一種將主動共振應用于操場發電的方法和結構

吳士賓 王躍康 張鼎喆

摘 要：本文基于主動共振原理，提出了一種將頻率共振應用于操場發電的方法和結構，設計了一種共振發電裝置，應用在操場等運動場。人踩踏跑道的頻率與發電裝置固有頻率相同或接近，實現共振，得到較大的能量轉換效率。本結構簡單，操作方便， 成本低、輸出功率大，清潔環保。

關鍵詞：主動共振；能量回收；發電

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2019.13.164

1 引言

十八大以來，節能減排，“綠水青山就是金山銀山”觀念深入人心[1]。隨著人們對自然環境中煤碳、石油，天然氣等主要能源的不斷利用開發，產生了大量的二氧化硫和氮氧化物等，對人類生存環境造成了很大的威脅。太陽能、地熱能、振動能等清潔能源的利用越來越受到重視?；厥罩車沫h境中的能量，減少對煤碳等能源的依賴，是生態發展的必然趨勢。能量回收就是從外界環境中吸收能量，將其轉化為可用能量。環境的振動能量、人體運動、地熱能等都可以轉化為電能利用[2]。

由于地理位置和自然條件的限制，南方陰雨綿綿，使得太陽能技術投入成本高，回報低，性價比低，不被看好。機械振動以海水波浪振動、風吹草動、地面振動等形式呈現，處處存在。不受陰雨天氣、南方溫差小等因素的影響。

已證明，從汽車振動、海水波浪振動等形式中回收能量是可行的[3-4]。振動能量回收技術主要類型之一是利用電磁換能裝置將振動機械能轉換為電能。輸出功率大、成本低是能量回收系統的優點。美中不足的是感應到的電壓很小?？朔@種缺點的辦法是使用變壓器、提高線圈圈數或提高磁場強度來進一步提高感應電壓。由于尺寸上受到限制，導致系統體積小，振動幅度不大，使得輸出功率降低。

在周圍環境中，需要對各個頻率階段能量進行回收，因為絕大多數的振動源分布在50-250Hz的低頻范圍，振動能量并非分布于單一頻率上。

人體運動蘊藏著巨大的能量，各個學校操場跑操時，整齊劃一，產生很多踩踏能，如果配合共振能量回收裝置，將會有很好的能量回收效果。

其中： 4、彈簧，5、永磁振子， 7、電磁感應線圈， 6、8、10、導線。

2 人體踩踏操場發電頻率共振裝置結構

如圖1所示的將頻率共振應用于操場發電的共振發電裝置。其中共振發電裝置包括彈簧，永磁振子，電磁感應線圈。共振發電裝置為中空的長方體結構，永磁振子為長方體結構，彈簧兩端分別與長方體上下地面連接，中間與永磁振子固定連接。電磁感應線圈環繞在永磁振子周圍。

其中：1、跑道，2、足球場，3、共振發電裝置，4、彈簧，5、永磁振子， 7、電磁感應線圈，9、蓄電裝置，11、充電插座，12、路燈，6、8、10、導線。

如圖2所示的將頻率共振應用于操場發電的示意圖。包括：所述裝置包括跑道，共振發電裝置，蓄電裝置，充電插座，路燈，導線；跑道下埋設共振發電裝置，共振發電裝置內有若干發電單元，發電單元包括彈簧，不同幾何參數的永磁振子，電磁感應線圈，導線。

3 工作原理

共振發電系統所受激勵的頻率即跑步時腳踩踏操場的頻率與該系統的永磁振子的固有頻率一致相接近時，共振發電系統振幅顯著增大。

4 發電過程

測量并記錄操場跑操同學踩踏跑道的周期或頻率，根據記錄頻率，選取主要頻率區間。

永磁振子為長方體結構，幾何參數具體指的長寬高。通過改變永磁振子幾何參數，改變共振發電裝置內每個發電單元固有頻率。

根據記錄的踩踏跑道的頻率設置各個發電單元永磁振子固有頻率，將固有頻率調諧到記錄主要頻率區間內；當同學跑步踩踏跑道時，踩踏跑道的頻率就會與某個永磁振子固有頻率相同，從而實現共振頻率，以期得到較大的能量轉換效率。

永磁振子切割電磁感應線圈產生的電能儲存在蓄電裝置中，用來提供操場夜間照明以及電源插座供電。

5 總結

本設計創新點在于提出了一種將頻率共振應用于操場發電的方法和結構，主動利用共振原理，在人體踩踏操場不同頻率的情況下，每個發電單元永磁振子幾何參數不同，從而永磁振子固有頻率不同，頻率范圍與人體踩踏操場頻率范圍相同。人踩踏跑道的頻率與發電裝置固有頻率相同或接近，實現共振，得到較大的能量轉換效率。本結構簡單，操作方便， 成本低、輸出功率大，清潔環保。

參考文獻：

[1]劉煜杰.堅持綠水青山就是金山銀山[N].中國環境報，2019-01-08（003）.

[2]余輝.熱能回收的分析及應用[J].山東工業技術，2015（16）：61-62.

[3]白世鵬，侯之超.簧下調諧系統回收車輛垂向振動能量的可行性[J].清華大學學報（自然科學版），2018，58（11）：1013-1020.

[4]陳東，高文磊，王峣.共振式波力能發電裝置液壓系統可靠性分析與預測[J].機床與液壓，2018，46（07）：140-145.

作者簡介：吳士賓（1991-），男，河北保定人，研究生在讀，主要研究方向：節能減排、大氣污染防治方向。