且储存在超级电容器中为无线网络传感器（WSN）节点供电.实验数据表明，该系统在风速为7 m/s 时的能量输出功率为59.31 mW.以成都地铁2 号线为案例，WSN 节点消耗的能量占系统收集能量的49.4%～59.8%.上述结果表明，所提出的系统可以为地铁隧道中的 WSN 节点系统提供持续稳定的电源.

图4 收集地铁隧道风能的电磁压电混合式采集器Fig.4 Electromagnetic-piezoelectric harvester for collecting wind energy in the subway tunnel

1.2 热能采集

热能采集技术是指利用热电转换材料的温差发电原理将热能直接转化为可利用电能的一种技术，通常也被称为热电发电机.在机车车辆运行过程中，会产生各种能量，例如振动、热量和列车引起的风能.当重型铁路车辆高速运行时，能量耗散量不容忽视.因此，如果有效地收集浪费的能量，则可将其用于低功耗传感器节点等组件供电.2018 年，Ahn 等[27]研究了一种收集机车车辆转向架轴承产生的废热的方法，其原理如图5 所示.使用热电模块 （TEM） 将轴瓦表面与室外空气之间的温度梯度转换为电能.在这项研究中，TEM 中温差导致的输出性能经过实验室测试，并通过冷却翅片的计算流体分析进行了最大化处理.该研究还设计了优化的热电能量收集系统（TEHS）并将其应用于车辆，以分析机车运行中的发电性能.当机车车辆运行约57 min （包括最大速度为 300 km/h 的间隔）时，测得的最大开路电压约为 0.4 V.基于这项研究，该系统有望用作未来低功耗传感器节点的自供电.

图5 应用于机车转向架的热能收集原理Fig.5 Principle of heat energy collection applied to rolling stock

其次，在轨道交通领域，铁轨由于其良好的导热性，也被认为是一种有效的热能采集源.2019 年，Gao 等[28]提出了一种采集铁轨热能的发电系统，其结构原理如图6 所示.本研究旨在开发一种从铁路轨道收集热电能的原型.通过捕获铁路轨道中现有的热能，该技术有助于在不消耗自然资源的情况下为离网和偏远地区的铁路侧传感器供电.在中国南方等低纬度地区，由于太阳辐射，铁轨温度可达57 ℃.然而，在轨道基础下方相对较浅深度（200 mm）的基质层（例如土壤层）具有较低的温度（即15～26 ℃）.这种温差可通过热电发电机（TEG）进行发电，该研究提出的方法从铁路轨道捕获热能并将能量传输到轨道底部下方的TEG.该系统通过有限体积分析、现场测试和实验室内实验进行了评估.结果表明，所提出的热电发电机可以在8.0～29.2 ℃的热梯度下通过电阻负载产生5.8～316.8 mW 的功率.同时，该研究开发了具有锂电池管理功能的DC-DC 降压-升压器电路，通过收集的热能为电池充电.该系统工作在0.9 V 的低启动电压下，转换效率大于60%.

图6 轨道热能采集系统Fig.6 Track thermal energy harvesting system

1.3 太阳能采集

太阳能采集通常是利用光伏板将太阳辐射直接转化为电能.太阳能资源丰富，分布广阔.在轨道交通领域，利用太阳能为铁路沿线的用电设施供电具有不错的前景.Ruscelli 等[29]在2017 年提出了使用能量收集系统来集成到列车动力系统.该研究分析了目前可用的技术并选择技术成熟的光伏系统.截至2017 年为止，只有大型太阳能发电厂被认为是铁路的能源，很少有研究火车运行沿线本地化太阳能利用的解决方案.关于铁路领域太阳能采集的研究可以追溯到21 世纪初期，当时光伏技术对于这一应用领域还不够成熟.随着技术的发展，与21 世纪初期相比，现在的光伏发电量可以增加到 400%.在Ruscelli 的研究中，其仿真结果表明，基于微型逆变器和去耦光伏组件的新型功率优化解决方案可以克服由于列车车顶光伏板的非最佳朝向、列车运动和阴影导致的限制，将能量产量从2%增加到25%.所提出的方法可以使铁路系统对环境问题敏感的用户更具吸引力，并可以促进与城市和地方交通的其他绿色解决方案的多式联运.

2021 年，Hao 等[30]提出了一种基于折叠翼机构的高效便携式太阳能收集系统（SEHS），为铁路沿线装置提供电力，其结构原理如图7 所示.由于其便携性，该系统可以用作铁路沿线电气装置的临时或永久备用电源，由2 个主要部分组成：太阳能折叠翼模块（SFWM）和储能模块.光伏 （PV） 面板将太阳能转化为电能，产生的电能存储在超级电容器中，为轨道侧电力设施供电.通过理论分析和仿真结果表明，该太阳能收集系统年发电量可达673 994 kW•h.此外，在实验室环境下使用太阳模拟器对提出的系统进行了太阳辐射模拟实验.当外接负载为5 Ω 时，所提出SEHS 的最大输出功率为10.934 W，表明所提出的光伏系统能够作为永久电源或临时电源为轨道侧小功率设施供电.

图7 铁路系统便携式太阳能采集系统Fig.7 Portable solar energy harvesting system in railroad

1.4 声能采集

铁路运行过程中的噪声有多种来源，其中包括机车的发动机和冷却风扇、齿轮、高速运行的空气动力效应以及轮轨的相互作用.车轮/轨道噪音或“滚动噪音”是由车轮在轨道上滚动时车轮和轨道的振动激发产生的.激励是由车轮和轨道之间界面处的组合表面粗糙度或“接触面”提供的.因为整个车轮和轨道系统是由界面处的组合粗糙度激发的，所以正是这个组合值决定了滚动噪声的水平，而不是单独的轨道和车轮粗糙度分量.轮轨接触噪声对周围环境有负面影响，因此近年来出现了关于可降噪或消噪的声能采集技术[31].

2018 年，Noh[32]提出了一种使用压电发电机收集铁路环境噪声的技术.在该研究中，能量收集系统的设计是利用高速列车实际运行过程中产生的噪声来实现的.其结果证明，50～200 Hz 的低频噪声在乘客、驾驶室和车厢之间产生.此项研究的结果用于基于理论模型设计的174 Hz 目标噪声亥姆霍兹谐振器.此外，借助声源扬声器进行数值模拟以研究谐振器壁中的震动.最后，使用各种结构的压电元件（例如矩形和圆形板）进行能量收集实验.实验结果表明，对于100 dB 的入射声压级，使用大矩形板压电元件会产生大约 0.7 V 输出电压，足以为各种低功率电子设备供电.

同年，Wang 等[33]提出了使用亥姆霍兹谐振器和聚偏二氟乙烯（ PVDF）薄膜的高速铁路可再生低频声能收集噪声屏障，其样机展示如图8 所示.该研究的核心是使用亥姆霍兹谐振器和PVDF 薄膜将高速铁路低频噪声的声能转换为电能.其可再生声能采集系统方案主要由4 部分组成：噪声采集输入模块、声压放大模块、发电机模块和储能模块.声压在亥姆霍兹谐振器中被放大，发电机模块中的PVDF 薄膜可以将声能转化为电能.电力存储模块将电能存储在超级电容器中，为铁路沿线的监测传感器等小型电子设备供电.基于实验，该系统的一个单元可以在110 dB （SPL） 下产生 74.6 mV 的瞬时最大输出电压，验证了所提出的声能收集噪声屏障系统具有为高速铁路沿线低功耗传感器供电的潜力.

图8 用于高速铁路的声能收集噪声屏障Fig.8 Renewable low-frequency acoustic energy harvesting noise barrier for high-speed railways

1.5 制动能采集

在列车进站减速时，列车的制动系统会产生大量的制动能量，而这些制动能量通常以热能的形式耗散掉.为了提高列车运行时的能源效率，一些研究人员开展了列车再生制动的研究.2014 年， Jiang 等[34]研究了在电气化火车站收集列车制动能量的方法，讨论了再生制动产生的能量的吸收、储存和使用方法.同时提出了2 种措施：1） 将再生能源反馈到配电网，为火车站的固定负载供电；2） 将再生能源用于为铁路车载存储容器充电，该容器也可以为固定负载供电或运输到其他地方以备不时之需.使用再生制动收集的能量很重要，因为其基本上可以将市政火车站转换为微电网.虽然其设计目的是一次只提供几分钟的电力，但再生制动可以提供极其通用的能量收集，否则这些能量会被浪费在大气中作为额外的热量.该研究以一个典型的城市火车站为案例，其结果表明，再生制动每年可以赚几百美元，是经济上难得的亮点.

2017 年， Kaleybar 等[35]提出了一种交流电气化铁路变电站再生制动能量收集智能策略，其原理如图9 所示.该研究将再生制动能量 （RBE） 恢复到配电网并将铁路牵引供电变电站（TPSS）转换为微电网.在所提出的策略中，铁路电能质量补偿器（RPQC）将RBE 反馈到符合美国电气与电子工程师协会（IEEE）电能质量（PQ）标准的电网.此外，所提出的拓扑结构可以为其他相邻的运行列车供电.用于RPQC 的智能控制系统可以抑制谐波、控制负序电流（NSC）和补偿功率因数（PF）.仿真结果验证了所提出策略的有效性.

图9 交流铁路变电站再生制动能量收集智能策略Fig.9 Intelligent strategy for regenerative braking energy harvesting in AC electrical railway substation

1.6 振动能采集

除了上述各种能量采集，轨道和列车悬架振动能量采集是轨道交通领域近年来受关注程度最高的能源采集技术.由于铁路轨道接头、轮轨磨损和风力因素，在火车行驶过程中，车体、轨道和其他基础设施会持续振动.

轨道振动主要由轨道不平顺度[36]引起，采用功率谱密度函数来描述，如式（1）.

式中：SV(w)为轨道不平顺的谱函数， cm2•m/rad；Av为轨道不平顺谱粗糙度常数， cm2•rad/m；w1、w2为截断频率，w0为空间频率，rad/m.

无论是在车体上还是轨道旁，都存在监测列车和轨道正常工作的无线网络传感器.因此，通过采集列车或轨道的振动能，并就近为其监测传感器供电具有可观的前景.从振动源头分类，轨道交通的振动能量采集技术可以分为轨道侧振动能量采集[37]和车侧振动能量采集[38].从能量采集技术原理分类，轨道交通振动能量采集（RVEH）主要有4 个分支：电磁式振动能量采集、压电式振动能量采集、摩擦式振动能量采集和液压式振动能量采集.

下文将对基于各种原理的轨道交通振动能量采集技术进行详细的文献综述.

1.6.1 电磁式振动能量采集

电磁式能量采集器由于其能量收集效率高和可控性强，已在各种交通运输领域展开理论和试验研究，例如基于车辆悬架系统的振动能量采集[39-41]和基于道路减速带的振动能量采集[42-44].电磁式振动能量采集的基本原理是基于电磁感应，利用外界振动源驱动磁场和导体产生相对运动，进而使得导体中产生电流.通常情况下，电磁振动能量采集技术会借助中间机械整流结构将双向往复振动转变成单向旋转运动后再驱动发电机发电.在铁路领域，电磁式振动能量采集技术更是受到了广泛关注.总体上讲，铁路领域基于电磁式原理的振动能量采集技术主要分为线性振动能采集器[45-47]和旋转式振动能采集器[48-50].轨道侧和车侧的线性振动能量采集器都是通过吸收轨道或列车的振动进而驱动永磁体在线圈之间线性往复运动来产生电能.线性电磁式振动能量采集器具有原理和结构简单的优点，并且容易安装在轨道侧或车体悬架上.对于旋转式电磁振动能量采集器，通常需要使用机械振动整流器（MVR）将列车或轨道的直线往复振动转换为输出轴的单向旋转运动.因此，旋转式电磁振动能量采集器的输出性能主要受MVR 结构的影响.为了提高振动能量的收集效率，基于各种机构的MVR 系统不断更新，包括齿条齿轮机构[51-52]、滚珠丝杠机构[53-54]和一些其他机构[55-56].与线性电磁式振动能量采集器相比，旋转式电磁振动能量采集器具有更复杂的结构、更高的能量密度，并且整体系统更紧凑[57].

电磁式能量采集器动力学模型[53]为

式中：a(t)为采集器顶端加速度；C1、C2为积分常数；k为刚度系数；m为采集器输入部分质量；t为时间.

系统输出功率[53]为

式中：T(t)为转矩；l为导程；J为转运惯量；v(t)为系统速度.

基于电磁式的铁路轨道振动能量采集方案研究较多，表1 为部分研究者采用不同结构方案设计的RVEH 发电情况对比.

表1 基于电磁转换的RVEH 不同结构能量采集对比Tab.1 Energy acquisition comparison of different structures of RVEH based on electromagnetic conversion

1.6.2 压电式振动能量采集

除了电磁式振动能量采集，基于压电原理的振动能量收集技术是轨道交通领域中最普遍的能量再生策略[58-60].压电式振动能量采集的基本原理是基于压电效应，利用外界振动源驱动压电介质产生形变使其内部会产生极化现象，同时在2 个相对表面上出现正负相反的电荷.根据文献资料记载，重载铁路和高速铁路领域中的环境振动振幅均为毫米级，而振动频率范围较宽，在30～650 Hz[61-62].近年来，为了提高铁路系统的安全性和舒适性，轨道领域专家通过改进技术进一步减轻了火车引起的振动[63].在这种宽频低振幅的振动环境中，基于压电原理的振动能量采集技术是一种更有效的采集列车或轨道的振动能量.Nelson 等[64]和Mouapi 等[65]分别证明了轨道侧和车侧压电振动能量采集器可以实现为低能耗的监测传感器节点供电.相比于电磁式振动能量采集，压电式轨道交通振动能量采集在结构上更加简单，在输出上能够得到更高的输出电压，但是由于其自身阻抗较大，其输出电流较小.

压电式振动能量采集动力学模型[58]为

式中：Z为相对位移；w为振动频率；x为永磁铁基座振动幅值；μ为弹性系数；m1为质量块质量；c为阻尼系数.

表2 列出了部分基于压电研究的RVEH 不同结构能量采集结果，可进行更直观对比.

表2 部分基于压电式的RVEH 不同结构能量采集结果Tab.2 Energy collection results of different structures of RVEH based on piezoelectricity

1.6.3 摩擦式和液压式振动能量采集

近年来，还提出了基于摩擦发电原理和液压机制的振动能量采集技术[69-71].通常情况，摩擦式的轨道振动能量采集技术需要引入摩擦纳米发电机将轨道的微振动转化为电能，进而用于监测传感器等小功耗负载供电.摩擦纳米发电机在2012 年由王中林院士等[72]提出，其原理是利用2 种对电子束缚能力不同的材料，相互接触时得失电子而在外电路产生电流的微型电机.主要有4 种模式：垂直接触分离、平面滑动式、单电极式、独立层式.纳米发电机技术是近十年来兴起的一项新技术[73-74]，如图10 所示，这种新兴技术本身对材料和电路控制系统有很高的要求.因此，基于摩擦发电机制的轨道振动能量采集技术研究还处在一个萌芽阶段.液压式振动能量采集的原理是利用外界振动源将振动机械能转化为液压流体的压力能，液压流体通过集成块（或阀组合）被传输到发电机，进而驱动电机进行发电.由于液压系统对密封要求高、控制复杂以及结构复杂等特点[75-77]，如图11 所示，因此，基于液压原理的轨道振动能量采集研究也没有受到广泛关注.

图11 轨道液压能量收集系统Fig.11 Rail hydraulic energy collection system

2 研究趋势及热点分析

本文通过西南交通大学网上图书馆，利用“轨道交通”“能量采集”“能量回收”等中文关键词和“rail trans*”“energy harvest*”“energy collect*”等英文关键词分别在CNKI 和Web of Science 核心数据库进行期刊文献主题检索，时间跨度为2000 年—2020 年.共检索到轨道交通新能源再生相关研究中文文献41 篇，英文文献297 篇，并利用检索到的338 篇文献进行研究趋势及热点分析.

2.1 发文特征分析

年度发文量是衡量该研究领域被关注程度以及发展状况的重要指标，图12 展示了轨道交通领域新能源再生研究的年发文情况.从图中可以得出：总发文量自2000 年起呈现总体上升趋势，尤其是2010 年进入快速增长阶段，但是研究成果在英文期刊发文量要多于中文期刊发文量，且该差距正逐渐加大.文章数量的不断增加表明轨道交通领域能量采集研究正逐渐引起研究人员重视且发展快速.

图12 轨道交通新能源再生研究年度发文量Fig.12 Annual publications of rail energy harvesting research

2.2 关键词基础性热点分析

由图12 可知，轨道交通领域新能源再生相关研究成果主要发表在英文期刊，故本文利用CiteSpace软件对相关英文文献进行关键词分析.关键词是文章核心内容的细化，本文通过关键词共现方式展示轨道交通领域能量收集研究的关键点.利用Cite-Space 软件分析得到的关键词图谱如图13 所示，图中节点和字号大小与关键词出现频次成正比.出现频率最高的前15 个关键词如表3 所示.通过图12和表3 可知，能量采集器（energy harvester）是研究人员最关注的研究内容，其次是性能（performance）、发电（generating electricity）、算法（algorithm）、能源消耗（energy consumption）、振动能量采集（vibration energy harvesting）、环境影响（environmental impact）、电路（circuit）等.

图13 轨道交通能量采集研究关键词共现Fig.13 Co-occurrence of keywords in energy collection of rail transit

2.3 关键词阶段性前沿研究分析

突现词是指突然出现或受研究人员高度关注的词.通过研究关键词突现，可以更好地把握研究前沿和热点.图14 是2000 年—2020 年轨道交通领域新能源再生研究英文文献关键词突现图谱.从图中可以看出,研究热点按时间顺序分别为：算法（algorithm）、电路（circuit）、环境影响（environmental impact）、电磁式（electromagnetic）、能量采集器（energy harvester）、无线传感器网络（wireless sensor network）、发电（generating electricity）、发电机（generator）、效率（efficiency）、振动能量采集（vibration energy harvesting）、仿真（simulation）、优化（optimization）.值得注意的是，振动能量采集（vibration energy harvesting）是研究热度最高的方向，且自2018 年之后始终保持着高热度，且同仿真（simulation）、优化（optimization）、效率（efficiency）等研究方向一直到2020 年始终保持高热度.

图14 2000 年—2020 年轨道交通能量采集研究英文文献突现词图谱Fig.14 Atlas of emergent words on energy collection of rail transit study in English literature ( year 2000-2020)

从图14 可以进一步得出如下结论，轨道交通能量采集研究领域的研究点正发生变化，2018 年以前的突现词为算法（algorithm）、电路（circuit）、环境影响（environmental impact）等，研究内容孤立，相互联系不大.随着研究的不断深入，2018 年出现优化（optimization）、效率（efficiency）等突现词，为轨道交通能量采集研究指出了新的研究方向，也是该研究领域的重要转折点，意味着该领域研究重点正从算法（algorithm）、电路（circuit）等孤立点研究转向优化（optimization）、效率（efficiency）等综合性研究.

3 应用前景

铁路系统的安全稳定运行离不开无线网络传感器节点（WSN）的监控.无论是铁路侧还是车辆侧，都需要各种传感器来实时监测铁路系统的状态.WSN 自供电技术是近年来研究的热点.传统上，有2 种方式为 WSN 节点供电：锂电池供电和电网供电.锂电池供电存在人工更换电池繁琐和造成电化学污染的缺陷，尤其是在偏远地区，由于远距离输电，电网供电不可避免地存在能量损耗.一般传感器的功耗在微瓦到毫瓦范围内，而大量研究表明大多数能量采集器的功率输出在毫瓦到瓦特范围内.因此，基于环境新能源再生技术驱动的自供电无线网络传感器技术可以有效促进轨道交通绿色、智能、安全发展.目前已经有一些关于使用轨道领域环境新能源再生装置为列车侧和轨道侧的传感器供电的研究.例如，Gao 等[78]提出了一种基于磁悬浮能量收集器的自供电 Zigbee-WSN 技术，用于监测铁路状况.现场实验测试结果表明，所提出的能量采集装置为Zigbee-WSN 供电是可行的.Hadas 等[79]提出了一种为轨道旁物体供电的能量收集技术，其仿真结果表明，在列车速度为 130 km/h 的情况下，所提出的能量采集器产生的平均输出功率可以达到 200 mW，表明该能量采集装置可以满足微瓦和毫瓦传感器的功率要求.

除了轨道侧的自供电策略外，Jin 等[80]开发了一种磁悬浮多孔纳米发电机（MPNG）来收集振动能量，为高速列车上的监测传感器供电.结果表明，所提出的 MPNG 产生的能量足以为 400 个商用发光二极管供电，并且可以将超级电容器从0 充电到3 V.Wang 等[81]提出了一种压电能量采集器，用于列车集装箱监测中的自供电应用.仿真和实验结果表明，所提出的2 个串联式能量收集器可以有效地为湿度和温度传感器供电.

在偏远的轨道交通环境中，除了监控系统外，还有其他附属电气设施，如交通灯、隧道照明、通风设备等.随着能量采集技术的逐渐成熟，其能量输出的逐渐提升，轨道交通领域的新能源再生技术也具有为其附属电气设施供电的潜能，如图15 所示.

图15 轨道新能源再生技术应用Fig.15 Application of energy harvesting technology in railway system

4 总结与展望

总结了近年来轨道交通领域新能源再生的最新技术及研究现状，包括轨道交通领域风能采集、热能采集、太阳能采集、声能采集、制动能采集以及振动能采集.以上不同种类能量的采集利用，为节能减排、智慧铁路，特别是高海拔高寒铁路运营监控和轨道控制提供电能.

比较和讨论了基于不同原理机制的轨道振动能量技术的优缺点.因轨道振动能量是近年研究的热点，将振动能转化为电能实现传感器的自供电是一个重点的研究发展方向.总体上讲，轨道交通领域振动能量采集主要包括：电磁式、压电式、摩擦式和液压式.电磁式和压电式能量采集是目前轨道交通中最流行的2 种技术.不同类型振动能量采集器的主要特点如下：1） 电磁式采集器功率输出大，能量转换效率高，但结构复杂；2） 压电式采集器结构简单，振动响应灵敏，但功率和电流输出低；3） 摩擦发电式采集器输出电压高，但是输出功率和电流低；4） 液压式采集器输出功率大，但结构复杂，对密封要求严格.

分析了轨道交通领域新能源再生的研究趋势及热点.通过对年度发文量分析，得到年度发文量基本逐渐增加，且主要发表在英文期刊；通过关键词共现展现轨道交通领域能量收集研究的关键点；通过关键词突现展示究前沿和热点.

虽然很多研究已经成功证明轨道交通领域现有的振动能量采集技术具有良好的输出性能，但在实际应用中仍然存在一些挑战和被忽视的问题：1） 稳定性，如何将采集到的随机振动能量转化为可以为负载实际供电的稳定电能；2） 耐用性，如何为负载提供长期持续供电；3） 经济性，缺少能量采集器的成本和经济效益相关的分析；4） 能量大小，目前的研究多为关注能量采集器的功率输出，缺少能量大小相关的讨论；5） 运动放大，在将振动能转化为电能之前，可考虑采用运动放大机构来提高振动幅度进而增加能量输出；6） 可靠性，在高低温频繁更迭、风雪较大的高海拔高寒地区各类装置的可靠运行性问题.上述6 点是轨道交通振动能量采集技术在未来得以实际推广应用的关键点.

未来，随着轨道交通领域能量采集技术发展的逐渐成熟，高速动车、货运列车运行时，轨道监测、传感、控制将无须额外电网电源供电，铁路轨道将实现智能监控；铁路沿线的泥石流、塌方监测通过传感器自供电技术，实现实时在线监测预警；高海拔高寒无人地区，可利用各类能量采集技术，实现铁轨、道岔的自融雪融冰，轨道运行监测及沿线监控自供电.

致谢：感谢四川省科技厅省院省校合作项目（2021YFSY0059）、四川省科技厅重大项目（ 2021YFQ0055） 、 宜宾市科技计划项目（2021ZYCG017）给予的支持.