CN104467535A - 一种收集车辆闲散动能的多层振子压电发电装置 - Google Patents

Abstract

一种收集道路车辆闲散动能的多层振子压电发电装置，所述发电装置在垂直方向上叠放多片压电振子，根据纵向尺寸约束确定叠放数量，以提高单次车轮作用的发电量。另外，根据乘用车轮胎尺寸设计接触点的分布，增加车轮单位行进距离的作用次数。本发明利用压电振子发电，能量转换效率高，采用独立的压块用于传递车轮的压力，当压电振子产生最大位移后，由盖板和底座组成的壳体承受轮子的压力，从而避免了汽车整体重力直接作用在压电振子上，造成振子的损坏。

Description

一种收集车辆闲散动能的多层振子压电发电装置

技术领域

本发明涉及一种收集道路车辆闲散动能的多层振子压电发电装置。

背景技术

道路作为重要的基础设施，对国民的生产、生活以及国家的经济增长起着重要作用。中国国民经济的快速发展，运输需求持续增长，为道路工程建设事业的发展提供了难得的机遇，道路在承担交通功能的同时也存在着大量的闲散能量。道路压电发电是道路闲散能源利用的一种重要方式。随着交通量的持续增长，机电转换效率的提升，道路的机械能、动能、振动能、乃至噪声能都可成为压电能量收集的对像。从道路铺面技术发展的角度来看，智能道路中大量的传感器件以及交通工程中各种信息板、信号灯、反光路钮等都需要能量的供应，因此铺面技术的发展对道路能量收集技术也有广阔的需求。目前，在道路压电发电方面，在国外已经有一些示范点。据悉，以色列Innowattech科技公司于2009年1月开放世界上第一条可发电的公路，理想情况下汽车每在公路上行驶1英里(1.6公里)便可产生超过640千瓦电量，英国塞恩斯伯里超市格洛斯特分店于2009年6月14日在店外路面嵌入“动力路板”，成为欧洲首家利用泊车供电的超市，这种泊车发电新法每小时能供电30千瓦，超出这家分店所有收款台运转所需电量。西安交通大学的曹秉刚等人提出了一种使用路面振动能量发电的方法，设想利用汽车行驶产生的振动能量通过压电材料产生电能，用以解决山区及长途道路沿线道路灯具铺设不便的难题。

要实现道路上离散的、闲置的动能的有效利用仍需要针对其特点设计和开发高能量转换效率、高可靠性、低成本的能量转换结构和储能技术，研究闲散动能发电结构的封装及与实际工程的兼容等。

发明内容

本发明的目的是为了将车辆行驶过程中产生的离散的、闲置的动能进行收集，提出一种收集车辆闲散动能的多层振子压电发电装置。本发明将车辆行驶过程中产生的离散的、闲置的动能简称为闲散动能。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的。

本发明收集车辆闲散动能的多层振子压电发电装置包括盖板、压块、直线轴承、复位弹簧、导向轴、压电振子组件、箱体、接插件、电路板和底板。

底板位于多层振子压电发电装置的最底部，底板通过螺栓与箱体固定在一起形成一个腔体。电路板位于所述的腔体内，通过螺栓固定在底板上。电路板的电路与压电振子组件有电连接。压电振子组件安装在箱体内部，压电振子组件的一端通过螺栓固定在箱体的内壁上，压电振子组件的另一端悬空。根据压电发电装置发电量和压电发电装置纵向结构尺寸的要求，确定在箱体内部安装的压电振子组件的列数。接插件分布在箱体的四周，通过螺栓与箱体固定在一起。导向轴通过螺栓固定在箱体上，复位弹簧套装在导向轴上。直线轴承套在复位弹簧内。复位弹簧的上端顶住直线轴承的法兰，直线轴承的法兰端通过螺栓固定在压块的下表面。压块下表面上粘结有多个弹性塑料块，每个弹性塑料块的位置与压电振子组件悬空的一端相对应，弹性塑料块的下表面与压电振子组件接触但不连接，压块的上表面有圆形表面的接触点，压块上表面的圆形表面的接触点嵌入盖板上的圆孔内，压块与盖板无接触，盖板位于箱体上方，通过螺栓与箱体固定在一起。

当车辆碾压在压电发电装置上，独立的压块通过复位弹簧传递车轮的压力给压电振子组件。通过采用导向轴和直线轴承，减小压块垂直方向上的运动阻力，使得压块在受到车轮作用后能够迅速向下运动，减小压块水平方向上的受力。当组成压电组件的压电振子产生最大位移后，由盖板和箱体及底板组成的壳体承受轮子的压力。当车轮的压力撤销后，由复位弹簧存储的弹力作用于压块，使得压块回到初始位置，产生的电量经电路板整理收集向外传输。本发明的应用环境为户外，对压电发电装置进行密封防水设计，压块的接触点与盖板之间的间隙用密封圈密封，盖板和底板之间的间隙安装密封圈，箱体和底板之间的间隙安装密封圈。

所述的压电振子组件由多片压电振子上下叠放组成。压电振子的极限位移为7-10mm，上层压电振子的下表面粘结有弹性塑料块，弹性塑料块的下表面与下层压电振子上表面接触但不连接，可根据压电发电装置发电量和压电发电装置纵向结构尺寸的要求增减压电振子的数量。

所述压块上的接触点设计成圆形，将车轮的作用力分解成水平和垂直两个方向的力。

为减小压块受力对直线轴承产生的扭矩，应尽量地减小接触点到直线轴承的距离，因此采用4个直线轴承，并不会产生干涉。

所述的接插件分布在压电发电装置箱体的四周，当压电发电装置横向和纵向扩展时，接插件与各压电发电装置的电路板连接。

盖板的尺寸应保证压电发电装置扩展后，两个压电发电装置边缘的接触点之间的距离与压电发电装置压块中间两接触点间的距离相等。所述压块中间两个接触点间的距离根据汽车轮胎的规格尺寸计算确定，以实现一个车轮纵向或横向一次通过一个压电模块能够使压电振子产生两次最大位移。

本发明的有益效果：

(1)本发明的装置基于单位面积内发电量最大化原则进行设计，在垂直方向上叠放多片压电振子，根据纵向尺寸约束确定叠放数量，以提高单次车轮作用的发电量，另外，根据乘用车轮胎尺寸设计接触点的分布，增加车轮单位行进距离的作用次数。

(2)装置利用压电振子d₃₁模式发电，能量转换效率高，采用独立的压块用于传递车轮的压力，当压电振子产生最大位移后，由盖板和底座组成的壳体承受轮子的压力，从而避免了汽车整体重力直接作用在压电振子上，造成振子的损坏。

(3)压块上的接触点的表面设计成圆形，将车轮的作用力分解成水平和垂直两个方向的力，压块与直线轴承采用螺栓固连，压块与盖板无接触，通过采用导向轴和直线轴承，减小压块垂直方向上的运动阻力，使得压块在受到车轮作用后能够迅速向下运动，减小压块水平方向上的受力。

(4)底座四面均有接插件，用于横向和纵向的模块扩展时电量的输出，通过结构尺寸保证模块扩展后，两模块边缘的接触点间的距离与模块中两接触点间的距离相等，根据汽车轮胎的规格尺寸计算确定两个压块接触点间的距离，可以实现一个车轮纵向或横向一次通过一个模块能够使压电振子产生两次最大位移。

(5)本发明的多层振子压电发电装置具有能量收集、转换效率高、抗疲劳、长寿命、高可靠性等优点，能够有效收集道路车辆等产生的闲散动能，能够满足高速公路收费站、减速带、转弯处等车辆减速刹车场合应用。同时该多层振子压电发电结构具有结构简单、生产成本低、工艺、工程兼容性好、对现有路基路面破坏性小、不会对车辆行驶造成不适等特点，适应低成本、大批量集成制作的工程化应用要求；发电结构放置在路面之下可有效抵御雨水等的侵蚀，在不严重破坏路基路面结构的前提下保证结构有效发电，提高了发电结构的可靠性和稳定性；本发明还可用于大型停车场、加油站等场所，作为照明等用电设备的应急电源。

附图说明

图1为本发明的压电发电装置结构示意图，其中：1盖板、3压块、6直线轴承、7复位弹簧、9导向轴、8压电振子组件、10箱体、11接插件、12电路板、13底板；

图2为本发明的压电发电装置结构剖面图，其中：1盖板、3压块、6直线轴承、7复位弹簧、9导向轴、8压电振子组件、10箱体、12电路板、13底板。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。

如图1、图2所示，本发明收集车辆闲散动能的多层振子压电发电装置实施例1包括盖板1、压块3、直线轴承6、复位弹簧7、导向轴9、压电振子组件8、箱体10、接插件11、电路板12和底板13。

底板13位于多层振子压电发电装置的最底部。底板13通过螺栓与箱体10固定在一起，形成一个腔体，电路板12置于腔体内，通过螺栓固定在底板13上，电路板12的电路与压电振子组件8有电连接。压电振子组件8安装在箱体10内部。压电振子组件8的一端通过螺栓固定在箱体10的内壁上，另一端悬空。箱体10内部安装的压电振子组件8的列数根据压电发电系统发电量和压电发电装置纵向结构尺寸的要求决定。接插件11分布在箱体10的四周，通过螺栓与箱体10固定在一起。导向轴9通过螺栓固定在箱体10上。复位弹簧7套装在导向轴9上。直线轴承6套装在复位弹簧7内。复位弹簧7的上端顶住直线轴承6的法兰。直线轴承6的法兰端通过螺栓固定在压块3的下表面。压块3的下表面粘结有多个弹性塑料块4，每个弹性塑料块4的位置与压电振子组件8悬空的一端相对应。弹性塑料块4的下表面与压电振子组件8接触但不连接。压块3的上表面有接触点5，接触点5的表面为圆形。压块3上表面的接触点5嵌入盖板1上面的圆孔2内，压块3与盖板1无接触，盖板1位于箱体10上方，通过螺栓与箱体10固定在一起。

当车辆碾压在压电发电模块上，独立的压块3通过复位弹簧7将车轮的压力传递给压电振子组件8。通过导向轴9和直线轴承6减小压块3垂直方向上的运动阻力，使得压块3在受到车轮作用后能够迅速向下运动，减小压块3水平方向上的受力。当压电振子产生最大位移后，由盖板1和箱体10及底板13组成的壳体承受轮子的压力。当车轮的压力撤销后，由复位弹簧7存储的弹力作用于压块3，使得压块3回到初始位置，产生的电量经电路板12整理收集向外传输。压电发电系统的应用环境为户外，对压电发电系统进行密封防水设计。压块3的接触点5与盖板1间的间隙用密封圈密封，盖板1和底板3之间的空隙添加密封圈，箱体10和底板3之间的空隙添加密封圈。

所述的压电振子组件8由多片压电振子上下叠放组成。压电振子的极限位移为7-10mm。上层压电振子的下表面粘结有弹性塑料块4，弹性塑料块4的下表面与下层压电振子上表面接触但不连接，可根据压电发电系统发电量和纵向结构尺寸的要求增减压电振子的数量。

所述压块3上的接触点5设计成圆形，将车轮的作用力分解成水平和垂直两个方向的力。

为减小压块3受力对直线轴承6产生的扭矩，应尽量地减小接触点5到直线轴承6的距离，因此采用4个直线轴承，并不会产生干涉。

所述的接插件11分布在压电发电装置箱体的四周，用于压电发电装置纵向和横向扩展时与各压电发电装置的电路板连接。

盖板1的尺寸应保证压电发电装置扩展后，两个压电发电装置边缘的接触点间的距离与压电发电装置压块中间两接触点间的距离相等，压电发电装置中间两个接触点间的距离根据汽车轮胎的规格尺寸计算确定，以实现一个车轮纵向或横向一次通过一个压电模块能够使压电振子产生两次最大位移。

本发明实施例1的压电振子组件8由两片60x30x0.5mm的压电振子组成。

本发明的另一实施例2的压电振子组件3由三片60x30x0.5mm的压电振子组成。

本发明的又一实施例3与实施例1不同之处在于将多个压电发电装置用接插件11相连接铺设在路面上，通过结构尺寸保证模块扩展后，两个压电发电装置边缘的接触点间的距离与压电发电装置中间两接触点间的距离相等，从而实现能量的连续回收。

Claims (4)

1.一种收集车辆闲散动能的多层振子压电发电装置，其特征在于，所述的装置包括盖板(1)、压块(3)、直线轴承(6)、复位弹簧(7)、导向轴(9)、压电振子组件(8)、箱体(10)、接插件(11)、电路板(12)和底板(13)；

所述的底板(13)位于多层振子压电发电装置的最底部，底板(13)通过螺栓与箱体(10)固定在一起形成一个腔体；电路板(12)位于所述的腔体内，通过螺栓固定在底板(13)上，电路板(12)的电路与压电振子组件(8)有电连接；压电振子组件(8)安装在箱体(10)内部；压电振子组件(8)的一端通过螺栓固定在箱体(10)的内壁上，压电振子组件(8)的另一端悬空；接插件(11)分布在箱体(10)的四周，通过螺栓与箱体(10)固定在一起；导向轴(9)通过螺栓固定在箱体(10)上；复位弹簧(7)套装在导向轴(9)上；直线轴承(6)套装在复位弹簧(7)内；复位弹簧(7)的上端顶住直线轴承(6)的法兰；直线轴承(6)的法兰端通过螺栓固定在压块(3)的下表面；压块(3)的下表面粘结有多个弹性塑料块(4)，每个弹性塑料块(4)的位置与压电振子组件(8)悬空的一端相对应；弹性塑料块(4)的下表面与压电振子组件(8)接触但不连接；压块(3)的上表面有接触点(5)，接触点(5)为圆形，嵌入盖板(1)上面的圆孔(2)内，压块(3)与盖板(1)无接触，盖板(1)通过螺栓与箱体(10)固定在一起。

2.根据权利要求1所述的收集车辆闲散动能的多层振子压电发电装置，其特征在于：所述的压电振子组件(8)由多片压电振子上下叠放组成，上层压电振子的下表面粘结有弹性塑料块(4)，弹性塑料块(4)的下表面与下层压电振子上表面接触但不连接。

3.根据权利要求2所述的收集车辆闲散动能的多层振子压电发电装置，其特征在于：所述的压电振子的极限位移为7-10mm。

4.根据权利要求1所述的收集车辆闲散动能的多层振子压电发电装置，其特征在于：所述的盖板(1)的尺寸应使压电发电装置在横向或纵向扩展后，两个压电发电装置边缘的接触点间的距离与压电发电装置压块中间两接触点之间的距离相等；两个压电发电装置接触点间的距离根据汽车轮胎的规格尺寸计算确定，以实现一个车轮纵向或横向一次通过一个压电模块能够使压电振子产生两次最大位移。