CN105720860B - 一种轨载式压电梁振动发电装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种轨载式压电梁振动发电装置，包括夹持单元、固定单元和振动发电单元；夹持单元通过第一可调节螺栓与固定单元相连接；固定单元垂直于钢轨延伸方向安装在夹持单元一侧；振动发电单元通过第二可调节螺栓平行于钢轨延伸方向固定在固定单元的夹缝上。本发明的振动发电装置的安装方式便捷、适应性强、可以方便、大批量的安装于既有的城市轨道交通线路、高速铁道线路和一般铁道线路上。
Description
技术领域
本发明涉及振动发电领域，特别是涉及一种轨载式压电梁振动发电装置。
背景技术
振动发电，亦称振动俘能，是通过研究环境振动来源和振动机理，设计一种能量转换装置，来收集环境的振动能量并将之用于发电。现今已形成三种发电方法：1)静电式发电；2)压电式发电；和3)电磁式发电。静电式发电对材料有极高的依赖性，要求驻极永极体材料具备稳定的电荷保持能力。压电式发电方法利用压电陶瓷材料的特有物理性能，可将压力转换为电能，常见的结构形式为末端载有质量块的压电陶瓷悬臂梁，故而可收集上千赫兹的高频环境振动。电磁式发电的原理是法拉第磁感应定律，当磁性材料和线圈环路发生相对运动时，通过线圈的磁通量密度会发生变化，从而激发出感应电动势。
关于在铁路和桥梁上收集环境振动，其主要的应用场景是在铁路和桥梁上搭建无线监测网络(wireless monitor network)，通过收集环境振动，给监测用传感器提供电力支援。美国专利US2011/0291526的压电发电器件是安装在轨下胶垫底部，位于轨枕之中。需要设计相应的轨枕，使之既可以容纳压电发电器件，又可以满足轨枕的承载和传递载荷的功能，因此轨枕结构会发生改变，如若将其应用到既有线路上，那必须更换既有线路的轨枕，因为标准轨枕是一块混凝土梁，无法放置压电发电器件。中国专利(申请号：201310503708.4)于枕木底面设置空间，该空间内对应设有压电元件。因此也需要在轨枕底部开槽、引线，与压电发电器件进行机械和电气连接，如若将其应用到既有线路上，也必须更换既有线路的轨枕。
发明内容
为了克服上述技术的不足，本发明的目的是提供一种轨载式压电梁振动发电装置，其安装方式便捷、适应性强、可以方便、大批量的安装于既有的城市轨道交通线路、高速铁道线路和一般铁道线路上、可适用于50kg/m、60kg/m和75kg/m的钢轨上，可适用于有砟轨道和无砟轨道。
为实现上述目的，本发明提供了如下方案：
一种轨载式压电梁振动发电装置，包括夹持单元、固定单元和振动发电单元；夹持单元通过第一可调节螺栓与固定单元相连接；固定单元垂直于钢轨延伸方向安装在夹持单元一侧；振动发电单元通过第二可调节螺栓平行于钢轨延伸方向固定在所述固定单元的夹缝上。
可选的，夹持单元包括第一钢轨连接夹持臂和第二钢轨连接夹持臂，第一钢轨连接夹持臂包括夹持块和伸出臂，夹持块位于钢轨底部，与钢轨底部下表面贴合，伸出臂与钢轨形状贴合，并具有向轨腰方向弯曲部分；第二钢轨连接夹持臂包括夹持块和伸出臂，夹持块位于钢轨底部，与钢轨底部下表面贴合，伸出臂与钢轨形状贴合，并具有向轨腰方向弯曲部分；第一钢轨连接夹持臂还包括第一通孔；第二钢轨连接夹持臂还包括第二通孔，第一可调节螺栓的螺杆依次通过第一通孔、第二通孔用于将第一钢轨连接夹持臂和第二钢轨连接夹持臂在钢轨上的固定。
可选的，振动发电单元包括压电材料层、电极结构层和质量块；电极结构层位于压电材料层两端，与压电材料层紧密相连，用于对电荷的收集；电极结构层与压电材料层之间连接有导线；质量块位于未被固定单元固定的电极结构层的一端，以调节压电梁谐振频率。
可选的，固定单元还包括第三通孔，第一可调节螺栓依次通过第三通孔、第一通孔与第一钢轨连接夹持臂的夹持块连接，第一可调节螺栓的头部位于固定单元一侧。
本发明的一种轨载式压电梁振动发电装置，通过将压电梁安装在钢轨两侧，连接夹持臂，质量块，DC-DC降压转换电路，可以在列车通过时收集轮对/钢轨振动能量，为铁路和桥梁监测传感器提供电力支援，本方案的装置可以安装在既有的铁道线路上，也可安装在新修轨道线路上，安装便捷、适应性强、可以方便、大批量的安装于既有的城市轨道交通线路、高速铁道线路和一般铁道线路上、可适用于50kg/m、60kg/m和75kg/m的钢轨上，可适用于有砟轨道和无砟轨道。
本技术方案由于通用型强、安装不需要对铁道线路进行重建和改造、对铁路工程标准件-如轨枕、胶垫、钢轨等无定制要求，因此成本低、安装作业便捷且更易于维护和更换。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例轨载式压电梁振动发电装置正视图；
图2为本发明实施例轨载式压电梁振动发电装置俯视图；
图3为本发明实施例轨载式压电梁振动发电装置布置图；
图4为本发明实施例轨载式压电梁振动发电装置示意图；
图5为本发明实施例轨载式压电梁振动发电装置电源转换示意图1；
图6为本发明实施例轨载式压电梁振动发电装置电源转换示意图2；
图7为本发明实施例轨载式压电梁振动发电装置电源转换部分原理图；
其中，附图标号：
01.钢轨 02.发电装置 03.负载 04.整流滤波电路 08.钢轨连接夹持臂 09.整流滤波储能电路 10.压电材料层 20.电极材料层30.质量块 40.电压 60.钢轨连接夹持臂50.固定支座 70.第一可调节螺栓
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明的目的是提供一种轨载式压电梁振动发电装置，图1为本发明实施例轨载式压电梁振动发电装置正视图，图2为本发明实施例轨载式压电梁振动发电装置俯视图，图3为本发明实施例轨载式压电梁振动发电装置布置图，可以看出本装置安装在钢轨的一侧，安装时不需要对现有钢轨进行改造，如图4为本发明实施例轨载式压电梁振动发电装置示意图，包括夹持单元、固定单元和振动发电单元；夹持单元通过第一可调节螺栓与固定单元相连接；固定单元垂直于钢轨延伸方向安装在夹持单元一侧；振动发电单元通过第二可调节螺栓平行于钢轨延伸方向固定在所述固定单元的夹缝上。
可选的，夹持单元包括钢轨连接夹持臂60、第一可调节螺栓70；
钢轨连接夹持臂60包括第一钢轨连接夹持臂和第二钢轨连接夹持臂，第一钢轨连接夹持臂包括夹持块和伸出臂，夹持块位于钢轨底部，与钢轨底部下表面贴合，伸出臂与钢轨形状贴合，并具有向轨腰方向弯曲部分；第二钢轨连接夹持臂包括夹持块和伸出臂，夹持块位于钢轨底部，与钢轨底部下表面贴合，伸出臂与钢轨形状贴合，并具有向轨腰方向弯曲部分；第一钢轨连接夹持臂还包括第一通孔；第二钢轨连接夹持臂还包括第二通孔，第一可调节螺栓70的螺杆依次通过第一通孔、第二通孔用于将第一钢轨连接夹持臂和第二钢轨连接夹持臂在钢轨上的固定。
可选的，振动发电单元包括压电材料层10、电极结构层20和质量块30；
压电材料层和电机结构层长度越长，表面积越大，能积累的电荷越多。但是考虑到实际的结构强度，过长的压电梁容易断裂，所以目前在测试和实验使用中的长度在30mm-200mm之间，宽度在15mm-100mm之间，厚度0.3mm-1mm之间。
电极结构层10位于压电材料层20两端，与压电材料层10紧密相连，用于对电荷的收集；
电极结构层20与压电材料层10之间连接有导线；
导线连接前，需要先在压电材料层和电极结构层上各贴一块10mm×10mm的导电铜箔，然后将导线分别焊接在两块导电铜箔上。导线在压电材料层和电机结构层上的具体位置不做限定，一般贴在压电梁的跨中位置。
质量块30位于未被固定单元固定的电极结构层的一端，以调节压电梁谐振频率。
可选的，固定单元还包括第三通孔，第一可调节螺栓依次通过第三通孔、第一通孔与第一钢轨连接夹持臂的夹持块连接，第一可调节螺栓的头部位于所述固定单元一侧。
轨载式压电梁振动发电装置采用压电材料的性能，利用列车－轨道动力交互作用产生的振动激励，激发压电梁相对于钢轨产生相对运动，导致压电材料内部电偶极矩发生变化，从而在压电材料层表面和电极结构层之间产生电压和电流。其具体的工作过程：
(1)列车通过时，车轮和钢轨相接触，产生交互作用力，作用力的量级一般为40～80kN；
(2)轮轨作用力致使钢轨产生局部变形，其垂向(图1的Z方向)变形的量级一般为0.2～2mm；
(3)压电梁器件刚性固结于钢轨，悬臂梁固定端随钢轨垂向振动后，会激发其自由端也发生垂向振动；
(4)悬臂梁自由端的垂向上下振动使压电材料层10和电极材料层20交互处于压缩和拉伸的状态，使得压电材料层的电偶极矩在纵向(图1的X方向)发生变化(压缩时缩短、拉伸时拉长)，根据压电材料的压电效应、10和20交互的压缩和拉伸会在压电材料层10和电极结构层20表面积聚电荷；
(5)当在10和20之间用导线联通并接入负载后，其间会产生双向流动的电流和正负端交替变化的电压40；
(6)将交变电压40接入图5、图6所示的电源转换电路后，就可将交变电压转换为直流电压、存储和供电，其中图5为本发明实施例轨载式压电梁振动发电装置电源转换示意图1，图6为本发明实施例轨载式压电梁振动发电装置电源转换示意图2。
轨载式压电振动发电装置有两种应用方案，如图5、图6所示。在振动发电装置和负载之间需接入电压转换和储能电路。电压转换和储能电路有两种构建方式，其一是将振动发电装置输出的电压经过整流和滤波后，直接供给负载电路；其二是将输出的电压经过整流和滤波后，输入DC-DC电源电路模块或电荷泵，将电压调整到标准的3.3V或5V，然后存储到可充电电池中。完整的振动发电装置应包括换能模块、电压转换和储能模块及其负载模块。图7为本发明实施例轨载式压电梁振动发电装置电源转换部分原理图，给出了一种具体的适用于本技术方案的DC-DC升压电路原理图。
本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。
Claims (2)
1.一种轨载式压电梁振动发电装置，其特征在于，包括夹持单元、固定单元和振动发电单元；
所述夹持单元通过第一可调节螺栓与所述固定单元相连接；所述固定单元垂直于钢轨延伸方向安装在所述夹持单元一侧；所述振动发电单元通过第二可调节螺栓平行于所述钢轨延伸方向固定在所述固定单元的夹缝上；
所述振动发电单元包括压电材料层、电极结构层和质量块；
所述电极结构层位于所述压电材料层两端，与所述压电材料层紧密相连，用于对电荷的收集；
所述电极结构层与所述压电材料层之间连接有导线；
所述质量块位于未被所述固定单元固定的所述电极结构层的一端，以调节压电梁谐振频率；
所述夹持单元包括第一钢轨连接夹持臂和第二钢轨连接夹持臂，
所述第一钢轨连接夹持臂包括夹持块和伸出臂，所述夹持块位于钢轨底部，与钢轨底部下表面贴合，所述伸出臂与钢轨形状贴合，并具有向轨腰方向弯曲部分；
所述第二钢轨连接夹持臂包括夹持块和伸出臂，所述夹持块位于钢轨底部，与钢轨底部下表面贴合，所述伸出臂与钢轨形状贴合，并具有向轨腰方向弯曲部分；
所述第一钢轨连接夹持臂的侧面具有第一通孔；所述第二钢轨连接夹持臂的侧面具有第二通孔，所述第一可调节螺栓的螺杆依次通过所述第一通孔、所述第二通孔用于将所述第一钢轨连接夹持臂和所述第二钢轨连接夹持臂进行连接。
2.根据权利要求1所述的轨载式压电梁振动发电装置，其特征在于，所述固定单元还包括第三通孔，所述第一可调节螺栓依次穿过所述第三通孔、所述第一通孔将所述第一钢轨连接夹持臂与所述固定单元连接，所述第一可调节螺栓的头部位于所述固定单元一侧。
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