CN109617450B - 一种综合模式的压电发电单元及道路全断面同步发电装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种综合模式的压电发电单元及道路全断面同步发电装置，道路全断面同步发电装置包括多个压电发电单元、用于安装压电发电单元的安装槽以及密封盖合安装槽顶部开口且与各压电发电单元上表面接触的传力板；各压电发电单元之间并联且独立工作，各压电发电单元并联后的总导线伸出安装槽；压电发电单元包括由圆柱形的凹槽壳体和顶部的压板围成的圆柱状的绝缘腔体，还包括安装在绝缘腔体内的多种模式的压电片，压电片均为扇形结构。本发明基于正压电效应的d15、d33、d31综合模式发电，在压电发电单元内部的不同位置处，根据不同受力方式安置不同模式的压电片，以充分利用内部空间和竖向荷载，提高力电转换效率。
Description
技术领域
本发明属于道路工程领域，涉及一种压电发电装置，具体涉及一种综合模式的压电发电单元及道路全断面同步发电装置。
背景技术
截止2016年底，我国公路总里程已达到469.63万公里，其中高速公路通车里程达到13.1万公里，机动车保有量3.1亿辆，其中汽车达到2.161亿辆，且逐年递增，道路结构在几亿甚至上百亿的车辆荷载冲击、振动作用下积存了可观的机械振动能量，若这种机械能能得到有效收集并转换成电能，将会成为除太阳能、风能、核能外又一清洁能源，故开发一种能量收集及转化效率高的压电发电装置，具有十分重要的意义。
现有的压电发电装置大多存在力电转换率低、结构模式单一、能量损失严重等问题，因此设计一种能量输出稳定、力电转换率高、低损耗的路面压电发电装置是很有必要的。
发明内容
针对现有技术中的缺陷和不足，本发明提供了一种综合模式的压电发电单元及道路全断面同步发电装置，克服现有压电发电装置力电转换效率低、结构模式单一的缺陷。
为达到上述目的，本发明采取如下的技术方案：
一种综合模式的压电发电单元，包括由圆柱形的凹槽壳体和顶部的压板围成的圆柱状的绝缘腔体，还包括安装在绝缘腔体内的多种模式的压电片，所述压电片均为扇形结构；
在绝缘腔体内安装有平行于压板且中心开孔的圆形的刚性承压板，在刚性承压板与凹槽壳体的底板之间垂直安装有多个撑杆，撑杆靠近刚性承压板的中心开孔；在刚性承压板上放置有d33模式的压电片，d33模式的压电片的顶部靠近压板；
凹槽壳体的底板与压板之间还垂直安装有传力杆，传力杆的上端与压板中心固定，且传力杆穿过刚性承压板的中心开孔，传力杆的下端通过第一复位弹簧与凹槽壳体的底板连接；传力杆上设有弧形缩径部，弧形缩径部位于刚性承压板下方，弧形缩径部上设有多个竖向的凹槽滑轨；在弧形缩径部的外部套设有一个与传力杆同轴的套筒，套筒固定安装在所述撑杆上，套筒的外壁上沿径向安装有多个水平方向的套管，在套管内贯穿有水平方向的推杆，推杆的一个端部伸出套管并通过第二复位弹簧与套管连接，推杆的另一个端部伸出套管和套筒并安装有滑轮，滑轮安装在所述凹槽滑轨内；当传力杆上下运动时能引起滑轮在凹槽滑轨内滑动从而带动推杆做水平简谐运动。
在围绕推杆一周设有由d31模式的压电片在水平方向上排列成的环形的d31模式的压电片层，通过在竖向堆叠多层d31模式的压电片层形成环形的d31模式的压电片组，d31模式的压电片组的顶部靠近刚性承压板，且在d31模式的压电片组的内壁设有多个弧形的内部传力曲面，且多个内部传力曲面围成圆筒形结构；在d31模式的压电片组的外壁上设有多个弧形的外部传力曲面，且多个外部传力曲面围成圆筒形的结构；所述凹槽滑轨到内部传力曲面的最小水平距离小于推杆的长度；
在外部传力曲面的外部设有紧密压实在刚性承压板与凹槽壳体的底板之间的竖向交替布设的d15模式的压电片层和剪切板层；每个d15模式的压电片层是由多个d15模式的压电片在水平方向上排列成的环形的d15模式的压电片层，每个剪切板层是由多个弧形的剪切板在水平方向排列成的环形的剪切板层；剪切板层的外壁与所述凹槽壳体的侧壁之间安装有弹簧，剪切板层的内壁与外部传力曲面接触，d15模式的压电片层的内壁靠近外壁传力曲面，d15模式的压电片层的外壁固定于凹槽壳体的内壁上。
本发明还包括如下技术特征：
具体的，所述d33模式的压电片排列成环形的d33模式的压电片层，通过在竖向堆叠多层d33模式的压电片层形成环形的d33模式的压电片组；d33模式的压电片组以传力杆为中心，沿径向依次布设有三组半径依次增大的d33模式的压电片组，每组d33模式的压电片组之间不接触。
可选地，所述刚性承压板的外边缘内嵌并固定在凹槽壳体的侧壁的内壁上。
可选地，所述套管有三个，且等角度均匀分布在套筒上；
所述内部传力曲面有三个，分别与三个套管内的三个推杆对应设置；
所述外部传力曲面有三个，分别与三个内部传力曲面对应设置；
每个剪切板层包括三个剪切板。
可选地，所述撑杆有多个，多个撑杆位于传力杆的四周。
所述的传力板具有足够的强度和刚度，能够将道路任一断面的车辆荷载传递扩散至整个横断面，做到车辆荷载利用的最大化。
所述的压电片采用基于d15、d33、d31换能模式的PZT-5A或PZT-5H压电陶瓷制成。
所述的刚性承压板采用改性聚丙烯为材料制成，具有足够的强度刚度，在不吸收车辆荷载的前提下，能够支撑竖向荷载。
本发明还提供了一种综合模式的道路全断面同步发电装置，包括多个压电发电单元、用于安装所述压电发电单元的安装槽以及密封盖合安装槽顶部开口且与各压电发电单元上表面接触的传力板；各压电发电单元之间并联且独立工作，各压电发电单元并联后的总导线伸出所述安装槽。
具体的，各压电发电单元平铺排列安装在安装槽内，且所述安装槽为长方体形的安装槽，安装槽的长度等于道路全断面宽度或多条车道的宽度。
可选地，所述传力板与安装槽之间通过硅胶密封圈进行密封安装。
本发明与现有技术相比，有益的技术效果是：
(Ⅰ)本发明基于正压电效应的d15、d33、d31综合模式发电，在压电发电单元内部的不同位置处，根据不同受力方式安置不同模式的压电片，以充分利用内部空间和竖向荷载，提高力电转换效率。
(Ⅱ)本发明的中，当轮胎荷载经传力板及压板传至传力杆时，传力杆荷载和第一复位弹簧作用下上下往复运动，从而凹槽滑轨内的滑轮在配合凹槽滑轨上下运动过程中能带动推杆在水平方向运动，推杆在传力杆和第二复位弹簧作用下做水平简谐运动，从而将竖向荷载转换为水平荷载；推杆前端推动内部传力曲面，先将水平力通过传力内部传力曲面传递至d31模式的压电片，d31模式的压电片受挤压而开始发电；同时，水平力继续经过d31模式的压电片和外部传力曲面传至剪切板，剪切板产生水平位移趋势，由此产生对d15模式的压电片的水平剪切力，使得d15模式的压电片进行压电转换；另一方面，轮胎荷载经压板传递至d33模式的压电片，使其进行压电转换；各压电片均并联连接，经导线输出电能，由此实现d15、d33和d31模式的综合压电转换。
(Ⅲ)本发明的安装槽的横向尺寸为道路全断面尺寸或若干条车道尺寸，传力板密封盖合设有压电发电单元的安装槽，且传力板具有足够的强度和刚度，能做到道路断面上任一车道的车辆荷载均能传递扩散至整个道路断面，因而能够引起该断面的全断面同步发电，能充分利用道路全断面的车辆荷载，增大发电量。
(Ⅲ)本发明的压电发电装置构造简单，易于生产，机械能损失少，最大程度的利用荷载。
(Ⅳ)本发明的压电发电单元为圆柱体型，各压电片近似扇形且多层多环沿装置外壁和传力圆柱曲面堆叠排列，因而压电片数量众多，发电量大。本发明的水平伸缩杆在传力杆和复位弹簧作用下做简谐运动，能快速传递荷载并及时回位。本发明的刚性承压板，采用改性聚丙烯为材料制成，具有足够的强度刚度，在不吸收车辆荷载的前提下，起到支撑竖向荷载的作用。
附图说明
图1为本发明的综合模式的道路全断面同步发电装置整体结构示意图。
图2为本发明的安装槽内的压电发电单元安装示意图。
图3为本发明的压电发电单元的竖向剖面图。
图4为本发明的压电发电单元的横向剖面图。
图5为本发明的传力杆结构示意图。
图6为本发明的套筒与套管的结构示意图。
图7为本发明的推杆与滑轮结构示意图。
图8为本发明的推杆与传力杆配合安装的局部放大图。
图中各标号表示为：1-压电发电单元，2-安装槽，3-传力板；
10-凹槽壳体，11-压板，12-刚性承压板，13-撑杆，14-传力杆，16-套筒，17-内部传力曲面，18-外部传力曲面，19-剪切板；
101-d33模式的压电片，102-d31模式的压电片，103-d15模式的压电片；
141-弧形缩径部，142-凹槽滑轨；
161-套管，162-推杆，163-滑轮。
具体实施方式
本实施方式中的d15和d33换能模式的指的是：某些电介质在沿一定方向上受到外力作用而变形时，其内部会产生极化现象，同时在它的两个相对表面上出现正负相反的电荷。当外力去掉后，它又会恢复到不带电的状态，这种机械能转化为电能的现象称为正压电效应。依据压电材料电荷产生特性的不同，可将正压电效应的力-电转换模式分为三种类型：(A)d31模式，沿电轴x方向施加作用力F，在与光轴z垂直的平面上产生电荷；(B)d33模式，沿光轴z方向施加作用力F，在与光轴z垂直的平面上产生电荷；(C)d15模式，沿f方向施加剪切力F，在与电轴x垂直的平面上产生电荷。
以下结合说明书附图对本发明的具体实施方式进行详细说明。应当理解的是，此处所描述的具体实施方式仅用于说明和解释本发明，并不用于限制本发明。
实施例1：
如图1至图8所示，本实施例给出一种综合模式的压电发电单元，包括由圆柱形的凹槽壳体10和顶部的压板11围成的圆柱状的绝缘腔体，还包括安装在绝缘腔体内的多种模式的压电片，所述压电片均为扇形结构；在绝缘腔体内安装有平行于压板11且中心开孔的圆形的刚性承压板12，在刚性承压板12与凹槽壳体10的底板之间垂直安装有多个撑杆13，撑杆13靠近刚性承压板12的中心开孔；在刚性承压板12上放置有d33模式的压电片101，d33模式的压电片101的顶部靠近压板11；在本实施例中，轮胎荷载经压板11传递至d33模式的压电片101，使其进行压电转换；其中，刚性承压板12采用改性聚丙烯为材料制成，具有足够的强度刚度，在不吸收车辆荷载的前提下，能够支撑竖向荷载；撑杆13既能用于支撑刚性承压板12又能用于固定套筒16。
凹槽壳体10的底板与压板11之间还垂直安装有传力杆14，传力杆14的上端与压板11中心固定，且传力杆14穿过刚性承压板12的中心开孔，传力杆14的下端通过第一复位弹簧与凹槽壳体10的底板连接；传力杆14上设有弧形缩径部141，弧形缩径部141位于刚性承压板12下方，弧形缩径部141上设有多个竖向的凹槽滑轨142；在弧形缩径部141的外部套设有一个与传力杆14同轴的套筒16，套筒16固定安装在所述撑杆13上，套筒16的外壁上沿径向安装有多个水平方向的套管161，在套管161内贯穿有水平方向的推杆162，推杆162的一个端部伸出套管161并通过第二复位弹簧与套管161连接，推杆162的另一个端部伸出套管161和套筒16并安装有滑轮163，滑轮163安装在所述凹槽滑轨142内；轮胎荷载经传力板3及压板11传至传力杆14，传力杆14在荷载和第一复位弹簧作用下上下往复运动，从而凹槽滑轨142内的滑轮163在配合凹槽滑轨142上下运动过程中能带动推杆162在水平方向运动，推杆162在传力杆14和第二复位弹簧作用下做水平简谐运动，从而将竖向荷载转换为水平荷载。
在围绕推杆162一周设有由d31模式的压电片102在水平方向上排列成的环形的d31模式的压电片层，通过在竖向堆叠多层d31模式的压电片层形成环形的d31模式的压电片组，d31模式的压电片组的顶部靠近刚性承压板12，且在d31模式的压电片组的内壁设有多个弧形的内部传力曲面17，且多个内部传力曲面17围成圆筒形结构；在d31模式的压电片组的外壁上设有多个弧形的外部传力曲面18，且多个外部传力曲面18围成圆筒形的结构；所述凹槽滑轨142到内部传力曲面17的最小水平距离小于推杆162的长度；当推杆162做水平简谐运动时，推杆162前端推动内部传力曲面17，先将水平力通过传力内部传力曲面17传递至d31模式的压电片102，d31模式的压电片102受挤压而开始发电。
在外部传力曲面18的外部设有紧密压实在刚性承压板12与凹槽壳体10的底板之间的竖向交替布设的d15模式的压电片层和剪切板层；每个d15模式的压电片层是由多个d15模式的压电片103在水平方向上排列成的环形的d15模式的压电片层，每个剪切板层是由多个弧形的剪切板19在水平方向排列成的环形的剪切板层；剪切板层的外壁与所述凹槽壳体10的侧壁之间安装有弹簧，剪切板层的内壁与外部传力曲面18接触，d15模式的压电片层的内壁靠近外壁传力曲面18，d15模式的压电片层的外壁固定于凹槽壳体10的内壁上；水平力继续经过d31模式的压电片102和外部传力曲面18传至剪切板19，剪切板19产生水平位移趋势，由此产生对d15模式的压电片103的水平剪切力，使得d15模式的压电片103进行压电转换。
具体的，在本实施例中，d33模式的压电片101排列成环形的d33模式的压电片层，通过在竖向堆叠多层d33模式的压电片层形成环形的d33模式的压电片组；d33模式的压电片组以传力杆14为中心，沿径向依次布设有三组半径依次增大的d33模式的压电片组，每组d33模式的压电片组之间不接触；从而能充分利用绝缘腔体内部空间，增加压电片数量，提高力电转换效率。
刚性承压板12的外边缘内嵌并固定在凹槽壳体10的侧壁的内壁上，尽可能增大刚性承压板12的稳固性。
在本实施例中，套管161有三个，且等角度均匀分布在套筒16上；内部传力曲面17有三个，分别与三个套管161内的三个推杆162对应设置；三个推杆162上的三个滑轮163对应有三个凹槽滑轨142；外部传力曲面18有三个，分别与三个内部传力曲面17对应设置；每个剪切板层包括三个剪切板19。该布设方式简单易行，并且能将每个推杆162的推力传递给对应的内部传力曲面17、d31模式的压电片102、外部传力曲面18和剪切板19，实现高效的力电转换。
撑杆13有多个，多个撑杆13位于传力杆14的四周，撑杆13既能用于支撑刚性承压板12又能用于固定套筒16。
传力板3具有足够的强度和刚度，能够将道路任一断面的车辆荷载传递扩散至整个横断面，做到车辆荷载利用的最大化。
压电片采用基于d15、d33、d31换能模式的PZT-5A或PZT-5H压电陶瓷制成。
刚性承压板12采用改性聚丙烯为材料制成，具有足够的强度刚度，在不吸收车辆荷载的前提下，能够支撑竖向荷载。
实施例2：
如图1至图2所示，本实施例给出一种综合模式的道路全断面同步发电装置，包括多个上述的实施例1中的压电发电单元1、用于安装所述压电发电单元1的安装槽2以及密封盖合安装槽2顶部开口且与各压电发电单元1上表面接触的传力板3；各压电发电单元1之间并联且独立工作，各压电发电单元1并联后的总导线伸出所述安装槽2；传力板具有足够的强度和刚度，能够将道路任一断面的车辆荷载传递扩散至整个横断面，做到车辆荷载利用的最大化，从而将任一车道的轮胎荷载传递扩散至整个道路断面，各压电发电单元均并联连接，经总导线输出电能，由此实现道路的全断面同步发电。
在本实施例中，各压电发电单元1平铺排列安装在安装槽2内，且所述安装槽2为长方体形的安装槽2，安装槽2的长度等于道路全断面宽度或多条车道的宽度，从而将任一车道的轮胎荷载传递扩散至整个道路断面，各压电发电单元均并联连接，经总导线输出电能，由此实现道路的全断面同步发电，提高力电转换效率。
传力板3与安装槽2之间通过硅胶密封圈进行密封安装，从而将压电发电单元1密封安装在传力板3与安装槽2形成的绝缘腔体内。
本发明的工作过程如下所述：
(Ⅰ)压电发电单元工作过程：
轮胎荷载经传力板3及压板11传至传力杆14，传力杆14荷载和第一复位弹簧作用下上下往复运动，从而凹槽滑轨142内的滑轮163在配合凹槽滑轨142上下运动过程中能带动推杆162在水平方向运动，推杆162在传力杆14和第二复位弹簧作用下做水平简谐运动，从而将竖向荷载转换为水平荷载；推杆162前端推动内部传力曲面17，先将水平力通过传力内部传力曲面17传递至d31模式的压电片102，d31模式的压电片102受挤压而开始发电；
同时，水平力继续经过d31模式的压电片102和外部传力曲面18传至剪切板19，剪切板19产生水平位移趋势，由此产生对d15模式的压电片103的水平剪切力，使得d15模式的压电片103进行压电转换；
另一方面，轮胎荷载经压板11传递至d33模式的压电片101，使其进行压电转换；各压电片均并联连接，经导线输出电能，由此实现d15、d33和d31模式的综合压电转换。
(Ⅱ)道路全断面同步发电装置工作过程：
安装槽2的横向尺寸为道路全断面或若干条车道尺寸，其中安装多个压电发电单元1，各压电发电单元1独立工作，传力板3与各压电发电单元1的压板11接触，使各压电发电单元1能同时受到经传力板3所传递扩散的轮胎荷载，从而将任一车道的轮胎荷载传递扩散至整个道路断面，各压电发电单元均并联连接，经总导线输出电能，由此实现道路的全断面同步发电。
Claims (8)
1.一种综合模式的压电发电单元，其特征在于，包括由圆柱形的凹槽壳体(10)和顶部的压板(11)围成的圆柱状的绝缘腔体，还包括安装在绝缘腔体内的多种模式的压电片，所述压电片均为扇形结构；
在绝缘腔体内安装有平行于压板(11)且中心开孔的圆形的刚性承压板(12)，在刚性承压板(12)与凹槽壳体(10)的底板之间垂直安装有多个撑杆(13)，撑杆(13)靠近刚性承压板(12)的中心开孔；在刚性承压板(12)上放置有d33模式的压电片(101)，d33模式的压电片(101)的顶部靠近压板(11)；
凹槽壳体(10)的底板与压板(11)之间还垂直安装有传力杆(14)，传力杆(14)的上端与压板(11)中心固定，且传力杆(14)穿过刚性承压板(12)的中心开孔，传力杆(14)的下端通过第一复位弹簧与凹槽壳体(10)的底板连接；传力杆(14)上设有弧形缩径部(141)，弧形缩径部(141)位于刚性承压板(12)下方，弧形缩径部(141)上设有多个竖向的凹槽滑轨(142)；在弧形缩径部(141)的外部套设有一个与传力杆(14)同轴的套筒(16)，套筒(16)固定安装在所述撑杆(13)上，套筒(16)的外壁上沿径向安装有多个水平方向的套管(161)，在套管(161)内贯穿有水平方向的推杆(162)，推杆(162)的一个端部伸出套管(161)并通过第二复位弹簧与套管(161)连接，推杆(162)的另一个端部伸出套管(161)和套筒(16)并安装有滑轮(163)，滑轮(163)安装在所述凹槽滑轨(142)内；
在围绕推杆(162)一周设有由d31模式的压电片(102)在水平方向上排列成的环形的d31模式的压电片层，通过在竖向堆叠多层d31模式的压电片层形成环形的d31模式的压电片组，d31模式的压电片组的顶部靠近刚性承压板(12)，且在d31模式的压电片组的内壁设有多个弧形的内部传力曲面(17)，且多个内部传力曲面(17)围成圆筒形结构；在d31模式的压电片组的外壁上设有多个弧形的外部传力曲面(18)，且多个外部传力曲面(18)围成圆筒形的结构；所述凹槽滑轨(142)到内部传力曲面(17)的最小水平距离小于推杆(162)的长度；
在外部传力曲面(18)的外部设有紧密压实在刚性承压板(12)与凹槽壳体(10)的底板之间的竖向交替布设的d15模式的压电片层和剪切板层；每个d15模式的压电片层是由多个d15模式的压电片(103)在水平方向上排列成的环形的d15模式的压电片层，每个剪切板层是由多个弧形的剪切板(19)在水平方向排列成的环形的剪切板层；剪切板层的外壁与所述凹槽壳体(10)的侧壁之间安装有弹簧，剪切板层的内壁与外部传力曲面(18)接触，d15模式的压电片层的内壁靠近外壁传力曲面(18)，d15模式的压电片层的外壁固定于凹槽壳体(10)的内壁上。
2.如权利要求1所述的综合模式的压电发电单元，其特征在于，所述d33模式的压电片(101)排列成环形的d33模式的压电片层，通过在竖向堆叠多层d33模式的压电片层形成环形的d33模式的压电片组；d33模式的压电片组以传力杆(14)为中心，沿径向依次布设有三组半径依次增大的d33模式的压电片组，每组d33模式的压电片组之间不接触。
3.如权利要求1所述的综合模式的压电发电单元，其特征在于，所述刚性承压板(12)的外边缘内嵌并固定在凹槽壳体(10)的侧壁的内壁上。
4.如权利要求1所述的综合模式的压电发电单元，其特征在于，所述套管(161)有三个，且等角度均匀分布在套筒(16)上；
所述内部传力曲面(17)有三个，分别与三个套管(161)内的三个推杆(162)对应设置；
所述外部传力曲面(18)有三个，分别与三个内部传力曲面(17)对应设置；
每个剪切板层包括三个剪切板(19)。
5.如权利要求1所述的综合模式的压电发电单元，其特征在于，所述撑杆(13)有多个，多个撑杆(13)位于传力杆(14)的四周。
6.一种综合模式的道路全断面同步发电装置，其特征在于，该装置包括权利要求1至5任一权利要求所述的多个压电发电单元(1)，还包括用于安装所述压电发电单元(1)的安装槽(2)以及密封盖合安装槽(2)顶部开口且与各压电发电单元(1)上表面接触的传力板(3)；各压电发电单元(1)之间并联且独立工作，各压电发电单元(1)并联后的总导线伸出所述安装槽(2)。
7.如权利要求6所述的综合模式的道路全断面同步发电装置，其特征在于，各压电发电单元(1)平铺排列安装在安装槽(2)内，且所述安装槽(2)为长方体形的安装槽(2)，安装槽(2)的长度等于道路全断面宽度或多条车道的宽度。
8.如权利要求6所述的综合模式的道路全断面同步发电装置，其特征在于，所述传力板(3)与安装槽(2)之间通过硅胶密封圈进行密封安装。
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