《Energy Conversion and Management》：Increased energy conversion efficiency in footstep energy harvesting pavements via a novel combination strategy
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本研究针对步频能量收集路面(FEHP)阵列在传统串联方式下存在的能量损失和可靠性下降问题，提出了一种无需外部供电的机械开关组合新策略。通过设计新型开关模块作为执行器，并建立精确数学模型，研究证实该策略能有效绕过非工作状态的能量收集器，显著提升系统级能量转换效率。实验结果表明，在给定条件下，单个开关模块动作可使输出电压较传统串联方法提升33.3%，三单元阵列演示实现了20 V峰值直流输出，为温湿度计提供22秒稳定供电。该研究为分布式能量收集系统的优化提供了创新解决方案，具有重要的工程应用价值。
随着可持续发展战略的推进，可再生能源供电系统的优势日益凸显。在众多未被充分利用的能源中，行人脚步产生的动能因其持续性和可获取性引起了研究者的广泛兴趣。步频能量收集路面(FEHP)作为一种新兴的能量转换装置，能够将行人动能转化为稳定直流电，为毫瓦级电子设备（如指示灯、无线传感器节点和物联网设备）供电。然而，当多个FEHP通过特定组合方式形成阵列时，传统简单的串联、并联或混合连接方法存在明显局限性：串联连接会强制电流通过所有非工作状态的收集器，造成不必要的功率损耗；而并联连接在重载条件下难以有效提升负载侧电压，尤其不利于输出电压本已较低的电磁式能量收集器。
为解决这些关键技术难题，来自宁波诺丁汉大学的研究团队在《Energy Conversion and Management》上发表了一项创新研究。他们开发了一种新型组合策略，通过机械开关系统实现电流对非工作状态收集器的智能绕过，显著提升了FEHP阵列的能量转换效率。
研究人员采用多学科交叉的研究方法，主要包括：机械开关模块的创新设计、精确数学模型的建立与验证、实验平台的搭建与测试、以及计算机辅助的联合仿真分析。研究团队设计并制造了一种无需外部电源的机械开关系统作为策略执行器，该系统由PCB基板、针座、三个弹簧针和导杆等部件组成，能够在脚步激励下实现可靠的滑动接触。通过建立包含二极管非线性特性和负载动态响应的电路方程，团队准确描述了阵列的电学行为。实验验证采用信号发生器模拟FEHP的交流输出，结合数据采集卡和激光位移传感器，实时记录电压和位移数据。此外，研究还利用MATLAB与LTspice的联合仿真，深入分析了不同参数条件下策略的性能表现。
在系统设计与工作原理方面，研究提出了核心创新概念：为每个FEHP分配一个包含开关A、B和C的开关模块。开关A和C作为常开开关，开关B作为常闭开关。当FEHP处于非工作状态时，开关A和C断开，开关B闭合；当FEHP被激活时，开关B断开而开关A和C闭合。这种配置不仅避免了离线FEHP带来的不必要功率耗散，还提高了系统的整体可靠性和容错能力。
理论分析与实验验证部分显示，建立的数学模型与实验数据高度吻合。在单一开关模块激活的情况下，新策略在不同外部参数下均表现出优于传统串联方法的负载电压特性。特别是在3 V交流源电压和1 kΩ负载电阻条件下，新策略实现了33.3%的负载电压提升。相位差分析表明，虽然相位偏移会影响阵列的输出性能，但在实际能量收集阵列中，由于电容的存在和较高的交流电压幅值，相位差的负面影响较为有限。
对比研究通过一系列参数化分析，深入探讨了新策略在不同工况下的性能表现。研究发现在RC负载条件下，低脚步加速度、高滤波电容和低负载电阻有利于新策略优势的发挥；而在带有LDO稳压器的电阻负载条件下，较长的脚步停留时间和合适的阵列布置有助于延长有效工作时间。容错分析证实，新策略在大多数参数组合下均保持对传统串联方法的优势，表现出较高的实际应用可行性。
在应用演示环节，研究团队搭建了由三个电磁FEHP组成的实际能量收集器阵列。测试结果显示，采用新策略的阵列能够实现20.1 V的峰值直流输出电压，单个脚步可为470 μF电容充电至12.82 V。在实用化演示中，新策略成功为温湿度计提供22秒的稳定供电，并为包含nRF52832蓝牙收发器和BME280环境传感器的无线传感器节点(WSN)提供20秒的有效运行时间。
该研究的结论部分强调，新型组合策略能够在不依赖外部电源或复杂控制模块的情况下，有效提升小位移步频能量收集路面阵列的能量转换效率。策略的强通用性使其适用于任何采用往复机构将全位移转换为电能的能量收集装置，且与压电、静电和摩擦电等多种转换机制兼容。尽管在微小位移约束下的制造和装配精度限制了策略性能的充分发挥，但通过机械损耗分析、开关系统优化和更广泛条件下的对比测试，这一创新方法有望在分布式能量收集领域发挥重要作用，为可再生能源的高效利用提供新的技术路径。
