CN102957338A - 车辆上的压电发电装置 - Google Patents

Abstract

车辆上的压电发电装置发明专利涉及利用车辆在行驶中车轮旋转时，车轮和路面(或钢轨)接触处受路面(或钢轨)反作用力，反复挤压设置在车轮胎内的压电挤压环和机车车轮内压电挤压柱，并对设置在车轮内的压电叠堆晶体(或压叠堆电陶瓷)进行挤压产生正负电荷；本发明同时利用车桥(或车轴、轮毂)在车辆行驶中频繁的上下震动并通过铰接于其上的垂直轴反复地推、拉其轴上数圈圆柱型凸凹环上下移动，由其凸环挤压设置在其外圆周上的挤压柱并反复地挤压其外圆周上、下均匀设置的压电叠堆晶体(或压电叠堆陶瓷)产生正负电荷。以上所产生的正负电荷分别通过正负极滑环、碳刷、逆变器、整流、滤波、蓄电供车辆用电，本发明属压电发电技术领域。

Description

车辆上的压电发电装置

1、所属技术领域：

(1)本专利涉及利用汽车和电动机车在行驶中车轮旋转时，车轮和路面(或钢轨)接触处受路面(或钢轨)反作用力，反复挤压设置在车轮胎内的压电挤压环和机车车轮内压电挤压柱，并对设置在车轮内的压电叠堆晶体(或压叠堆电陶瓷)进行挤压产生正负电荷；本专利同时利用车桥(或车轴、轮毂)在车辆行驶中频繁的上下震动并通过铰接于其上的垂直轴反复地推、拉其轴上数圈圆柱型凸凹环上下移动，由其凸环挤压设置在其外圆周上的挤压柱并反复地挤压其外圆周上、下均匀设置的压电叠堆晶体(或压电叠堆陶瓷)产生正负电荷。以上所产生的正负电荷分别通过正负极滑环、碳刷、逆变器、整流、滤波、蓄电供车辆用电，本专利属压电晶体(或压电陶瓷)压电发电技术领域。

2、背景技术：

(1)交通运输车辆与日巨增，能源的消耗、尾气排放和环境的污染倍受国家和全世界的共同关注。作为节能环保的电动车辆将被广泛的使用，但目前发电仍然存在能源的消耗和环境的污染。同时电能的储存、电网(充电站)的建设又制约了电动车辆的发展和使用。为解决此难题，本次申报车辆上的压电发电装置发明专利，该专利利用车辆在行驶中路面(或钢轨)对车轮的反作用力和利用车桥(或车轴、轮毂)在车辆行驶中频繁的上下震动的的能量经压电挤压柱对压电叠堆晶体(或压电叠堆陶瓷)挤压进行压电发电，利用车辆行驶中自身的能量进行进行发电为车辆提供电能，实现电动车辆节能、减排、减少投资和降低营运成本的目的；

(2)本专利利用正压电效应原理：当压电晶体(或压电陶瓷)受到某固定方向外力的作用时，内部就产生电极化现象，同时在某两个表面上产生符号相反的电荷；当外力撤去后，晶体又恢复到不带电的状态；当外力作用方向改变时，电荷的极性也随之改变；晶体受力所产生的电荷量与外力的大小成正比。从1880年发现石英压电晶体，经历100多年的研究应用，压电发电的原理和材料取得了良好的发展，可为本专利提供技术支持。

(3)目前日本、欧、美、以色列等国家计划实施公路压电发，以色列科学家计划在普通道路的沥青中植入大量的压电晶体通过汽车行驶时碾压进行压电发电。据预测一公里的公路可发电100-400KW.

美国加州一议员提出新法案将压电技术利用到道路上预测每年发电可供3万户家庭用电。

日本NEC公司联合开发信息发光标志。此外还有发光地板、发光鞋等以上都是利用外力挤压压电晶体(压电陶瓷)进行发电

本发明人认为在普通公路沥青中植入大量的压电晶体通过汽车行驶时碾压进行压电存在以下问题：

1)、实施推广难度大：每公里都要植入大量的压电晶体和埋设大量的线路，工程造价巨大(以色列预计每公里改造费用65万美元)，大规模的推广难度大。

2)、植入的压电晶体利用效率低，发电不连续，不规则。

3)、在普通公路沥青中植入大量的压电晶体和埋设大量的线路，一旦损坏维修量大，维修成本高。

4)、公路压电发电不能直接向电动汽车和电动机车提供电能。行驶的车辆仍然需要电网提供电能或油料供应，同样造成能源的消耗和环境的污染。

5)、压电晶体最佳埋设深度难于控制等。

针对公路发电存在的问题，本发明人提出车辆上的压电发电装置和目前以色列等国家计划实施的公路发电根本不同之处在于：

1)公路压电发电是在普通道路的沥青中植入大量的压电晶体通过汽车行驶时碾压进行压电发电，而本发明：车辆上的压电发电装置是将压电叠堆晶体(或压叠堆陶瓷)设置在电动汽车轮胎内，钢圈外的圆周上和机车车轮内。利用电动汽车和电动机车在行驶中车轮旋转时，车轮和路面(或钢轨)接触处受路面(或钢轨)反作用力反复挤压设置在轮胎内的压电挤压环和机车车轮内压电挤压柱并对设置在车轮内的压电叠堆晶体(或压叠堆电陶瓷)进行挤压产生的正负电荷，分别通过正负极滑环、碳刷、逆变器、整流、滤波、蓄电供车辆用电。

2)、公路压电发电仅利用车轮的压力，而本专利同时利用车桥(或车轴、轮毂)在车辆行驶中频繁的上下震动并通过铰接于其上的垂直轴反复地推、拉其轴上数圈圆柱型凸凹环，上下移动时由其凸环挤压设置在其外圆周上的压电挤压柱，并反复地挤压其外圆周上、下均匀设置的压电叠堆晶体(或压电叠堆陶瓷)产生正负电荷。将车辆行驶中震动的机械能通过压电发电装置转化为电能并通过正、逆变器、整流、滤波、蓄电向供车辆用电。

4)车辆上的压电发电装置发明专利和公路发电相比较具有以下优点：

①在每个车轮外圆周内适当位置设置压电挤压环(或压电挤压柱)在其端部设置压电叠堆晶体(或压叠堆陶瓷)，车辆行驶驶中车轮旋转时，车轮和路面(或钢轨)接触处受路面(或钢轨)反作用力反复挤压设置车轮上的压电挤压环(或压电激振柱)并对对设置在车轮内的压电叠堆晶体(或压叠堆电陶瓷)进行挤压产生正负电荷，设置在内的每组压电叠堆晶体(或压叠堆电陶瓷)车轮每旋转一周受到一次路面(或钢轨)的反力挤压，产生一次正负电荷，按车辆100KM的速度计算：每小时每组压电叠堆晶体(或压叠堆电陶瓷)大约产生近5万次正负电荷，在车轮受压和振动的瞬间同时有数组压电叠堆晶体(或压叠堆电陶瓷)受外力产生负电荷，其利用效率远远高于公路发电中普通公路沥青中植入大量的压电晶体。发电量应较大。

②因利用效率高，每台车辆设置压电发电装置的压电叠堆晶体(或压叠堆电陶瓷)相对数量少，在实施中仅对车辆车轮和减震部分作相应的改造，每台车压电发电装置的费用低，若大部分汽车都设置压电发电装置就相当于中国现有的4.1万公里的公路都装上了公路压电发电，节省公路改造的大笔投资费用，实施后每台车辆自行发电供电，减少能源消耗，电网建设投资，降低营运成推进汽车产业的发展，同时减少环境污染。

③本发明和公路压电发电比较发电较连续和规则

④本发明和公路压电发电比较，可工厂化生产配件维修较公路发电方便相应维修费用低。

3发明专利内容：

1)、电动汽车车轮上的压电发电装置：在汽车轮胎内全圆周增设适当宽度厚度的压电挤压环，在车轮钢圈适当位置设置压电基极板(负极)在基极板和压电挤压环之间全园周内设置数组压电叠堆晶体(或压叠堆电陶瓷)其和车轮绝缘。轮胎在未受到公路路面的反作用力的工况下由于轮胎内高压空气的作用，此时压电挤压环和压电叠堆晶体(或压叠堆电陶瓷)之间存在一定的间距，压电叠堆晶体(或压叠堆电陶瓷)不受压电挤压环作用力不带电电荷，车轮旋转中轮胎外缘和公路面接触处受路面的反作用力使压电挤压环向轮胎内迅速移动挤压压电叠堆晶体(或压叠堆电陶瓷)使其产生正负电荷，每组压电叠堆晶体(或压叠堆电陶瓷)中的压电晶体(压电陶瓷)的正极并联在一起，每组压电叠堆晶体(或压叠堆电陶瓷)中正极依次和设置在车轮毂(或车轴)上的正极滑环块相连，其连接的顺序为：按车轮旋转的方向。确保所受到公路反力挤压处的压电叠堆晶体(或压叠堆电陶瓷)的各带电荷的正极和正极碳刷接触处的滑环块相连。各负及并联在一起同时和设置在车轮毂(或车轴)上的负极滑环相连。并通过滑环、碳刷、逆变器、整流、滤波、蓄电向供车辆用电。

2)、车辆上的振动压电发电：本专利在车辆的车桥(或车轴、轮毂)上设置带有数圈圆柱型凸凹环的震动轴，震动轴下端和车桥(或车轴、轮毂)铰接。车辆在行驶中车桥(或车轴、轮毂)频繁的上下震动并通过铰于其上的震动轴反复地推、拉其轴上数圈圆柱型凸凹环上下移动，由其凸环挤压设置在其外圆周上的压电挤压柱并反复地挤压其外圆周上、下均匀设置的压电叠堆晶体(或压电叠堆陶瓷)产生正负电荷。上述的压电挤压柱由两道圆筒型的筒体定位，压电叠堆晶体(或压电叠堆陶瓷)沿压电挤压柱外圆周设置，当压电挤压柱处于圆柱型凸凹环凸环处的瞬间压电叠堆晶体(或压电叠堆陶瓷)受挤压产生正负电荷，当压电挤压柱处于圆柱型凸凹环凹环处的瞬间压电叠堆晶体(或压电叠堆陶瓷)不受挤压正负电荷消失。压电叠堆晶体(或压电叠堆陶瓷)基极板由外圆筒固定，以上的三道固定圆筒由上下连接低板固定和车架(或车身)刚性连接。压电叠堆晶体(或压电叠堆陶瓷)各正极并联为正极，负极连接于基极板上(基极带一定的弹性)，所获得的正负电荷通过、逆变器、整流、滤波、蓄电向供车辆用电。

3)、机车车轮压电发电装置：在机车外轮箍圆周上，从外向内依次设置弹性压电挤压柱、压电叠堆晶体(或压叠堆电陶瓷)每组压电叠堆晶体(或压叠堆电陶瓷)中的压电晶体(压电陶瓷)的正极并联在一起为正极，负极并联于基极板上为负极。在内轮箍和弹性压电挤压柱之间全圆周上设置数组弹性基极板，压电叠堆晶体(或压叠堆电陶瓷)二者同时固定在内轮箍外圆周上。设置的原则：弹性压电挤压柱未受到钢轨反力时和压电叠堆晶体(或压叠堆电陶瓷)受弹簧的弹力保持一定的间距。当弹性压电挤压柱受到钢轨反力时将向内挤压压电叠堆晶体(或压叠堆电陶瓷)产生正负电荷。在车轮毂(或车轴)上分别设置正、负极滑环，正极滑环中的每块滑环块依次和每组压电叠堆晶体(或压叠堆电陶瓷)，中正极依次相连，其连接的顺序为：按车轮旋转的方向，确保瞬间受到公路反力挤压处的全部压电叠堆晶体(或压叠堆电陶瓷)的正极和正极碳刷接触处的滑环块相连。基极板的负极和负极滑环相连。机车在行驶中车轮旋转时，车轮和或钢轨接触处受到钢轨反作用力，反复挤压设置在外轮箍内的压电电挤压柱，并对设置在车轮内的压电叠堆晶体(或压叠堆电陶瓷)进行挤压产生的正负电荷，通过滑环、碳刷、逆变器、整流、滤波、蓄电向供车辆用电。

(4)本发明专利的有益效果：

①电能是车辆的清清洁能源，电动车将部分取代目前的汽(柴)油车，但前提是投巨资建发电厂，完善供电电网(充电站)，同时电厂发电消耗能源造成环境污染。本发明专利在车辆上设置压电发电装置利用电动汽车、机车在行驶中车轮旋转时，车轮和路面(或钢轨)接触处受路面(或钢轨)反作用力和车桥(或车轴、轮毂)在车辆行驶中频繁的上下震动的机械能对其分别设置在相应位置处的压电叠堆晶体(或压叠堆电陶瓷)进行挤压产生正负电荷，分别通过正负极滑环、碳刷、逆变器、整流、滤波、蓄电供车辆用电。

其有益效果是：减少电力建设和供配电网建设的投资，利用行驶车辆中自身的动能进行发电、供电做到节约能源，减少环境污染。

②本发明专利在车辆上设置压电发电装置为电动车辆提供方便廉价的电能，解决电动车蓄电池蓄电量少，运行距离短，停车充电时间长的制约电动车发展的瓶颈驶问题。该专利实施后电动车一次充电后可长距离行驶，这将大大地降低车辆运行成本。电动车辆将较广泛用于人们的交通工具，燃油车辆将相应减少，这将起到减少能源消耗，节约能源，减少尾气排放，减少环境污染的效果。实施后经济效益大。

③本专利和目前以色列等国家计划实施的公路发电相比投资少、实施难度相对小.

4、附图说明：

1)、图--1是电动汽车上车轮上的压电发电装置

1----公路路面       2----橡胶轮胎

3----胎内压电挤压环 4----弹性绝缘定位包

5----基极板(-)      6----压电叠堆晶体(或压叠堆电陶瓷)(全圆周均匀设置)

7----正极连接线    8----车轮毂

9----正极滑环      10---正、负极碳刷

11----车轮钢圈     12----高压空气

13---负极连接线

14----碳刷及正(+)、负(-)极支架(和车身固定连接)

15---碳刷压紧弹簧

16----负极滑环     17----车轮轴

18---车桥          19---连接铰

20---车架(或车身)  21---圆柱型凸凹环轴

22----弹簧         23----压电挤压柱圆筒形固定内架

(和上下圆形底板刚性连接)

24----压电挤压柱圆筒形固定外架(和上下圆形底板刚性连接)

25-----弹性基极板、压电叠堆晶体(或压叠堆电陶瓷)固定圆筒(和上下圆形底板刚性连接同时与车身刚性连接)

26----弹性基极板

27------压电挤压柱

28------弹簧

29------圆柱型凸凹环

30逆变器

31变压器

32整流、滤波装置

33蓄电装置

34电动机(或其他用电装置)

图------2电动机车上的压电发电装置

1----钢轨                        2----外车轮箍

3----压电挤压柱(全圆周均匀设置)  4----内车轮箍

5----弹性基极板(负极)            6----压电叠堆晶体(或压叠堆电陶瓷)

7----正极连接线                  8----车轮毂

9----正极滑环                    10---正、负极碳刷

11----车轮钢圈                   12----弹簧

13---负极连接线

14----碳刷及正(+)、负(-)、极支架(和车身固定连接)

15---碳刷压紧弹簧

16----负极滑环                   17----车轮轴

18---车桥                        19---连接铰

20---车架(车身)                  21---圆柱型凸凹环轴

22----弹簧                       23----压电挤压柱圆筒形固定内架

(和上下圆形底板刚性连接)

24----压电挤压柱圆筒形固定外架(和上下圆形底板刚性连接)

25-----弹性基极板、压电叠堆晶体(或压叠堆电陶瓷)固定圆筒(和上下圆形底板刚性连接同时与车身刚性连接)

26----弹性基极板

27------压电挤压柱

28------弹簧

29------圆柱型凸凹环

30逆变器

31变压器

32整流、滤波装置

33蓄电装置

34电动机(或其他用电装置)

3)、图-1、图-2仅图示出车辆一个车轮和在一个车轮的车桥上的压电发电装置的示意。为获得更大的发电量可在车辆的每个车轮和车桥上安装本压电发电装置。还可考虑车辆在行驶中车辆上凡有频繁相对位移处设置本振动压电发电装置，如除垂直设置外还可在车辆行驶中有频繁相对位移的连接处(如车头和车厢之间，车厢与车厢之间)水平设置振动压电发电装置。

4)、车轮上压电叠堆晶体(或压叠堆电陶瓷)沿车轮全圆周均匀设置，车轮每转动一周每组压电叠堆晶体(或压叠堆电陶瓷)受路面反力产生一次正负电荷，每一瞬间有数组压电叠堆晶体(或压叠堆电陶瓷)同时带正负电；车桥每振震动一次设置在该压电装置内的数组压电叠堆晶体(或压叠堆电陶瓷)受挤产生正负电荷，每一瞬间有数组压电叠堆晶体(或压叠堆电陶瓷)同时带正负电。当外力消失压电叠堆晶体(或压叠堆电陶瓷)的正、负电荷也随之消失。利用在车辆行驶中车辆的高速转动和车桥的高速振动的机械能进行发电可得到较连续稳定的电源。

5、具体实施方式：

1)、电动汽车上的压电发电装置

(1)、车轮压电发电装置

电动汽车在行驶中车轮旋转时，车轮和路面接触处受路面①的反作用力，车轮胎②和设置在其内的压电挤压环③受挤压迅速向内移动并挤压压电叠堆晶体(或压叠堆电陶瓷)⑥时，使其产生正(+)、负(-)电荷。其正(+)电荷经正极连线⑦和瞬间碳刷接触处的正极滑环⑨上的滑块经碳刷⑩从碳刷及正(+)、负(-)支架内引出正(+)电荷。负(-)极经基极板⑤和负极(-)连线

负极滑环

经碳刷⑩从碳刷及正(+)、负(-)支架

引出负(-)极。

车轮内未受到路面挤压处的压电激振环③因受到轮胎内高压空气

的作用保持轮胎原有的状态，此时压电挤压环③和压电叠堆晶体(或压叠堆电陶瓷)⑥保持一定的设计距离，此时压电叠堆晶体(或压叠堆电陶瓷)⑥不受外力挤压，此部分电荷为零，连接线、滑环块和碳刷断开。

(2)、车辆上的振动压电发电装置；

用连接铰

将车辆的车桥和圆柱型凸凹环轴

连接，车辆行驶中车桥(或车轴、轮毂)频繁的上下震动并通过连接铰带动圆柱型凸凹环轴轴反复地推、拉其轴上数圈圆柱型凸凹环

上下移动，当圆柱型凸凹环

上的凸环部分和设置在其外圆周上的压电挤压柱

接触的瞬间，压电挤压柱

因受凸环挤压向外圆周移动，同时挤压设置在外圆周上的压电叠堆晶体(或压电叠堆陶瓷)⑥产生正负电荷。此时处于圆柱型凸凹环凹处的压电挤压柱

因受弹簧的作用和压电叠堆晶体(或压电叠堆陶瓷)⑥保持一定设计距离，不受外力挤压，此时的电荷为零。以上所产生的正负电荷分别通过逆变器变压器

整流滤波

蓄电装置

供车辆电动机(或其他用电装置)

用电。

(3)因用电量大可按本说明书4-附图说明中3)除车辆的每个车轮和车桥上安装本压电发电装置，还可考虑车辆在行驶中车辆上凡有频繁相对位移处设置本振动压电发电装置，如除垂直设置外还可在车辆行驶中有频繁相对位移的连接处(如：车头与车厢车厢之间，车厢之间)水平设置振动压电发电装置。

2)、电动机车压电发电装置(图-2)的具体实施方式：

(1)、车轮箍上的压电发电装置

电动机车在行驶中车轮旋转时，设置在外车轮箍②内的压电挤压柱③因受到钢轨①的反作用力的挤压克服弹簧的作用迅速向内移动并挤压压电叠堆晶体(或压叠堆电陶瓷)⑥时使其产生正(+)、负(-)电荷。其正(+)电荷经正极连线⑦和瞬间碳刷接触处的正极滑环⑨上的滑块，经碳刷⑩从碳刷及正(+)、负(-)支架内引出正(+)电荷。负(-)极经基极板⑤和负极(-)连线

负极滑环

经碳刷⑩从碳刷及正(+)、负(-)支架

引出负(-)极。

车轮箍②外圆周上未受到钢轨的挤压的压电挤压柱③因受弹簧

的弹力回弹和压电叠堆晶体(或压叠堆电陶瓷)⑥保持一定的设计距离，此时压电叠堆晶体(或压叠堆电陶瓷)⑥不受外力挤压，此部分电荷为零，连接线、滑环块和碳刷断开。

(2)、振动压电发电装置：该部分的实施与电动汽车上的振动发电装置基本上相同。

(3)因用电量大可按本说明书4-附图说明中3)除车辆的每个车轮和车桥上安装本压电发电装置，还可考虑车辆在行驶中车辆上凡有频繁相对位移处设置本振动压电发电装置，如除垂直设置外还可在车辆行驶中有频繁相对位移的连接处(如车头与车厢之间，车厢与车厢之间)水平设置振动压电发电装置。

Claims (5)

1.一种车辆上的压电发电装置，在车辆上设置挤压环(柱)、压电叠堆晶体(或压叠堆陶瓷)、基极板、滑环、碳刷、逆变器、整流、滤波、蓄电、连接线路装置供车辆用电，其特征在于：在电动汽车车轮橡胶胎②内和钢圈

之间设置压电挤压环③、压电叠堆晶体(或压叠堆电陶瓷)⑥、极板(-)⑤，在电动机车外车轮箍②内设置、压电挤压柱③、压电叠堆晶体(或压叠堆电陶瓷)⑥、弹性基极板⑤，在车辆车桥

(或车轴、轮毂)圆柱型凸凹环轴圆柱型凸凹环

在其外圆周上设置压电挤压柱压电叠堆晶体(或压电叠堆陶瓷)⑥、弹弹性基极板⑤。

2.根据权利要求1所述一种车辆上的压电发电装置，在车辆上设置挤压环(柱)、压电叠堆晶体(或压叠堆陶瓷)、基极板、滑环、碳刷、逆变器、整流、滤波、蓄电、连接线路装置供车辆用电，其特征在于：在电动汽车橡胶轮胎②内设压电挤压环③、压电叠堆晶体(或压叠堆电陶瓷)⑥、压电基极板(-)板⑤、正极连线⑦、负极连线

正极滑环⑨、负极滑环相碳刷及正(+)、负(-)极支架

3.根据权利要求1所述一种车辆上的压电发电装置，在车辆上设置挤压环(柱)、压电叠堆晶体(或压叠堆陶瓷)、基极板、滑环、碳刷、逆变器、整流、滤波、蓄电、连接线路装置供车辆用电.其特征在于：在车辆的车桥

(或车轴、轮毂)和车身

上设置连接铰

圆柱型凸凹环轴

弹簧

圆柱型凸凹环

压电挤压柱

压电叠堆晶体(或压电叠堆陶瓷)⑥、正(+)负(-)极连接线。

4.根据权利要求1所述一种车辆上的压电发电装置，在车辆上设置挤压环(柱)、压电叠堆晶体(或压叠堆陶瓷)、基极板、滑环、碳刷、逆变器、整流、滤波、蓄电、连接线路装置供车辆用电，其特征在于：在电动机车外车轮箍②上设置压电挤压柱③、弹簧

压电叠堆晶体(或压叠堆电陶瓷)⑥、基极板⑤、正极连接线⑦、正极滑环⑨、负极滑环正、负极碳刷⑩、、负极连接线

碳刷压紧弹簧

碳刷及正(+)、负(-)极支架

5.根据权利要求1所述一种车辆上的压电发电装置，在车辆上设置挤压环(柱)、压电叠堆晶体(或压叠堆陶瓷)、基极板、滑环、碳刷、逆变器、整流、滤波、蓄电、连接线路装置供车辆用电，其特征在于：可在车辆的每个车轮上安装车轮压电发电装置，在车桥

(或车轴、轮毂)设置振动压电发电装置。还可考虑在行车辆驶中车辆上凡有频繁相对位移处设置本振动压电发电装置，如除垂直设置外还可在车辆行驶中有频繁相对位移的连接处(如车头与车厢之间，车厢与车厢之间)水平设置振动压电发电装置。

Images