CN104868783B - 基于悬臂梁结构的桥梁压电储能装置 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种基于悬臂梁结构的桥梁压电储能装置，包括至少一个压电俘能单元，所述压电俘能单元固定安装在所述桥梁的箱梁内，所述压电俘能单元通过导线连接整流储能单元，所述压电俘能单元能够在所述桥梁受到动载荷振动时随之振动，由此产生电能，并由整流储能单元对电能进行整流和储存，从而对外输出稳定的电压。本发明利用压电材料的正向压电效应以及压电悬臂梁的放大效应，将桥梁因车辆等动载荷引起的形变放大，并将其转变为电信号，通过整流储能单元，将电信号处理为电能储存，再对周围用电设备供电。
Description
技术领域
本发明涉及桥梁压电储能装置。
背景技术
截止2013年, 据不完全统计, 中国现有各类桥梁约50万座, 每年开工建筑的桥梁约为1万余座,中国正由世界“桥梁大国”向“桥梁强国”迈进。在中国187万km的公路线上,有各类公路桥梁30余万座。随着社会和科技的进步，桥梁越建越多，但现有的桥梁基本都是由大型电网来供电，需要牵专线配电，尤其有些桥梁远离电网，需要远距离供电。那是否能找到一种新能源，减少对基本电网的依赖，节省能源，解决高压配电及远距离输电的一系列问题？压电材料是近年新起的一种新材料，它能将根据自身特性将桥梁的变形所产生的机械能转化成电能，若是我们能利用压电材料的特点，将桥梁产生变形能转变为电能储存并用来供电，那么就能解决上述问题。加上压电材料的研究和应用经过长时间的技术积累，压电能量采集和应用因为其工作环境限制少、效率高、绿色环保等优点得到广泛的关注，研究桥梁压电储能装置具有庞大的经济效益和使用前景。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种基于悬臂梁结构的桥梁压电储能装置，其能利用悬臂梁结构放大桥梁受迫振动变形发电，并收集电能为周围用电设备供电。
本发明解决技术问题所采用的技术方案是：基于悬臂梁结构的桥梁压电储能装置，包括至少一个压电俘能单元，所述压电俘能单元固定安装在所述桥梁的箱梁内，所述压电俘能单元通过导线连接整流储能单元，所述压电俘能单元能够在所述桥梁受到动载荷振动时随之振动，由此产生电能，并由整流储能单元对电能进行整流和储存，从而对外输出稳定的电压。
在采用上述技术方案的同时，本发明还可以采用或者组合采用以下进一步的技术方案：
所述压电俘能单元包括悬臂梁、压电片和质量块，所述悬臂梁的主体部分呈长方体状，所述悬臂梁的固定端上表面具有突出部位，所述突出部位铆接固定在所述桥梁的箱梁上，所述悬臂梁的自由端的连接质量块，所述压电片焊接在所述梁体的上下两个表面上，所述压电片通过导线连接所述整流储能单元。
所述压电片铺满所述悬臂梁的梁体的上下两个表面。
所述悬臂梁采用Q235制成。
当所述压电俘能单元为多个时，所述多个压电俘能单元按照矩阵的形式固定安装在所述桥梁的箱梁内。
所述压电俘能单元安装在所述桥梁上振动相对较大的箱梁内。
所述整流储能单元包括三倍压整流电路和超级电容充电电路，所述三倍压整流电路将所述压电俘能单元产生的电能整为直流电，并放大电压，所述超级电容充电电路连接所述三倍压整流电路并存储其所产生的直流电。
所述三倍压整流电路由电容C1、电容C2、电容C3、二极管D1、二极管D3、二极管D4组成。
所述超级电容充电电路由电容C7、二极管D5、二极管D6、二极管D7、二极管D8和稳压二极管D9组成。
所述整流储能单元还包括DC-DC升压电路，所述DC-DC升压电路由电容C1、自感线圈L1、电阻R1、电阻R2、电阻R3、电阻R4、电阻R5和直流转换器MAX1687组成。
本发明的有益效果是：本发明利用压电材料的正向压电效应以及压电悬臂梁的放大效应，将桥梁因车辆等动载荷引起的形变放大，并将其转变为电信号，通过整流储能单元，将电信号处理为电能储存，再对周围用电设备供电。除此以外，本发明压电俘能单元采取矩阵形式锚固在桥梁震动相对较大的箱梁内在不影响桥梁整体结构性能的情况下，能够很好地收集桥梁的形变能。本发明创新性地采取收集桥梁因动荷载引起的形变能转变为电能来提供桥梁上附属设备用电，旨在减少桥梁对基本电网的依赖，节省能源，解决高压配电及远距离输电的一系列问题。
附图说明
图1为本发明的整体结构示意图。
图2为图1的侧视图。
图3为三倍压整流电路和超级电容充电电路图。
图4为DC-DC升压电路图。
图5为MAX1678直流转换器的引脚功能表。
具体实施方式
参照附图。
本发明的桥梁压电储能装置包括至少一个压电俘能单元7，压电俘能单元7固定安装在桥梁的箱梁1内，压电俘能单元7通过导线5连接整流储能单元6，压电俘能单元7能够在桥梁收到动载荷而振动时随之振动，从而产生电能，并由整流储能单元6对该电能进行整流和存储，从而对外输出稳定的电压。
通常，压电俘能单元7都是设置多个的，多个压电俘能单元7按照矩阵排列的形式固定安装在桥梁箱梁的某些部位，这里的某些部位是指在桥梁正常使用阶段，当车辆通过时会产生较大振动和变形的箱梁内，例如桥梁上原理支柱的部位，更容易产生较大电能。
压电俘能单元7包括悬臂梁2、压电片4和质量块3，悬臂梁2采用Q235A型钢材制作，其主体部分呈长方体状，长方体的悬臂梁2的长度为60cm，宽度为15cm，厚度为1cm，悬臂梁2的固定端的上表面具有突出部位，突出部位高出悬臂梁2的主体部分上表面10cm，其长度为5cm，该突出部位的上部通过铆接的方式固定连接在箱梁上。
悬臂梁2的自由端固定连接质量块3，质量块3为重约2kg的金属块，质量块3与悬臂梁2紧密连接，当悬臂梁2发生振动时，二者也不会发生相对位移，质量块3的作用是放大悬臂梁2的震动幅度，使整个装置收集到的电量变大。
压电片4焊接在悬臂梁2的主体部分的上下表面上，压电片4与悬臂梁2紧密粘合，且保持同步震动，二者具有相同的振幅、频率和形变时的曲率。压电片4布满在悬臂梁2的两个表面，并且通过导线串联起来。
压电俘能单元7的工作原理如下：当车辆等外部荷载作用在桥面上时，桥面整体包括箱梁在压力作用下会发生形变，产生弯矩，此外由于动荷载的作用，还会使桥梁的箱梁1产生震动，箱梁1的震动通过悬臂梁2与箱梁1连接在一起的突出部分传递到悬臂梁2上，使悬臂梁2产生震动，而由于悬臂梁自由端质量块3的放大作用，悬臂梁2的震动幅度会被放大，悬臂梁2的挠度和弯矩也会被放大，贴于悬臂梁表面的压电片4随着悬臂梁2同步震动，因此压电片4会随之产生较大的变形，由于压电效应，压电片4的两极产生电势差，并通过连接在两级的导线将电能输出，实现压电俘能。
压电俘能单元7通过导线5连接整流储能单元6。即压电俘能单元7中的压电片4由于震动形变而产生的电能通过导线输出，连接至整流储能单元6，经过整流储能单元6将电能储存起来并能以稳定的电压输出。
整流储能单元6包括三倍压整流电路和超级电容充电电路，如图3所示，所述三倍压整流电路由电容C1、电容C2、电容C3、二极管D1、二极管D3和二极管D4组成，其中电容 C1、C2和C3的规格为均100u，二极管D1、D3和D4的规格均为D1N4001；所述超级电容充电电路由电容C7、电阻R3、二极管D5、二极管D6、二极管D7、二极管D8和稳压二极管D9组成，其中，电容C7的规格为3F，二极管D5、D6、D7和D8的规格为D1N4001，稳压二极管D9的规格为规格D1N749，稳压值4v左右。三倍压整流电路的作用是将交流电整为直流电，并将电压放大，超级电容充电电路的作用是将三倍压整流电路调整后的直流电存储起来备用。如图3所示，压电片4两端的电压V2经过三倍压整流电路之后，电压变为原来的两倍，整流为直流，然后经过超级电容充电电路提升驱动能力，D9为稳压二极管，R3限制通过稳压二极管D9的电流，C7为超级电容，C3为滤波电容。
整流储能单元6还包括DC-DC升压电路，该电路由电容C1、自感线圈L1、电阻R1、电阻R2、电阻R3、电阻R4、电阻R5和直流转换器MAX1687组成，其中电容C1的规格为10u，自感线圈L1为47uH，电阻R1为550K，电阻R2为100K，电阻R3为1M，电阻R4为500K，电阻R5为1M，直流转换器MAX1687的各引脚如图5所示，经过三倍压整流及超级电容充电电路整流放大后的电信号为4V，若该电压值无法为外界使用时，通过图4所示电路，将其电压值进行改变，并将其稳定输出。
所述基于悬臂梁结构的桥梁压电储能装置作用机理：当桥面有车辆驶过桥面时，相对于对桥面施加动荷载，使桥面整体发生整体震动，而箱梁的震动带动悬臂梁发生震动，并产生挠度和弯矩。悬臂梁的质量块对震动进行放大，使附着与悬臂梁上的压电片随悬臂梁发生较大幅度的震动，并产生电势差。压电片产生的电能通过导线接入整流储能电路，经过三倍压整流及超级电容充电电路，DC-DC升压电路整流放大后，能够对外输出稳定的电压。
Claims (7)
1.基于悬臂梁结构的桥梁压电储能装置，其特征在于：所述压电储能装置包括至少一个压电俘能单元，所述压电俘能单元固定安装在所述桥梁的箱梁内，所述压电俘能单元通过导线连接整流储能单元，所述压电俘能单元能够在所述桥梁受到动载荷振动时随之振动，由此产生电能，并由整流储能单元对电能进行整流和储存，从而对外输出稳定的电压；
所述压电俘能单元固定安装在桥梁箱梁的某些部位，这里的某些部位是指在桥梁正常使用阶段，当车辆通过时会产生较大振动和变形的箱梁内；
所述压电俘能单元包括悬臂梁、压电片和质量块，所述悬臂梁的主体部分呈长方体状，长方体状的悬臂梁的长度为60cm，宽度为15cm，厚度为1cm，所述悬臂梁采用Q235A形钢材制成，所述悬臂梁的固定端上表面具有突出部位，所述突出部位铆接固定在所述桥梁的箱梁上，悬臂梁的主体部分和突出部位连接形成L形结构，所述悬臂梁的自由端的连接质量块，所述压电片焊接在所述悬臂梁的梁体的上下两个表面上，所述压电片通过导线连接所述整流储能单元。
2.如权利要求1所述的基于悬臂梁结构的桥梁压电储能装置，其特征在于：所述压电片铺满所述悬臂梁的梁体的上下两个表面。
3.如权利要求1所述的基于悬臂梁结构的桥梁压电储能装置，其特征在于：当所述压电俘能单元为多个时，所述多个压电俘能单元按照矩阵的形式固定安装在所述桥梁的箱梁内。
4.如权利要求1所述的基于悬臂梁结构的桥梁压电储能装置，其特征在于：所述整流储能单元包括三倍压整流电路和超级电容充电电路，所述三倍压整流电路将所述压电俘能单元产生的电能整为直流电，并放大电压，所述超级电容充电电路连接所述三倍压整流电路并存储其所产生的直流电。
5.如权利要求4所述的基于悬臂梁结构的桥梁压电储能装置，其特征在于：所述三倍压整流电路由电容C1、电容C2、电容C3、二极管D1、二极管D3和二极管D4组成。
6.如权利要求4所述的基于悬臂梁结构的桥梁压电储能装置，其特征在于：所述超级电容充电电路由电容C7、电阻R3、二极管D5、二极管D6、二极管D7、二极管D8和稳压二极管D9组成。
7.如权利要求5所述的基于悬臂梁结构的桥梁压电储能装置，其特征在于：所述整流储能单元还包括DC-DC升压电路，所述DC-DC升压电路由电容C1、自感线圈L1、电阻R1、电阻R2、电阻R3、电阻R4、电阻R5和直流转换器MAX1687组成。
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