吳小平 ，張祖濤 ，潘亞嘉 ，漆令飛 ，張庭生 ，郝大寧

（西南交通大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，四川 成都 611756）

鐵路客貨運(yùn)量大、經(jīng)濟(jì)成本低，成為各國的主要運(yùn)輸方式[1].特別是在某些發(fā)展中國家和發(fā)達(dá)國家，包括中國、日本和德國，高速鐵路被視為交通發(fā)展的核心，為乘客提供了快捷方便的出行方式[2-4].隨著列車速度的提升以及載客量、貨物量的增加，鐵路系統(tǒng)健康監(jiān)測發(fā)揮著越來越重要的作用[5-7]：一般分為軌道沿線側(cè)監(jiān)測[8-11]和車載監(jiān)測[12-13].對于這2 種監(jiān)測系統(tǒng)的供電，最普遍的方法是使用鋰電子電池，但是電池會(huì)造成電化學(xué)污染并且需要頻繁更換.另一種方法是通過線路連接到電網(wǎng)，但是此方法會(huì)造成遠(yuǎn)距離電力輸送損失.在過去的 20 年內(nèi)，具有環(huán)境能量收集功能的鐵路環(huán)境自供電傳感器技術(shù)受到了極大的關(guān)注，因?yàn)樵撟怨╇娂夹g(shù)具有環(huán)保、節(jié)能效益，并且能實(shí)時(shí)為監(jiān)測傳感器供電[14-16].

鐵路環(huán)境中的新能源再生是實(shí)現(xiàn)監(jiān)控系統(tǒng)自供電的關(guān)鍵技術(shù)[17-18].行駛中的列車周圍有相當(dāng)多的風(fēng)力資源，因此，風(fēng)能收集被認(rèn)為是鐵路領(lǐng)域的一種有前景的方法.特別是在隧道中，通過列車產(chǎn)生的活塞風(fēng)具有為監(jiān)測傳感器供電的巨大潛力.其他鐵路環(huán)境中的清潔能源，如熱能、太陽能、聲能、制動(dòng)能、無線電波能以及振動(dòng)能，也被認(rèn)為具有客觀的收集和應(yīng)用潛力.

1 軌道交通領(lǐng)域新能源再生技術(shù)總體現(xiàn)狀與技術(shù)分類

軌道交通領(lǐng)域新能源再生技術(shù)路線如圖1 所示.

1.1 風(fēng)能采集

軌道交通領(lǐng)域風(fēng)能采集是指利用列車行駛過程中，車身周邊形成的氣流驅(qū)動(dòng)發(fā)電裝置工作來進(jìn)行發(fā)電，常見的發(fā)電裝置有電磁式發(fā)電機(jī)和壓電片發(fā)電機(jī).特別是在高速鐵路沿線和隧道，風(fēng)力資源十分優(yōu)越.近年來，國內(nèi)外都對鐵路沿線的風(fēng)能采集技術(shù)展開了大量的研究[19-22].

2018 年，Nurmanova 等[23]設(shè)計(jì)了一種安裝在列車車頂?shù)娘L(fēng)能采集裝置，如圖2 所示.該研究討論了在移動(dòng)列車上實(shí)施風(fēng)能收集系統(tǒng)的可行性； 建議和分析了在列車車頂安裝風(fēng)力渦輪機(jī)的情況，討論了風(fēng)能利用的實(shí)際問題，并強(qiáng)調(diào)了存在的挑戰(zhàn).其次，給出了車頂式渦輪機(jī)風(fēng)力發(fā)電的計(jì)算方法，并討論了渦輪機(jī)的空氣阻力.在SolidWorks 環(huán)境中進(jìn)行仿真研究，以探索風(fēng)力渦輪機(jī)對移動(dòng)列車的空氣阻力影響，將產(chǎn)生的功率與克服由火車車廂上方的風(fēng)力渦輪機(jī)引起的額外空氣阻力所需的機(jī)械功率進(jìn)行比較.結(jié)果表明風(fēng)能采集產(chǎn)生的電量比列車克服運(yùn)行阻力要提供的電量要多，燃料經(jīng)濟(jì)性和由此產(chǎn)生的二氧化碳排放量減少，表明了旅客列車風(fēng)力渦輪機(jī)實(shí)施投資的合理性.

圖2 安裝在列車車頂?shù)娘L(fēng)能收集裝置[23]Fig.2 Wind energy harvesting device installed on train roof

2019 年，Pan 等[24]提出了一種用于高速鐵路隧道自供電應(yīng)用的集成S 轉(zhuǎn)子和H 轉(zhuǎn)子的便攜式可再生風(fēng)能收集系統(tǒng)，該系統(tǒng)的原理和結(jié)構(gòu)如圖3 所示.該研究所提出的可再生風(fēng)能收集系統(tǒng)可以收集隧道內(nèi)的風(fēng)能并將其轉(zhuǎn)化為電能用于自供電傳感器.該可再生風(fēng)能收集系統(tǒng)方案主要由3 部分組成：便攜式風(fēng)力收集機(jī)構(gòu)、發(fā)電機(jī)模塊和儲(chǔ)能模塊.S 型轉(zhuǎn)子和H 型轉(zhuǎn)子集成為該系統(tǒng)中的風(fēng)力獲取機(jī)構(gòu).S 轉(zhuǎn)子收集自然風(fēng)能，H 轉(zhuǎn)子收集高速列車通過隧道時(shí)的活塞風(fēng)能.同時(shí)，S 型轉(zhuǎn)子和H 型轉(zhuǎn)子通過單向軸承分別連接至發(fā)電機(jī)模塊.最后，電力存儲(chǔ)模塊采用充電速度快，壽命長的超級(jí)電容器進(jìn)行儲(chǔ)能.通過風(fēng)洞試驗(yàn)環(huán)境下的測試，得出該風(fēng)能采集器可以獲得 107.76 mW 的最大功率輸出和23.2%的最大效率.實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該風(fēng)能收集系統(tǒng)是一種有前景的為高速鐵路隧道監(jiān)測傳感器供電的方法.

圖3 用于采集高速鐵路隧道活塞風(fēng)的風(fēng)能采集系統(tǒng)[24]Fig.3 Wind energy harvesting system for collecting piston wind of high-speed railway tunnel

2020 年，Guo 等[25]對高速鐵路隧道簡易風(fēng)電機(jī)組進(jìn)行了參數(shù)分析與優(yōu)化.該研究從CFD（computed fluid dynamics）的角度，利用三維URANS（非定常雷諾平均納維-斯托克斯）模型探究了在整個(gè)列車穿過隧道過程中風(fēng)電機(jī)組在隧道內(nèi)不同設(shè)計(jì)參數(shù)下的能量收集性能.較高的葉片偏移距離值可以提高風(fēng)洞內(nèi)風(fēng)力發(fā)電機(jī)的發(fā)電效率.重疊距離為0 時(shí)，風(fēng)電機(jī)組可以獲得最大發(fā)電效率.具有負(fù)扭轉(zhuǎn)角的渦輪機(jī)會(huì)產(chǎn)生比具有正扭轉(zhuǎn)角的渦輪機(jī)更好的性能.當(dāng)火車以350 km/h 的速度通過時(shí)，最佳風(fēng)力渦輪機(jī)可以產(chǎn)生高達(dá)157.9 W 的功率.綜合考慮我國隧道分布情況，每天可回收4.8 × 1012J 能量，足以為鐵路照明提供應(yīng)急電源，還可有效緩解鐵路隧道日常照明所需電壓.

2021 年，Zheng 等[26]提出了一種用于地鐵隧道風(fēng)能采集的電磁壓電混合式系統(tǒng)，其結(jié)構(gòu)如圖4 所示.這種新型混合式風(fēng)能采集系統(tǒng)在地鐵隧道中收集風(fēng)能，并將其轉(zhuǎn)化為電能進(jìn)行存儲(chǔ)和利用.該系統(tǒng)由電磁風(fēng)能采集模塊、壓電風(fēng)能采集模塊、發(fā)電儲(chǔ)能模塊3 部分組成：電磁風(fēng)能采集模塊利用電磁感應(yīng)原理將風(fēng)能轉(zhuǎn)化為電能；壓電風(fēng)能采集模塊利用壓電片將風(fēng)能轉(zhuǎn)化為電能；發(fā)電儲(chǔ)能模塊將采集到的交流電轉(zhuǎn)換為直流電，并且儲(chǔ)存在超級(jí)電容器中為無線網(wǎng)絡(luò)傳感器（WSN）節(jié)點(diǎn)供電.實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表明，該系統(tǒng)在風(fēng)速為7 m/s 時(shí)的能量輸出功率為59.31 mW.以成都地鐵2 號(hào)線為案例，WSN 節(jié)點(diǎn)消耗的能量占系統(tǒng)收集能量的49.4%～59.8%.上述結(jié)果表明，所提出的系統(tǒng)可以為地鐵隧道中的 WSN 節(jié)點(diǎn)系統(tǒng)提供持續(xù)穩(wěn)定的電源.

圖4 收集地鐵隧道風(fēng)能的電磁壓電混合式采集器Fig.4 Electromagnetic-piezoelectric harvester for collecting wind energy in the subway tunnel

1.2 熱能采集

熱能采集技術(shù)是指利用熱電轉(zhuǎn)換材料的溫差發(fā)電原理將熱能直接轉(zhuǎn)化為可利用電能的一種技術(shù)，通常也被稱為熱電發(fā)電機(jī).在機(jī)車車輛運(yùn)行過程中，會(huì)產(chǎn)生各種能量，例如振動(dòng)、熱量和列車引起的風(fēng)能.當(dāng)重型鐵路車輛高速運(yùn)行時(shí)，能量耗散量不容忽視.因此，如果有效地收集浪費(fèi)的能量，則可將其用于低功耗傳感器節(jié)點(diǎn)等組件供電.2018 年，Ahn 等[27]研究了一種收集機(jī)車車輛轉(zhuǎn)向架軸承產(chǎn)生的廢熱的方法，其原理如圖5 所示.使用熱電模塊 （TEM） 將軸瓦表面與室外空氣之間的溫度梯度轉(zhuǎn)換為電能.在這項(xiàng)研究中，TEM 中溫差導(dǎo)致的輸出性能經(jīng)過實(shí)驗(yàn)室測試，并通過冷卻翅片的計(jì)算流體分析進(jìn)行了最大化處理.該研究還設(shè)計(jì)了優(yōu)化的熱電能量收集系統(tǒng)（TEHS）并將其應(yīng)用于車輛，以分析機(jī)車運(yùn)行中的發(fā)電性能.當(dāng)機(jī)車車輛運(yùn)行約57 min （包括最大速度為 300 km/h 的間隔）時(shí)，測得的最大開路電壓約為 0.4 V.基于這項(xiàng)研究，該系統(tǒng)有望用作未來低功耗傳感器節(jié)點(diǎn)的自供電.

圖5 應(yīng)用于機(jī)車轉(zhuǎn)向架的熱能收集原理Fig.5 Principle of heat energy collection applied to rolling stock

其次，在軌道交通領(lǐng)域，鐵軌由于其良好的導(dǎo)熱性，也被認(rèn)為是一種有效的熱能采集源.2019 年，Gao 等[28]提出了一種采集鐵軌熱能的發(fā)電系統(tǒng)，其結(jié)構(gòu)原理如圖6 所示.本研究旨在開發(fā)一種從鐵路軌道收集熱電能的原型.通過捕獲鐵路軌道中現(xiàn)有的熱能，該技術(shù)有助于在不消耗自然資源的情況下為離網(wǎng)和偏遠(yuǎn)地區(qū)的鐵路側(cè)傳感器供電.在中國南方等低緯度地區(qū)，由于太陽輻射，鐵軌溫度可達(dá)57 ℃.然而，在軌道基礎(chǔ)下方相對較淺深度（200 mm）的基質(zhì)層（例如土壤層）具有較低的溫度（即15～26 ℃）.這種溫差可通過熱電發(fā)電機(jī)（TEG）進(jìn)行發(fā)電，該研究提出的方法從鐵路軌道捕獲熱能并將能量傳輸?shù)杰壍赖撞肯路降腡EG.該系統(tǒng)通過有限體積分析、現(xiàn)場測試和實(shí)驗(yàn)室內(nèi)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行了評(píng)估.結(jié)果表明，所提出的熱電發(fā)電機(jī)可以在8.0～29.2 ℃的熱梯度下通過電阻負(fù)載產(chǎn)生5.8～316.8 mW 的功率.同時(shí)，該研究開發(fā)了具有鋰電池管理功能的DC-DC 降壓-升壓器電路，通過收集的熱能為電池充電.該系統(tǒng)工作在0.9 V 的低啟動(dòng)電壓下，轉(zhuǎn)換效率大于60%.

圖6 軌道熱能采集系統(tǒng)Fig.6 Track thermal energy harvesting system

1.3 太陽能采集

太陽能采集通常是利用光伏板將太陽輻射直接轉(zhuǎn)化為電能.太陽能資源豐富，分布廣闊.在軌道交通領(lǐng)域，利用太陽能為鐵路沿線的用電設(shè)施供電具有不錯(cuò)的前景.Ruscelli 等[29]在2017 年提出了使用能量收集系統(tǒng)來集成到列車動(dòng)力系統(tǒng).該研究分析了目前可用的技術(shù)并選擇技術(shù)成熟的光伏系統(tǒng).截至2017 年為止，只有大型太陽能發(fā)電廠被認(rèn)為是鐵路的能源，很少有研究火車運(yùn)行沿線本地化太陽能利用的解決方案.關(guān)于鐵路領(lǐng)域太陽能采集的研究可以追溯到21 世紀(jì)初期，當(dāng)時(shí)光伏技術(shù)對于這一應(yīng)用領(lǐng)域還不夠成熟.隨著技術(shù)的發(fā)展，與21 世紀(jì)初期相比，現(xiàn)在的光伏發(fā)電量可以增加到 400%.在Ruscelli 的研究中，其仿真結(jié)果表明，基于微型逆變器和去耦光伏組件的新型功率優(yōu)化解決方案可以克服由于列車車頂光伏板的非最佳朝向、列車運(yùn)動(dòng)和陰影導(dǎo)致的限制，將能量產(chǎn)量從2%增加到25%.所提出的方法可以使鐵路系統(tǒng)對環(huán)境問題敏感的用戶更具吸引力，并可以促進(jìn)與城市和地方交通的其他綠色解決方案的多式聯(lián)運(yùn).

2021 年，Hao 等[30]提出了一種基于折疊翼機(jī)構(gòu)的高效便攜式太陽能收集系統(tǒng)（SEHS），為鐵路沿線裝置提供電力，其結(jié)構(gòu)原理如圖7 所示.由于其便攜性，該系統(tǒng)可以用作鐵路沿線電氣裝置的臨時(shí)或永久備用電源，由2 個(gè)主要部分組成：太陽能折疊翼模塊（SFWM）和儲(chǔ)能模塊.光伏 （PV） 面板將太陽能轉(zhuǎn)化為電能，產(chǎn)生的電能存儲(chǔ)在超級(jí)電容器中，為軌道側(cè)電力設(shè)施供電.通過理論分析和仿真結(jié)果表明，該太陽能收集系統(tǒng)年發(fā)電量可達(dá)673 994 kW?h.此外，在實(shí)驗(yàn)室環(huán)境下使用太陽模擬器對提出的系統(tǒng)進(jìn)行了太陽輻射模擬實(shí)驗(yàn).當(dāng)外接負(fù)載為5 Ω 時(shí)，所提出SEHS 的最大輸出功率為10.934 W，表明所提出的光伏系統(tǒng)能夠作為永久電源或臨時(shí)電源為軌道側(cè)小功率設(shè)施供電.

圖7 鐵路系統(tǒng)便攜式太陽能采集系統(tǒng)Fig.7 Portable solar energy harvesting system in railroad

1.4 聲能采集

鐵路運(yùn)行過程中的噪聲有多種來源，其中包括機(jī)車的發(fā)動(dòng)機(jī)和冷卻風(fēng)扇、齒輪、高速運(yùn)行的空氣動(dòng)力效應(yīng)以及輪軌的相互作用.車輪/軌道噪音或“滾動(dòng)噪音”是由車輪在軌道上滾動(dòng)時(shí)車輪和軌道的振動(dòng)激發(fā)產(chǎn)生的.激勵(lì)是由車輪和軌道之間界面處的組合表面粗糙度或“接觸面”提供的.因?yàn)檎麄€(gè)車輪和軌道系統(tǒng)是由界面處的組合粗糙度激發(fā)的，所以正是這個(gè)組合值決定了滾動(dòng)噪聲的水平，而不是單獨(dú)的軌道和車輪粗糙度分量.輪軌接觸噪聲對周圍環(huán)境有負(fù)面影響，因此近年來出現(xiàn)了關(guān)于可降噪或消噪的聲能采集技術(shù)[31].

2018 年，Noh[32]提出了一種使用壓電發(fā)電機(jī)收集鐵路環(huán)境噪聲的技術(shù).在該研究中，能量收集系統(tǒng)的設(shè)計(jì)是利用高速列車實(shí)際運(yùn)行過程中產(chǎn)生的噪聲來實(shí)現(xiàn)的.其結(jié)果證明，50～200 Hz 的低頻噪聲在乘客、駕駛室和車廂之間產(chǎn)生.此項(xiàng)研究的結(jié)果用于基于理論模型設(shè)計(jì)的174 Hz 目標(biāo)噪聲亥姆霍茲諧振器.此外，借助聲源揚(yáng)聲器進(jìn)行數(shù)值模擬以研究諧振器壁中的震動(dòng).最后，使用各種結(jié)構(gòu)的壓電元件（例如矩形和圓形板）進(jìn)行能量收集實(shí)驗(yàn).實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，對于100 dB 的入射聲壓級(jí)，使用大矩形板壓電元件會(huì)產(chǎn)生大約 0.7 V 輸出電壓，足以為各種低功率電子設(shè)備供電.

同年，Wang 等[33]提出了使用亥姆霍茲諧振器和聚偏二氟乙烯（ PVDF）薄膜的高速鐵路可再生低頻聲能收集噪聲屏障，其樣機(jī)展示如圖8 所示.該研究的核心是使用亥姆霍茲諧振器和PVDF 薄膜將高速鐵路低頻噪聲的聲能轉(zhuǎn)換為電能.其可再生聲能采集系統(tǒng)方案主要由4 部分組成：噪聲采集輸入模塊、聲壓放大模塊、發(fā)電機(jī)模塊和儲(chǔ)能模塊.聲壓在亥姆霍茲諧振器中被放大，發(fā)電機(jī)模塊中的PVDF 薄膜可以將聲能轉(zhuǎn)化為電能.電力存儲(chǔ)模塊將電能存儲(chǔ)在超級(jí)電容器中，為鐵路沿線的監(jiān)測傳感器等小型電子設(shè)備供電.基于實(shí)驗(yàn)，該系統(tǒng)的一個(gè)單元可以在110 dB （SPL） 下產(chǎn)生 74.6 mV 的瞬時(shí)最大輸出電壓，驗(yàn)證了所提出的聲能收集噪聲屏障系統(tǒng)具有為高速鐵路沿線低功耗傳感器供電的潛力.

圖8 用于高速鐵路的聲能收集噪聲屏障Fig.8 Renewable low-frequency acoustic energy harvesting noise barrier for high-speed railways

1.5 制動(dòng)能采集

在列車進(jìn)站減速時(shí)，列車的制動(dòng)系統(tǒng)會(huì)產(chǎn)生大量的制動(dòng)能量，而這些制動(dòng)能量通常以熱能的形式耗散掉.為了提高列車運(yùn)行時(shí)的能源效率，一些研究人員開展了列車再生制動(dòng)的研究.2014 年， Jiang 等[34]研究了在電氣化火車站收集列車制動(dòng)能量的方法，討論了再生制動(dòng)產(chǎn)生的能量的吸收、儲(chǔ)存和使用方法.同時(shí)提出了2 種措施：1） 將再生能源反饋到配電網(wǎng)，為火車站的固定負(fù)載供電；2） 將再生能源用于為鐵路車載存儲(chǔ)容器充電，該容器也可以為固定負(fù)載供電或運(yùn)輸?shù)狡渌胤揭詡洳粫r(shí)之需.使用再生制動(dòng)收集的能量很重要，因?yàn)槠浠旧峡梢詫⑹姓疖囌巨D(zhuǎn)換為微電網(wǎng).雖然其設(shè)計(jì)目的是一次只提供幾分鐘的電力，但再生制動(dòng)可以提供極其通用的能量收集，否則這些能量會(huì)被浪費(fèi)在大氣中作為額外的熱量.該研究以一個(gè)典型的城市火車站為案例，其結(jié)果表明，再生制動(dòng)每年可以賺幾百美元，是經(jīng)濟(jì)上難得的亮點(diǎn).

2017 年， Kaleybar 等[35]提出了一種交流電氣化鐵路變電站再生制動(dòng)能量收集智能策略，其原理如圖9 所示.該研究將再生制動(dòng)能量 （RBE） 恢復(fù)到配電網(wǎng)并將鐵路牽引供電變電站（TPSS）轉(zhuǎn)換為微電網(wǎng).在所提出的策略中，鐵路電能質(zhì)量補(bǔ)償器（RPQC）將RBE 反饋到符合美國電氣與電子工程師協(xié)會(huì)（IEEE）電能質(zhì)量（PQ）標(biāo)準(zhǔn)的電網(wǎng).此外，所提出的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)可以為其他相鄰的運(yùn)行列車供電.用于RPQC 的智能控制系統(tǒng)可以抑制諧波、控制負(fù)序電流（NSC）和補(bǔ)償功率因數(shù)（PF）.仿真結(jié)果驗(yàn)證了所提出策略的有效性.

圖9 交流鐵路變電站再生制動(dòng)能量收集智能策略Fig.9 Intelligent strategy for regenerative braking energy harvesting in AC electrical railway substation

1.6 振動(dòng)能采集

除了上述各種能量采集，軌道和列車懸架振動(dòng)能量采集是軌道交通領(lǐng)域近年來受關(guān)注程度最高的能源采集技術(shù).由于鐵路軌道接頭、輪軌磨損和風(fēng)力因素，在火車行駛過程中，車體、軌道和其他基礎(chǔ)設(shè)施會(huì)持續(xù)振動(dòng).

軌道振動(dòng)主要由軌道不平順度[36]引起，采用功率譜密度函數(shù)來描述，如式（1）.

式中：SV(w)為軌道不平順的譜函數(shù)， cm2?m/rad；Av為軌道不平順譜粗糙度常數(shù)， cm2?rad/m；w1、w2為截?cái)囝l率，w0為空間頻率，rad/m.

無論是在車體上還是軌道旁，都存在監(jiān)測列車和軌道正常工作的無線網(wǎng)絡(luò)傳感器.因此，通過采集列車或軌道的振動(dòng)能，并就近為其監(jiān)測傳感器供電具有可觀的前景.從振動(dòng)源頭分類，軌道交通的振動(dòng)能量采集技術(shù)可以分為軌道側(cè)振動(dòng)能量采集[37]和車側(cè)振動(dòng)能量采集[38].從能量采集技術(shù)原理分類，軌道交通振動(dòng)能量采集（RVEH）主要有4 個(gè)分支：電磁式振動(dòng)能量采集、壓電式振動(dòng)能量采集、摩擦式振動(dòng)能量采集和液壓式振動(dòng)能量采集.

下文將對基于各種原理的軌道交通振動(dòng)能量采集技術(shù)進(jìn)行詳細(xì)的文獻(xiàn)綜述.

1.6.1 電磁式振動(dòng)能量采集

電磁式能量采集器由于其能量收集效率高和可控性強(qiáng)，已在各種交通運(yùn)輸領(lǐng)域展開理論和試驗(yàn)研究，例如基于車輛懸架系統(tǒng)的振動(dòng)能量采集[39-41]和基于道路減速帶的振動(dòng)能量采集[42-44].電磁式振動(dòng)能量采集的基本原理是基于電磁感應(yīng)，利用外界振動(dòng)源驅(qū)動(dòng)磁場和導(dǎo)體產(chǎn)生相對運(yùn)動(dòng)，進(jìn)而使得導(dǎo)體中產(chǎn)生電流.通常情況下，電磁振動(dòng)能量采集技術(shù)會(huì)借助中間機(jī)械整流結(jié)構(gòu)將雙向往復(fù)振動(dòng)轉(zhuǎn)變成單向旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)后再驅(qū)動(dòng)發(fā)電機(jī)發(fā)電.在鐵路領(lǐng)域，電磁式振動(dòng)能量采集技術(shù)更是受到了廣泛關(guān)注.總體上講，鐵路領(lǐng)域基于電磁式原理的振動(dòng)能量采集技術(shù)主要分為線性振動(dòng)能采集器[45-47]和旋轉(zhuǎn)式振動(dòng)能采集器[48-50].軌道側(cè)和車側(cè)的線性振動(dòng)能量采集器都是通過吸收軌道或列車的振動(dòng)進(jìn)而驅(qū)動(dòng)永磁體在線圈之間線性往復(fù)運(yùn)動(dòng)來產(chǎn)生電能.線性電磁式振動(dòng)能量采集器具有原理和結(jié)構(gòu)簡單的優(yōu)點(diǎn)，并且容易安裝在軌道側(cè)或車體懸架上.對于旋轉(zhuǎn)式電磁振動(dòng)能量采集器，通常需要使用機(jī)械振動(dòng)整流器（MVR）將列車或軌道的直線往復(fù)振動(dòng)轉(zhuǎn)換為輸出軸的單向旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng).因此，旋轉(zhuǎn)式電磁振動(dòng)能量采集器的輸出性能主要受MVR 結(jié)構(gòu)的影響.為了提高振動(dòng)能量的收集效率，基于各種機(jī)構(gòu)的MVR 系統(tǒng)不斷更新，包括齒條齒輪機(jī)構(gòu)[51-52]、滾珠絲杠機(jī)構(gòu)[53-54]和一些其他機(jī)構(gòu)[55-56].與線性電磁式振動(dòng)能量采集器相比，旋轉(zhuǎn)式電磁振動(dòng)能量采集器具有更復(fù)雜的結(jié)構(gòu)、更高的能量密度，并且整體系統(tǒng)更緊湊[57].

電磁式能量采集器動(dòng)力學(xué)模型[53]為

式中：a(t)為采集器頂端加速度；C1、C2為積分常數(shù)；k為剛度系數(shù)；m為采集器輸入部分質(zhì)量；t為時(shí)間.

系統(tǒng)輸出功率[53]為

式中：T(t)為轉(zhuǎn)矩；l為導(dǎo)程；J為轉(zhuǎn)運(yùn)慣量；v(t)為系統(tǒng)速度.

基于電磁式的鐵路軌道振動(dòng)能量采集方案研究較多，表1 為部分研究者采用不同結(jié)構(gòu)方案設(shè)計(jì)的RVEH 發(fā)電情況對比.

表1 基于電磁轉(zhuǎn)換的RVEH 不同結(jié)構(gòu)能量采集對比Tab.1 Energy acquisition comparison of different structures of RVEH based on electromagnetic conversion

1.6.2 壓電式振動(dòng)能量采集

除了電磁式振動(dòng)能量采集，基于壓電原理的振動(dòng)能量收集技術(shù)是軌道交通領(lǐng)域中最普遍的能量再生策略[58-60].壓電式振動(dòng)能量采集的基本原理是基于壓電效應(yīng)，利用外界振動(dòng)源驅(qū)動(dòng)壓電介質(zhì)產(chǎn)生形變使其內(nèi)部會(huì)產(chǎn)生極化現(xiàn)象，同時(shí)在2 個(gè)相對表面上出現(xiàn)正負(fù)相反的電荷.根據(jù)文獻(xiàn)資料記載，重載鐵路和高速鐵路領(lǐng)域中的環(huán)境振動(dòng)振幅均為毫米級(jí)，而振動(dòng)頻率范圍較寬，在30～650 Hz[61-62].近年來，為了提高鐵路系統(tǒng)的安全性和舒適性，軌道領(lǐng)域?qū)＜彝ㄟ^改進(jìn)技術(shù)進(jìn)一步減輕了火車引起的振動(dòng)[63].在這種寬頻低振幅的振動(dòng)環(huán)境中，基于壓電原理的振動(dòng)能量采集技術(shù)是一種更有效的采集列車或軌道的振動(dòng)能量.Nelson 等[64]和Mouapi 等[65]分別證明了軌道側(cè)和車側(cè)壓電振動(dòng)能量采集器可以實(shí)現(xiàn)為低能耗的監(jiān)測傳感器節(jié)點(diǎn)供電.相比于電磁式振動(dòng)能量采集，壓電式軌道交通振動(dòng)能量采集在結(jié)構(gòu)上更加簡單，在輸出上能夠得到更高的輸出電壓，但是由于其自身阻抗較大，其輸出電流較小.

壓電式振動(dòng)能量采集動(dòng)力學(xué)模型[58]為

式中：Z為相對位移；w為振動(dòng)頻率；x為永磁鐵基座振動(dòng)幅值；μ為彈性系數(shù)；m1為質(zhì)量塊質(zhì)量；c為阻尼系數(shù).

表2 列出了部分基于壓電研究的RVEH 不同結(jié)構(gòu)能量采集結(jié)果，可進(jìn)行更直觀對比.

表2 部分基于壓電式的RVEH 不同結(jié)構(gòu)能量采集結(jié)果Tab.2 Energy collection results of different structures of RVEH based on piezoelectricity

1.6.3 摩擦式和液壓式振動(dòng)能量采集

近年來，還提出了基于摩擦發(fā)電原理和液壓機(jī)制的振動(dòng)能量采集技術(shù)[69-71].通常情況，摩擦式的軌道振動(dòng)能量采集技術(shù)需要引入摩擦納米發(fā)電機(jī)將軌道的微振動(dòng)轉(zhuǎn)化為電能，進(jìn)而用于監(jiān)測傳感器等小功耗負(fù)載供電.摩擦納米發(fā)電機(jī)在2012 年由王中林院士等[72]提出，其原理是利用2 種對電子束縛能力不同的材料，相互接觸時(shí)得失電子而在外電路產(chǎn)生電流的微型電機(jī).主要有4 種模式：垂直接觸分離、平面滑動(dòng)式、單電極式、獨(dú)立層式.納米發(fā)電機(jī)技術(shù)是近十年來興起的一項(xiàng)新技術(shù)[73-74]，如圖10 所示，這種新興技術(shù)本身對材料和電路控制系統(tǒng)有很高的要求.因此，基于摩擦發(fā)電機(jī)制的軌道振動(dòng)能量采集技術(shù)研究還處在一個(gè)萌芽階段.液壓式振動(dòng)能量采集的原理是利用外界振動(dòng)源將振動(dòng)機(jī)械能轉(zhuǎn)化為液壓流體的壓力能，液壓流體通過集成塊（或閥組合）被傳輸?shù)桨l(fā)電機(jī)，進(jìn)而驅(qū)動(dòng)電機(jī)進(jìn)行發(fā)電.由于液壓系統(tǒng)對密封要求高、控制復(fù)雜以及結(jié)構(gòu)復(fù)雜等特點(diǎn)[75-77]，如圖11 所示，因此，基于液壓原理的軌道振動(dòng)能量采集研究也沒有受到廣泛關(guān)注.

圖11 軌道液壓能量收集系統(tǒng)Fig.11 Rail hydraulic energy collection system

2 研究趨勢及熱點(diǎn)分析

本文通過西南交通大學(xué)網(wǎng)上圖書館，利用“軌道交通”“能量采集”“能量回收”等中文關(guān)鍵詞和“rail trans*”“energy harvest*”“energy collect*”等英文關(guān)鍵詞分別在CNKI 和Web of Science 核心數(shù)據(jù)庫進(jìn)行期刊文獻(xiàn)主題檢索，時(shí)間跨度為2000 年—2020 年.共檢索到軌道交通新能源再生相關(guān)研究中文文獻(xiàn)41 篇，英文文獻(xiàn)297 篇，并利用檢索到的338 篇文獻(xiàn)進(jìn)行研究趨勢及熱點(diǎn)分析.

2.1 發(fā)文特征分析

年度發(fā)文量是衡量該研究領(lǐng)域被關(guān)注程度以及發(fā)展?fàn)顩r的重要指標(biāo)，圖12 展示了軌道交通領(lǐng)域新能源再生研究的年發(fā)文情況.從圖中可以得出：總發(fā)文量自2000 年起呈現(xiàn)總體上升趨勢，尤其是2010 年進(jìn)入快速增長階段，但是研究成果在英文期刊發(fā)文量要多于中文期刊發(fā)文量，且該差距正逐漸加大.文章數(shù)量的不斷增加表明軌道交通領(lǐng)域能量采集研究正逐漸引起研究人員重視且發(fā)展快速.

圖12 軌道交通新能源再生研究年度發(fā)文量Fig.12 Annual publications of rail energy harvesting research

2.2 關(guān)鍵詞基礎(chǔ)性熱點(diǎn)分析

由圖12 可知，軌道交通領(lǐng)域新能源再生相關(guān)研究成果主要發(fā)表在英文期刊，故本文利用CiteSpace軟件對相關(guān)英文文獻(xiàn)進(jìn)行關(guān)鍵詞分析.關(guān)鍵詞是文章核心內(nèi)容的細(xì)化，本文通過關(guān)鍵詞共現(xiàn)方式展示軌道交通領(lǐng)域能量收集研究的關(guān)鍵點(diǎn).利用Cite-Space 軟件分析得到的關(guān)鍵詞圖譜如圖13 所示，圖中節(jié)點(diǎn)和字號(hào)大小與關(guān)鍵詞出現(xiàn)頻次成正比.出現(xiàn)頻率最高的前15 個(gè)關(guān)鍵詞如表3 所示.通過圖12和表3 可知，能量采集器（energy harvester）是研究人員最關(guān)注的研究內(nèi)容，其次是性能（performance）、發(fā)電（generating electricity）、算法（algorithm）、能源消耗（energy consumption）、振動(dòng)能量采集（vibration energy harvesting）、環(huán)境影響（environmental impact）、電路（circuit）等.

圖13 軌道交通能量采集研究關(guān)鍵詞共現(xiàn)Fig.13 Co-occurrence of keywords in energy collection of rail transit

2.3 關(guān)鍵詞階段性前沿研究分析

突現(xiàn)詞是指突然出現(xiàn)或受研究人員高度關(guān)注的詞.通過研究關(guān)鍵詞突現(xiàn)，可以更好地把握研究前沿和熱點(diǎn).圖14 是2000 年—2020 年軌道交通領(lǐng)域新能源再生研究英文文獻(xiàn)關(guān)鍵詞突現(xiàn)圖譜.從圖中可以看出,研究熱點(diǎn)按時(shí)間順序分別為：算法（algorithm）、電路（circuit）、環(huán)境影響（environmental impact）、電磁式（electromagnetic）、能量采集器（energy harvester）、無線傳感器網(wǎng)絡(luò)（wireless sensor network）、發(fā)電（generating electricity）、發(fā)電機(jī)（generator）、效率（efficiency）、振動(dòng)能量采集（vibration energy harvesting）、仿真（simulation）、優(yōu)化（optimization）.值得注意的是，振動(dòng)能量采集（vibration energy harvesting）是研究熱度最高的方向，且自2018 年之后始終保持著高熱度，且同仿真（simulation）、優(yōu)化（optimization）、效率（efficiency）等研究方向一直到2020 年始終保持高熱度.

圖14 2000 年—2020 年軌道交通能量采集研究英文文獻(xiàn)突現(xiàn)詞圖譜Fig.14 Atlas of emergent words on energy collection of rail transit study in English literature ( year 2000-2020)

從圖14 可以進(jìn)一步得出如下結(jié)論，軌道交通能量采集研究領(lǐng)域的研究點(diǎn)正發(fā)生變化，2018 年以前的突現(xiàn)詞為算法（algorithm）、電路（circuit）、環(huán)境影響（environmental impact）等，研究內(nèi)容孤立，相互聯(lián)系不大.隨著研究的不斷深入，2018 年出現(xiàn)優(yōu)化（optimization）、效率（efficiency）等突現(xiàn)詞，為軌道交通能量采集研究指出了新的研究方向，也是該研究領(lǐng)域的重要轉(zhuǎn)折點(diǎn)，意味著該領(lǐng)域研究重點(diǎn)正從算法（algorithm）、電路（circuit）等孤立點(diǎn)研究轉(zhuǎn)向優(yōu)化（optimization）、效率（efficiency）等綜合性研究.

3 應(yīng)用前景

鐵路系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行離不開無線網(wǎng)絡(luò)傳感器節(jié)點(diǎn)（WSN）的監(jiān)控.無論是鐵路側(cè)還是車輛側(cè)，都需要各種傳感器來實(shí)時(shí)監(jiān)測鐵路系統(tǒng)的狀態(tài).WSN 自供電技術(shù)是近年來研究的熱點(diǎn).傳統(tǒng)上，有2 種方式為 WSN 節(jié)點(diǎn)供電：鋰電池供電和電網(wǎng)供電.鋰電池供電存在人工更換電池繁瑣和造成電化學(xué)污染的缺陷，尤其是在偏遠(yuǎn)地區(qū)，由于遠(yuǎn)距離輸電，電網(wǎng)供電不可避免地存在能量損耗.一般傳感器的功耗在微瓦到毫瓦范圍內(nèi)，而大量研究表明大多數(shù)能量采集器的功率輸出在毫瓦到瓦特范圍內(nèi).因此，基于環(huán)境新能源再生技術(shù)驅(qū)動(dòng)的自供電無線網(wǎng)絡(luò)傳感器技術(shù)可以有效促進(jìn)軌道交通綠色、智能、安全發(fā)展.目前已經(jīng)有一些關(guān)于使用軌道領(lǐng)域環(huán)境新能源再生裝置為列車側(cè)和軌道側(cè)的傳感器供電的研究.例如，Gao 等[78]提出了一種基于磁懸浮能量收集器的自供電 Zigbee-WSN 技術(shù)，用于監(jiān)測鐵路狀況.現(xiàn)場實(shí)驗(yàn)測試結(jié)果表明，所提出的能量采集裝置為Zigbee-WSN 供電是可行的.Hadas 等[79]提出了一種為軌道旁物體供電的能量收集技術(shù)，其仿真結(jié)果表明，在列車速度為 130 km/h 的情況下，所提出的能量采集器產(chǎn)生的平均輸出功率可以達(dá)到 200 mW，表明該能量采集裝置可以滿足微瓦和毫瓦傳感器的功率要求.

除了軌道側(cè)的自供電策略外，Jin 等[80]開發(fā)了一種磁懸浮多孔納米發(fā)電機(jī)（MPNG）來收集振動(dòng)能量，為高速列車上的監(jiān)測傳感器供電.結(jié)果表明，所提出的 MPNG 產(chǎn)生的能量足以為 400 個(gè)商用發(fā)光二極管供電，并且可以將超級(jí)電容器從0 充電到3 V.Wang 等[81]提出了一種壓電能量采集器，用于列車集裝箱監(jiān)測中的自供電應(yīng)用.仿真和實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，所提出的2 個(gè)串聯(lián)式能量收集器可以有效地為濕度和溫度傳感器供電.

在偏遠(yuǎn)的軌道交通環(huán)境中，除了監(jiān)控系統(tǒng)外，還有其他附屬電氣設(shè)施，如交通燈、隧道照明、通風(fēng)設(shè)備等.隨著能量采集技術(shù)的逐漸成熟，其能量輸出的逐漸提升，軌道交通領(lǐng)域的新能源再生技術(shù)也具有為其附屬電氣設(shè)施供電的潛能，如圖15 所示.

圖15 軌道新能源再生技術(shù)應(yīng)用Fig.15 Application of energy harvesting technology in railway system

4 總結(jié)與展望

總結(jié)了近年來軌道交通領(lǐng)域新能源再生的最新技術(shù)及研究現(xiàn)狀，包括軌道交通領(lǐng)域風(fēng)能采集、熱能采集、太陽能采集、聲能采集、制動(dòng)能采集以及振動(dòng)能采集.以上不同種類能量的采集利用，為節(jié)能減排、智慧鐵路，特別是高海拔高寒鐵路運(yùn)營監(jiān)控和軌道控制提供電能.

比較和討論了基于不同原理機(jī)制的軌道振動(dòng)能量技術(shù)的優(yōu)缺點(diǎn).因軌道振動(dòng)能量是近年研究的熱點(diǎn)，將振動(dòng)能轉(zhuǎn)化為電能實(shí)現(xiàn)傳感器的自供電是一個(gè)重點(diǎn)的研究發(fā)展方向.總體上講，軌道交通領(lǐng)域振動(dòng)能量采集主要包括：電磁式、壓電式、摩擦式和液壓式.電磁式和壓電式能量采集是目前軌道交通中最流行的2 種技術(shù).不同類型振動(dòng)能量采集器的主要特點(diǎn)如下：1） 電磁式采集器功率輸出大，能量轉(zhuǎn)換效率高，但結(jié)構(gòu)復(fù)雜；2） 壓電式采集器結(jié)構(gòu)簡單，振動(dòng)響應(yīng)靈敏，但功率和電流輸出低；3） 摩擦發(fā)電式采集器輸出電壓高，但是輸出功率和電流低；4） 液壓式采集器輸出功率大，但結(jié)構(gòu)復(fù)雜，對密封要求嚴(yán)格.

分析了軌道交通領(lǐng)域新能源再生的研究趨勢及熱點(diǎn).通過對年度發(fā)文量分析，得到年度發(fā)文量基本逐漸增加，且主要發(fā)表在英文期刊；通過關(guān)鍵詞共現(xiàn)展現(xiàn)軌道交通領(lǐng)域能量收集研究的關(guān)鍵點(diǎn)；通過關(guān)鍵詞突現(xiàn)展示究前沿和熱點(diǎn).

雖然很多研究已經(jīng)成功證明軌道交通領(lǐng)域現(xiàn)有的振動(dòng)能量采集技術(shù)具有良好的輸出性能，但在實(shí)際應(yīng)用中仍然存在一些挑戰(zhàn)和被忽視的問題：1） 穩(wěn)定性，如何將采集到的隨機(jī)振動(dòng)能量轉(zhuǎn)化為可以為負(fù)載實(shí)際供電的穩(wěn)定電能；2） 耐用性，如何為負(fù)載提供長期持續(xù)供電；3） 經(jīng)濟(jì)性，缺少能量采集器的成本和經(jīng)濟(jì)效益相關(guān)的分析；4） 能量大小，目前的研究多為關(guān)注能量采集器的功率輸出，缺少能量大小相關(guān)的討論；5） 運(yùn)動(dòng)放大，在將振動(dòng)能轉(zhuǎn)化為電能之前，可考慮采用運(yùn)動(dòng)放大機(jī)構(gòu)來提高振動(dòng)幅度進(jìn)而增加能量輸出；6） 可靠性，在高低溫頻繁更迭、風(fēng)雪較大的高海拔高寒地區(qū)各類裝置的可靠運(yùn)行性問題.上述6 點(diǎn)是軌道交通振動(dòng)能量采集技術(shù)在未來得以實(shí)際推廣應(yīng)用的關(guān)鍵點(diǎn).

未來，隨著軌道交通領(lǐng)域能量采集技術(shù)發(fā)展的逐漸成熟，高速動(dòng)車、貨運(yùn)列車運(yùn)行時(shí)，軌道監(jiān)測、傳感、控制將無須額外電網(wǎng)電源供電，鐵路軌道將實(shí)現(xiàn)智能監(jiān)控；鐵路沿線的泥石流、塌方監(jiān)測通過傳感器自供電技術(shù)，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)在線監(jiān)測預(yù)警；高海拔高寒無人地區(qū)，可利用各類能量采集技術(shù)，實(shí)現(xiàn)鐵軌、道岔的自融雪融冰，軌道運(yùn)行監(jiān)測及沿線監(jiān)控自供電.

致謝：感謝四川省科技廳省院省校合作項(xiàng)目（2021YFSY0059）、四川省科技廳重大項(xiàng)目（ 2021YFQ0055） 、 宜賓市科技計(jì)劃項(xiàng)目（2021ZYCG017）給予的支持.