CN104158436A - 一种路面能量收集系统 - Google Patents

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尚广庆
杜建红
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Abstract

本发明公开了一种路面能量收集系统,包含多个路面能量收集装置;所述多个路面能量收集装置串联或并联连接;再依次与整流电路、滤波电路;所述路面能量收集装置,包括箱体、密封圈、压板、阵列悬臂梁压电俘能器、振动块;所述振动块设置在箱体的中部;所述振动块与箱体的底部之间设置有压簧;所述阵列悬臂梁压电俘能器成对地设置在振动块上;所述阵列悬臂梁压电俘能器,包含悬臂梁;所述悬臂梁上设置有压电层;所述悬臂梁的末端设置有第一永磁铁;与第一永磁铁对应的箱体的内壁上设置有第二永磁铁;所述第一永磁铁与第二永磁铁相邻端的极性相同;所述压板的下表面压住振动块的上端;本发明适宜于路面道路工程安装、具有较好的低频宽带随机共振特性。

Description

一种路面能量收集系统
技术领域
[0001] 本发明涉及一种路面能量收集系统的改进,特别是一种适宜于路面道路工程安 装、具有较好的低频宽带随机共振特性的路面能量收集系统。
背景技术
[0002] 随着车辆数量的增加,其对路面环境的影响越来越大。行驶的车辆不可避免的给 路面带来压力和冲击,引起路面内部纵横两方面的应变和应力,所产生的能量既产生振动、 噪音,严重影响路面寿命和周围环境。为了将这部分能量回收利用,一些能量收集装置已经 被开发出。这其中利用压电材料的正压电效应所开发的压电发电装置,具有俘能效率高、能 量密度大、工作可靠、适应性强、无污染、成本低等突出优点,从环境振动或噪声中提取能量 的性能最好,成为一种行之有效的好方法,受到了广泛的重视。
[0003] 中国专利CN2591264Y,公布了一种路面压电式发电装置。该发明包括路面覆盖板、 其下方凹坑、坑内纵横梁和贴于其上的含有多层叠合压电片的压电发电装置。当车辆驶过 路面覆盖板时,覆盖板产生的压力使梁上的压电片发生变形,从而获得电能。这一专利思路 非常科学,然而此专利所保护的技术没能将发电装置与路面结构有机的结合起来,安装时 将会对路面路基结构造成很到的破坏,使得该系统既无法连续铺设,也有一定的安全隐患。
[0004] 中国专利CN 200510041604. 1公布了一种利用公路系统振动能量压电发电的方 法及其系统。该专利将压电装置铺设于路面内或直接用压电材料作为路面的组成部分,利 用振动产生电能,并作为电力供应加以储存和利用。该专利将压电发电装置与路面结构有 机地结合,方便了施工和改造。但该装置可收集的能量很有限。
[0005] 中国专利CN 103066883 A公布了一种桥影式路面能量收集系统。采用梯形及月 牙形结构的压电俘能器,提高了能量的收集效率。但该装置采用传统的线性压电振子,只有 工作于共振状态才能取得好的效果,而一旦偏离共振,其电能输出会显著减小。而多变的路 况,使其难以处于共振状态。
[0006] 国外,2008年以色列的一个科研小组研制出了一种可用于路面、轨道及跑道的能 量收集系统,并进行了路面测试。其所采用的为层叠式的压电俘能器。
[0007] 纵观国内外的研究,目前用于路面能量收集的常用俘能器主要有:Multilayer、 Cymbal、Moonie、Bridge、Thunder、MFC和Bimorph等。但相关研究发现,现有的压电俘能器 或刚度不够,或能量转化效率低,或能量传输系数小,很难满足道路能量收集的要求。线性 悬臂梁式压电俘能器虽然在其他领域中多有成功应用案例。但由于其自然频率较高、频带 窄,被认为不适宜应用于像路面这种低频带宽、大应力振动能量的收集。为此,我们研发了 一种适宜于路面道路工程安装、具有较好的低频宽带随机共振特性的路面能量收集系统。
发明内容
[0008] 本发明目的是为了克服现有技术的不足而提供一种适宜于路面道路工程安装、具 有较好的低频宽带随机共振特性的路面能量收集系统。
[0009] 为达到上述目的,本发明采用的技术方案是:一种路面能量收集系统,包含多个路 面能量收集装置;所述多个路面能量收集装置串联或并联连接;再依次与整流电路、滤波 电路;所述路面能量收集装置获得的电信号进行整流、稳压后,就可进行存储或直接应用于 最终用户;所述路面能量收集装置,包括箱体、密封圈、压板、阵列悬臂梁压电俘能器、振动 块;所述振动块设置在箱体的中部;所述振动块与箱体的底部之间设置有压簧;所述阵列 悬臂梁压电俘能器成对地设置在振动块上;所述阵列悬臂梁压电俘能器,包含悬臂梁;所 述悬臂梁上设置有压电层;所述悬臂梁的末端设置有第一永磁铁;与第一永磁铁对应的箱 体的内壁上设置有第二永磁铁;所述第一永磁铁与第二永磁铁相邻端的极性相同;所述压 板与箱体通过密封圈封闭配合;所述压板的下表面压住振动块的上端。
[0010] 优选的,设置在振动块上的阵列悬臂梁压电俘能器有多对。
[0011] 优选的,设置在振动块上的阵列悬臂梁压电俘能器有多层。
[0012] 优选的,设置在振动块上的阵列悬臂梁压电俘能器并联或串联连接。
[0013] 优选的,所述密封条由橡胶或油毡制成。
[0014] 优选的,所述悬臂梁的上表面和下表面分别设置有压电层;所述压电层由压电陶 瓷片制成。
[0015] 优选的,所述的路面能量收集系统,还包括储能器件;所述储能器件用于储存经整 流电路、滤波电路进行整流、稳压后的信号。
[0016] 由于上述技术方案的运用,本发明与现有技术相比具有下列优点: 本发明所述的路面能量收集系统,阵列悬臂梁压电俘能器采用悬臂梁式结构,并利用 永磁铁作为悬臂梁自由端的质量块,使得系统可以工作在低频宽带随机共振式的状态,更 加符合路面振动特性;并利用弹簧进行频率的泵捕,使阵列悬臂梁压电俘能器可以持久工 作,从而增加了装置的能量收集时间,提高了能量收集效果;本发明适宜于路面道路工程安 装、具有较好的低频宽带随机共振特性。
附图说明
[0017] 下面结合附图对本发明技术方案作进一步说明: 附图1为本发明所述的路面能量收集系统中的路面能量收集装置的结构示意图; 附图2为附图1的俯视图; 附图3为本发明所述的路面能量收集装置的阵列悬臂梁压电俘能器的安装示意图; 附图4为本发明所述的路面能量收集系统的应用原理图; 附图5为本发明所述的路面能量收集系统的应用示意图的纵向截面图; 附图6为本发明所述的路面能量收集系统的应用示意图的横向截面图; 其中:1、箱体;2、密封圈;3、压板;4、阵列悬臂梁压电俘能器;5、振动块;6、压簧;4-1、 压电层;4-2、悬臂梁;7-1、第一永磁铁;7-2、第二永磁铁。
[0018]
具体实施方式 下面结合附图及具体实施例对本发明作进一步的详细说明。 附图1-6为本发明所述的路面能量收集系统,包含多个路面能量收集装置;所述多个 路面能量收集装置串联或并联连接;再依次与整流电路、滤波电路;所述路面能量收集装 置获得的电信号进行整流、稳压后,就可进行存储或直接应用于最终用户;所述路面能量收 集装置,包括箱体1、密封圈2、压板3、阵列悬臂梁压电俘能器4、振动块5 ;所述振动块5设 置在箱体1的中部;所述振动块5与箱体的底部之间设置有压簧6 ;所述阵列悬臂梁压电俘 能器4成对地设置在振动块5上;所述阵列悬臂梁压电俘能器4,包含悬臂梁4-2 ;所述悬臂 梁4-2的上表面和下表面分别设置有压电层4-1 ;所述悬臂梁4-2的末端设置有第一永磁 铁7-1 ;与第一永磁铁7-1对应的箱体1的内壁上设置有第二永磁铁7-2 ;所述第一永磁铁 7-1与第二永磁铁7-2相邻端的极性相同。本实施例中,所述阵列悬臂梁压电俘能器4有 24个,成4层设置,每层有3对对称地设置在振动块5上;所述压板3与箱体1通过密封圈 2封闭配合构成一个封闭的空间;所述压板3的下表面压住振动块5的上端;设置在振动块 5上的阵列悬臂梁压电俘能器4串联或并联连接;所述密封条2由橡胶或油毡制成;所述压 电层由压电陶瓷片制成。本发明所述的路面能量收集系统,还包括储能器件;所述储能器件 用于储存经整流电路、滤波电路进行整流、稳压后的信号。
[0019] 使用时,本发明所述的路面振动能量收集系统中的多个路面振动能量收集装置按 阵列的形式沿轮迹行驶方向铺设于浙青混凝土面层;多个路面振动能量收集装置串联或并 联;铺设时所述的路面振动能量收集装置的中心与轮迹中心重合,如附图5-6所示。所述路 面振动能量收集装置的表面积小于行车轮迹带面积。在使用中,当压板3受到车辆行驶引 起的浙青混凝土路面的振动时,这部分振动将传递给振动块5。固定于振动块5上的阵列 悬臂梁压电俘能器4,在压簧6及第一永磁铁7-1、第一永磁铁7-2的作用下,随之亦产生振 动,并形成往返运动,从而在阵列悬臂梁压电俘能器4上产生电势;所述阵列悬臂梁压电俘 能器4上所产生的电信号被传送到后续的整流电路、滤波电路、储能器件,进行整流、稳压 后,就可进行存储或直接应用于最终用户(如附图4所示)。
[0020] 由于上述技术方案的运用,本发明与现有技术相比具有下列优点: 本发明所述的路面能量收集系统,其中的路面能量收集装置中的阵列悬臂梁压电俘能 器采用悬臂梁式结构,并利用永磁铁作为悬臂梁自由端的质量块,使得系统可以工作在低 频宽带随机共振式的状态,更加符合路面振动特性;并利用弹簧进行频率的泵捕,使阵列悬 臂梁压电俘能器可以持久工作,从而增加了装置的能量收集时间,提高了能量收集效果;本 发明适宜于路面道路工程安装、具有较好的低频宽带随机共振特性。
[0021] 上述实施例只为说明本发明的技术构思及特点,其目的在于让熟悉此项技术的人 士能够了解本发明的内容并加以实施,并不能以此限制本发明的保护范围,凡根据本发明 精神实质所作的等效变化或修饰,都应涵盖在本发明的保护范围内。

Claims (7)

1. 一种路面能量收集系统,其特征在于:包含多个路面能量收集装置;所述多个路面 能量收集装置串联或并联连接;再依次与整流电路、滤波电路;所述路面能量收集装置获 得的电信号进行整流、稳压后,就可进行存储或直接应用于最终用户;所述路面能量收集装 置,包括箱体、密封圈、压板、阵列悬臂梁压电俘能器、振动块;所述振动块设置在箱体的中 部;所述振动块与箱体的底部之间设置有压簧;所述阵列悬臂梁压电俘能器成对地设置在 振动块上;所述阵列悬臂梁压电俘能器,包含悬臂梁;所述悬臂梁上设置有压电层;所述悬 臂梁的末端设置有第一永磁铁;与第一永磁铁对应的箱体的内壁上设置有第二永磁铁;所 述第一永磁铁与第二永磁铁相邻端的极性相同;所述压板与箱体通过密封圈封闭配合;所 述压板的下表面压住振动块的上端。
2. 根据权利要求1所述的路面能量收集系统,其特征在于:设置在振动块上的阵列悬 臂梁压电俘能器有多对。
3. 根据权利要求1或2所述的路面能量收集系统,其特征在于:设置在振动块上的阵 列悬臂梁压电俘能器有多层。
4. 根据权利要求3所述的路面能量收集系统,其特征在于:设置在振动块上的阵列悬 臂梁压电俘能器并联或串联连接。
5. 根据权利要求4所述的路面能量收集系统,其特征在于:所述密封条由橡胶或油毡 制成。
6. 根据权利要求5所述的路面能量收集系统,其特征在于:所述悬臂梁的上表面和下 表面分别设置有压电层;所述压电层由压电陶瓷片制成。
7. 根据权要求6所述的路面能量收集系统,其特征在于:还包括储能器件;所述储能器 件用于储存经整流电路、滤波电路进行整流、稳压后的信号。
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