一种将主动共振应用于操场发电的方法和结构

吴士宾 王跃康 张鼎喆

摘 要：本文基于主动共振原理，提出了一种将频率共振应用于操场发电的方法和结构，设计了一种共振发电装置，应用在操场等运动场。人踩踏跑道的频率与发电装置固有频率相同或接近，实现共振，得到较大的能量转换效率。本结构简单，操作方便， 成本低、输出功率大，清洁环保。

关键词：主动共振；能量回收；发电

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

1 引言

十八大以来，节能减排，“绿水青山就是金山银山”观念深入人心[1]。随着人们对自然环境中煤碳、石油，天然气等主要能源的不断利用开发，产生了大量的二氧化硫和氮氧化物等，对人类生存环境造成了很大的威胁。太阳能、地热能、振动能等清洁能源的利用越来越受到重视。回收周围的环境中的能量，减少对煤碳等能源的依赖，是生态发展的必然趋势。能量回收就是从外界环境中吸收能量，将其转化为可用能量。环境的振动能量、人体运动、地热能等都可以转化为电能利用[2]。

由于地理位置和自然条件的限制，南方阴雨绵绵，使得太阳能技术投入成本高，回报低，性价比低，不被看好。机械振动以海水波浪振动、风吹草动、地面振动等形式呈现，处处存在。不受阴雨天气、南方温差小等因素的影响。

已证明，从汽车振动、海水波浪振动等形式中回收能量是可行的[3-4]。振动能量回收技术主要类型之一是利用电磁换能装置将振动机械能转换为电能。输出功率大、成本低是能量回收系统的优点。美中不足的是感应到的电压很小。克服这种缺点的办法是使用变压器、提高线圈圈数或提高磁场强度来进一步提高感应电压。由于尺寸上受到限制，导致系统体积小，振动幅度不大，使得输出功率降低。

在周围环境中，需要对各个频率阶段能量进行回收，因为绝大多数的振动源分布在50-250Hz的低频范围，振动能量并非分布于单一频率上。

人体运动蕴藏着巨大的能量，各个学校操场跑操时，整齐划一，产生很多踩踏能，如果配合共振能量回收装置，将会有很好的能量回收效果。

其中： 4、弹簧，5、永磁振子， 7、电磁感应线圈， 6、8、10、导线。

2 人体踩踏操场发电频率共振装置结构

如图1所示的将频率共振应用于操场发电的共振发电装置。其中共振发电装置包括弹簧，永磁振子，电磁感应线圈。共振发电装置为中空的长方体结构，永磁振子为长方体结构，弹簧两端分别与长方体上下地面连接，中间与永磁振子固定连接。电磁感应线圈环绕在永磁振子周围。

其中：1、跑道，2、足球场，3、共振发电装置，4、弹簧，5、永磁振子， 7、电磁感应线圈，9、蓄电装置，11、充电插座，12、路灯，6、8、10、导线。

如图2所示的将频率共振应用于操场发电的示意图。包括：所述装置包括跑道，共振发电装置，蓄电装置，充电插座，路灯，导线；跑道下埋设共振发电装置，共振发电装置内有若干发电单元，发电单元包括弹簧，不同几何参数的永磁振子，电磁感应线圈，导线。

3 工作原理

共振发电系统所受激励的频率即跑步时脚踩踏操场的频率与该系统的永磁振子的固有频率一致相接近时，共振发电系统振幅显著增大。

4 发电过程

测量并记录操场跑操同学踩踏跑道的周期或频率，根据记录频率，选取主要频率区间。

永磁振子为长方体结构，几何参数具体指的长宽高。通过改变永磁振子几何参数，改变共振发电装置内每个发电单元固有频率。

根据记录的踩踏跑道的频率设置各个发电单元永磁振子固有频率，将固有频率调谐到记录主要频率区间内；当同学跑步踩踏跑道时，踩踏跑道的频率就会与某个永磁振子固有频率相同，从而实现共振频率，以期得到较大的能量转换效率。

永磁振子切割电磁感应线圈产生的电能储存在蓄电装置中，用来提供操场夜间照明以及电源插座供电。

5 总结

本设计创新点在于提出了一种将频率共振应用于操场发电的方法和结构，主动利用共振原理，在人体踩踏操场不同频率的情况下，每个发电单元永磁振子几何参数不同，从而永磁振子固有频率不同，频率范围与人体踩踏操场频率范围相同。人踩踏跑道的频率与发电装置固有频率相同或接近，实现共振，得到较大的能量转换效率。本结构简单，操作方便， 成本低、输出功率大，清洁环保。

参考文献：

[1]刘煜杰.坚持绿水青山就是金山银山[N].中国环境报，2019-01-08（003）.

[2]余辉.热能回收的分析及应用[J].山东工业技术，2015（16）：61-62.

[3]白世鹏，侯之超.簧下調谐系统回收车辆垂向振动能量的可行性[J].清华大学学报（自然科学版），2018，58（11）：1013-1020.

[4]陈东，高文磊，王峣.共振式波力能发电装置液压系统可靠性分析与预测[J].机床与液压，2018，46（07）：140-145.

作者简介：吴士宾（1991-），男，河北保定人，研究生在读，主要研究方向：节能减排、大气污染防治方向。