CN109889091A - 高速公路隧道压电瓷砖发电装置及操作方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种高速公路隧道压电瓷砖发电装置及操作方法，包括双车道隧道和单向通行汽车在隧道内产生的空气交变压强和汽车行驶竖向循环振动，在隧道墙身分别设有多块沿隧道纵向粘贴的压电瓷砖，每块压电瓷砖均具有多个双端固支式压电振子和多个悬臂梁式压电振子，并分别受空气交变压强和汽车行驶竖向循环振动而产生电荷；所述的隧道墙身设有电荷收集器、电荷储存器、三相逆变器和控制系统，并能将多块压电瓷砖产生的电荷变换为三相交流电后输入隧道供电电网；因此，这种发电装置具有设计简单、不发热、无电磁干扰、绿色环保、节能减排、安全可靠、质量保障、收集可再生的清洁能源高效等优点，再结合相应的操作方法，经济效益和社会效益显著。

Description

高速公路隧道压电瓷砖发电装置及操作方法

技术领域

本发明涉及一种压电陶瓷发电领域，具体是指高速公路隧道压电瓷砖发电装置及操作方法。

背景技术

当汽车在隧道中行驶时，隧道中的空气被汽车带动而顺着汽车前进的方向流动，这就是所谓的活塞风。高速公路隧道为单向交通流，汽车以一定速度行驶时，前后汽车须保持一定的间距，这使隧道内空气流动速度即风速随着汽车的行驶出现交替变化，隧道内空气压强也随着汽车的行驶相应出现交替变化。同时汽车行驶也使隧道墙身产生循环振动。

而压电陶瓷是一种具有正压电效应的新型材料，可作为能量收集的媒体。因此，如在隧道墙身作为装饰用的墙面瓷砖中嵌入压电元件，则随着汽车的行驶隧道内空气压强出现交替变化和墙身循环振动时，该压电元件两电极面就会有电荷产生，此时将电荷收集、储存并经三相逆变器变换再输入隧道供电电网，就能得到再生的绿色清洁能源。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于克服现有技术的缺陷而提供一种结构简单、不发热、无电磁干扰、绿色环保、节能减排的高速公路隧道压电瓷砖发电装置及操作方法。

本发明的技术问题通过以下技术方案实现：

一种高速公路隧道压电瓷砖发电装置，包括具有左车道和右车道的双车道隧道，该隧道内单向通行的汽车在隧道内产生空气交变压强和汽车行驶竖向循环振动，所述隧道两侧的隧道墙身分别设有多块沿隧道纵向粘贴的压电瓷砖，每块压电瓷砖均具有多个双端固支式压电振子和多个悬臂梁式压电振子，且多个双端固支式压电振子受空气交变压强而产生电荷，多个悬臂梁式压电振子受汽车行驶竖向循环振动也产生电荷；所述的隧道墙身还设有电荷收集器、电荷储存器、三相逆变器和控制系统；所述的多块压电瓷砖产生的电荷通过电荷收集器、电荷储存器、三相逆变器和控制系统而变换为三相交流电后输入隧道供电电网。

当辆所述的汽车在隧道内左车道和右车道双排每辆汽车车头车尾平齐单向等距匀速行驶时，隧道内产生不同的空气压强，即汽车风速段、环流风速段和活塞风速段，假设隧道横断面为等截面积，双排单辆汽车的总挡风面积为、汽车风速为、空气压强为，汽车车身处外侧的环流风速为空气压强为，活塞风速为、空气压强为；同时假设隧道内空气流动为不可压缩流体的定常流动和汽车车身与隧道洞身内空气构成无摩阻复合流动，阻塞比为，根据伯努利定律，得

公式一、

分别为隧道内活塞风速段与汽车风速段、活塞风速段与环流风速段之间的空气压强差；

公式二、

假设外界没有为隧道提供任何空气流动的其它动力和外界因素干预时，辆汽车行驶产生的空气压强与实际存在的隧道局部阻力和沿程摩擦阻力损失的能量、即包括环流风速损耗的能量自然平衡；根据能量守恒定律，当汽车在隧道内左车道和右车道双排每辆汽车车头车尾平齐单向等距匀速行驶时，汽车行驶与隧道局部阻力和沿程摩擦阻力损失的能量相等，沿程和局部摩阻系数为，得

公式三、

当在隧道内左车道的辆汽车的左汽车处于右车道辆汽车的右汽车之间交错单向等距匀速行驶时，且左汽车车尾处于右车道的右汽车风速段前，左车道的左汽车和右车道的右汽车行驶速度均为，由于左车道的左汽车和右车道的右汽车相互影响，左汽车与右汽车的汽车风速段、环流风速段和活塞风速段产生叠加，形成汽车风速和活塞风速段、环流风速和活塞风速段、活塞风速段，即汽车风速和活塞风速段的风速和空气压强分别为和，环流风速和活塞风速段的风速和空气压强分别为和，活塞风速段的风速和空气压强分别为和；同理根据伯努利定律，阻塞比为，得

公式四、

同理，假设外界没有为隧道提供任何空气流动的其它动力和外界因素干预时，辆汽车行驶产生的空气压强与实际存在的隧道局部阻力和沿程摩擦阻力损失的能量、即包括环流风速损耗的能量自然平衡；根据能量守恒定律，当在隧道内左车道的辆汽车的左汽车处于右车道辆汽车的右汽车之间交错单向等距匀速行驶时，假设沿程和局部摩阻系数为，得

假设，对比公式三、公式四中的，

可见，当在隧道内左车道的辆汽车的左汽车处于右车道辆汽车的右汽车之间交错单向等距匀速行驶时空气压强差比辆汽车在隧道内左车道和右车道双排每辆汽车车头车尾平齐等距单向匀速行驶时的空气压强差要大，空气压强差或是推动隧道内空气流通的动力，且或；实际上隧道内每个车道汽车行驶的速度和排列是无序的、即非匀速和非等距的，也就是说隧道内实际的空气压强差比或还要大；

公式一、公式二、公式三和公式四中的符号定义为：

——等截面隧道横断面面积，；

——单辆汽车的挡风面积，；

——隧道内单向行驶的汽车数量；

——阻塞比，当辆汽车在隧道内左车道和右车道双排每辆汽车车头车尾平齐等距单向等距匀速行驶时，两辆汽车的总挡风面积与等截面隧道横断面面积的比，；

——阻塞比，当在隧道内左车道的辆汽车的左汽车处于右车道辆汽车的右汽车之间交错单向等距匀速行驶时，单辆汽车的挡风面积与等截面隧道横断面面积的比，；

——汽车车身长度，；

——等距匀速行驶的前汽车车尾至后汽车车头的长度，；

——汽车车头前方一定长度内由于汽车行驶引起的隧道内空气流动速度，即汽车风速段长度，；

——隧道内空气的密度，；

——分别为当辆汽车在隧道内左车道和右车道双排每辆汽车车头车尾平齐等距单向匀速行驶时的速度、其前方一定长度内由于汽车行驶引起的空气压强即汽车风速段的空气压强，；

——分别为当辆汽车在隧道内左车道和右车道双排每辆汽车车头车尾平齐等距单向匀速行驶时的汽车车身与隧道环隙部分的环流空气流动速度、空气压强即环流风速段的空气压强，；

——分别为当辆汽车在隧道内左车道和右车道双排每辆汽车车头车尾平齐等距单向匀速行驶时的汽车前车车尾至后车汽车风速段前端的空气流动速度、空气压强即活塞风速段的空气压强，；

——分别为当在隧道内左车道的辆汽车的左汽车处于右车道辆汽车的前后两辆右汽车之间交错单向匀速行驶时，左车道的左汽车和右车道的右汽车行驶速度、其前方一定长度内由于汽车行驶引起的空气压强即汽车风速段的空气压强，；

——分别为当在隧道内左车道的辆汽车的左汽车处于右车道辆汽车的前后两辆右汽车之间交错单向匀速行驶时，左车道的左汽车或右车道的右汽车车身与隧道环隙部分的环流空气流动速度、空气压强即环流风速段的空气压强，；

——分别为当在隧道内左车道的辆汽车的左汽车处于右车道辆汽车的前后两辆右汽车之间交错单向匀速行驶时，左车道的左汽车和右车道的右汽车前车车尾至后车汽车风速段前端的空气流动速度、空气压强即活塞风速段的空气压强，；

——分别为当辆汽车在隧道内左车道和右车道双排每辆汽车车头车尾平齐等距单向匀速行驶时，活塞风速段与汽车风速段的空气压强差、活塞风速段与环流风速段的空气压强差，；

——分别为当在隧道内左车道的辆汽车的左汽车处于右车道辆汽车的前后两辆右汽车之间交错单向匀速行驶时，活塞风速段与汽车风速段的空气压强差、活塞风速段与环流风速段的空气压强差，；

——当辆汽车在隧道内左车道和右车道双排每辆汽车车头车尾平齐等距单向匀速行驶时，汽车行驶与隧道沿程和局部摩阻系数，由试验得到，无量纲；

——当在隧道内左车道的辆汽车的左汽车处于右车道辆汽车的前后两辆右汽车之间交错等距单向匀速行驶时，汽车行驶与隧道沿程和局部摩阻系数，由试验得到，无量纲。

所述的汽车风速段、环流风速段和活塞风速段中各段风速不同空气压强也不同，汽车匀速行驶时隧道内任意横断面均出现交替变化的空气压强，其变化频率为，值等于汽车行驶速度除以汽车车身长度，即；当不同车身长度汽车行驶时，由试验检测得到各段风速空气压强交替变化的频率分布和带宽的数据，同时通过试验检测获取汽车行驶竖向循环振动频率分布和带宽的数据。

所述的隧道墙身是隧道的二次混凝土衬砌，并沿隧道纵向相隔20m～22m设置一条竖向沉降伸缩缝，在隧道墙身下部一定高度沿纵向竖直粘贴多块压电瓷砖，该多块压电瓷砖为多片特制单片长方形或正方形压电瓷砖基体内嵌入多个双端固支式压电振子和多个悬臂梁式压电振子。

所述的多个双端固支式压电振子由锆钛酸铅压电陶瓷材料或其他无铅化压电陶瓷材料制作，沿压电瓷砖纵向竖直设置，两端嵌固在压电瓷砖基体内，每个双端固支式压电振子均相隔一定的竖向间距，多个双端固支式压电振子底部与压电瓷砖基体粘贴牢固，在压电瓷砖竖向平面上外表面紧贴包封纳米薄膜，该包封纳米薄膜与双端固支式压电振子共同振动；压电俘能模式采用模式，压电陶瓷材料参数适合隧道内空气交变压强的特点，通过调节双端固支式压电振子的长度、宽度和厚度以及有关参数而使压电振子的固有振动频率在隧道内汽车行驶空气交变压强频率带宽范围之内且接近最大分布频率，以期双端固支式压电振子达到最大的俘能效率。

所述的多个悬臂梁式压电振子由锆钛酸铅压电陶瓷材料或其他无铅化压电陶瓷材料制作，沿压电瓷砖纵向水平设置，一端嵌固在压电瓷砖基体内，另一端自由，自由端设质量块，每个悬臂梁式压电振子相隔一定的竖向间距，相邻悬臂梁式压电振子振动时不致相互碰撞，多个悬臂梁式压电振子在压电瓷砖竖向平面上用纳米薄膜包封，该纳米薄膜与多个悬臂梁式压电振子相隔一定间距，纳米薄膜包封不影响多个悬臂梁式压电振子的竖向振动；压电俘能模式采用模式，压电陶瓷材料参数适合隧道内汽车竖向循环振动的特点，通过调节悬臂梁式压电振子的长度、宽度和厚度以及有关参数而使压电振子的固有振动频率在隧道汽车行驶竖向循环振动频率带宽范围之内且接近最大分布频率，以期悬臂梁式压电振子达到最大的俘能效率。

多片所述的单片长方形或正方形压电瓷砖基体内嵌入多个双端固支式压电振子和多个悬臂梁式压电振子，单片压电瓷砖基体内部各振子用集成电路相互并联连接，外部引出两个电极；所述的两条沉降伸缩缝内的多片压电瓷砖基体内嵌入多个双端固支式压电振子和多个悬臂梁式压电振子通过电线电缆连接各单片压电瓷砖基体外部电极也相互并联，以防单个振子或单片压电瓷砖意外脱落导致俘能电路断路；每两条沉降伸缩缝之间的压电瓷砖通过电线电缆相互串联或并联连接，左、右隧道墙身的压电瓷砖通过电线电缆相互串联或并联连接。

所述的纳米薄膜为纳米级塑料材料制成，具有较强的弹性、韧性和强度以及抗隧道内烟尘污染能力，并将多个双端固支式压电振子和多个悬臂梁式压电振子密封在特制的单片长方形或正方形压电瓷砖基体内。

所述的压电瓷砖发电装置俘获的能量，通过电线电缆接入到电荷收集器、电荷储存器、控制系统实现对压电瓷砖俘获的电荷进行有效管理；所述的电荷收集器采用全波桥式整流电路实现整流和滤波收集电荷，并实现自适应调谐；所述的电荷储存器采用可重复充电的锂电池进行储存能量，或采用超级电容储能方式，将电荷收集器收集的电荷储存；所述的三相逆变器将电荷变换为三相交流电，在控制系统的控制下，压电瓷砖产生的电荷再输入隧道供电电网；所述的控制系统具有自动控制、调节压电瓷砖发电装置俘获和转化能量，还具有预警和报警功能。

一种高速公路隧道压电瓷砖发电装置操作方法，包括如下步骤：

步骤一、理论计算和试验检测

①通过公式一、公式二、公式三和公式四计算汽车行驶空气压强交变压强差、和交变频率；

②在隧道内设置风速传感器、压强传感器，试验检测汽车行驶空气压强交变压强差和各段风速空气压强交替变化的频率分布和带宽数据；

③在隧道内设置振动传感器，试验检测汽车行驶竖向循环振动频率分布和带宽数据；

步骤二、设计和审评优化

①根据理论计算和试验检测数据设计压电瓷砖发电装置方案；

②根据设计方案选择压电瓷砖材料、尺寸和确定技术参数；

③根据设计方案选择电荷收集器、电荷储存器、三相逆变器和控制系统的元件和布设、连接方式；

④通过试验确定压电瓷砖粘贴胶结材料；

⑤通过专家审评优化高速公路隧道压电瓷砖发电装置设计；

步骤三、元器件和材料制作采购

①委托专业厂家设计制作压电瓷砖，并经检验合格；

②委托专业厂家设计制作电荷收集器、电荷储存器、三相逆变器和控制系统及电线电缆之类辅助配件原料，并经检验合格；

步骤四、实施施工

①分段粘贴压电瓷砖，平整度符合设计要求；

②按设计要求逐块逐段压电瓷砖用集成电路或电线电缆连接，测试有无短路和断路现象；

③安装电荷收集器、电荷储存器、三相逆变器和控制系统，接通电线电缆，测试有无短路和断路现象；

步骤五、测试和验收

①全面检查压电瓷砖发电装置硬件和软件系统；

②调集小客车队和大卡车队各一组，每组车队按规定间距排列；

③分别检测小客车队以80km/h速度、大卡车以60km/h速度、小客车和大卡车车队组成混合车队以60km/h速度在隧道左车道和右车道双排每辆汽车车头车尾平齐等距单向匀速行驶时或左汽车处于右车道的右汽车前后两辆右汽车之间交错等距单向匀速行驶时六种工况对电荷收集器、电荷储存器、三相逆变器和控制系统及输送电网的有关参数进行调试，要求达到设计要求；

④提供测试报告供验收。

与现有技术相比，本发明主要设计了一种高速公路隧道压电瓷砖发电装置及操作方法；其中，高速公路隧道压电瓷砖发电装置具有以下特点：一、利用隧道衬砌混凝土在特制压电瓷砖基体内嵌入多个双端固支式压电振子和多个悬臂梁式压电振子，则空气交变压强将使多个双端固支式压电振子产生电荷，而隧道内汽车行驶竖向循环振动也由多个悬臂梁式压电振子产生电荷，两种压电振子均采用纳米薄膜封装保洁性强，并使压电瓷砖既有利用资源的功能，又具有美观实用的作用；二、通过调节双端固支式压电振子和悬臂梁式压电振子的长度、宽度和厚度以及有关参数而使压电振子的固有振动频率在隧道汽车行驶空气交变压强频率带宽范围之内且接近最大分布频率和汽车行驶竖向循环振动频率带宽范围之内且接近最大分布频率，以期双端固支式压电振子和悬臂梁式压电振子达到最大的俘能效率；三、在隧道墙身同时设置空气交变压强和汽车行驶竖向循环振动的压电瓷砖电荷收集发电装置，且压电振子与汽车行驶为非直接接触式的，它与现有的单一设置在路面下与汽车行驶直接接触式的能量收集装置相比，具有综合利用功能全面、费用节约、使用寿命长和不易损坏等优点。因此，这种高速公路隧道压电瓷砖发电装置具有结构简单、不发热、无电磁干扰、绿色环保、节能减排、安全可靠、质量保障、收集可再生、与汽车行驶非直接接触式的清洁能源高效等优点，其结合相应的操作方法，经济效益和社会效益显著。

附图说明

图1为本发明的立面结构示意图。

图2为图1的压电瓷砖沿隧道纵向布置示意图。

图3为单片压电瓷砖结构的立面示意图。

图4为单片压电瓷砖结构的平面示意图。

图5为双车道汽车车头车尾平齐等距单向匀速行驶立面示意图。

图6为双车道汽车交错等距单向匀速行驶俯视示意图。

图7为压电瓷砖发电装置结构示意图。

具体实施方式

下面将按上述附图对本发明实施例再作详细说明。

如图1~图7所示，1.隧道墙身、11.沉降伸缩缝、2.压电瓷砖、21.压电瓷砖基体、22.双端固支式压电振子、23.悬臂梁式压电振子、24.固定端、25.质量块、26.纳米薄膜、3.电荷系统、31.电荷收集器、32.电荷储存器、33.三相逆变器、34.控制系统、4.电线电缆、5.汽车、51.右汽车、52.左汽车、61.汽车风速段、62.环流风速段、63.活塞风速段、64.汽车风速和活塞风速段、65.环流风速和活塞风速段。

高速公路隧道压电瓷砖发电装置及操作方法，如图1所示，涉及一种压电陶瓷发电领域，它主要设置在具有左车道和右车道的双车道隧道内；当汽车5在隧道内左车道和右车道双排每辆汽车车头车尾平齐等距单向匀速行驶时，隧道内产生不同的空气压强，即汽车风速段61、环流风速段2和活塞风速段63；当汽车在隧道内左车道的左汽车52处于右车道的前后两辆右汽车51之间交错等距单向匀速行驶时，左汽车52与右汽车51的汽车风速段61、环流风速段62和活塞风速段63产生叠加，形成汽车风速和活塞风速段64、环流风速和活塞风速段65、活塞风速段63。

所述隧道两侧的隧道墙身1分别设有多块沿隧道纵向粘贴的压电瓷砖2，还包括电荷系统3，即电荷收集器31、电荷储存器32、三相逆变器33和控制系统34，多块压电瓷砖2产生的电荷将通过电荷收集器31、电荷储存器32、三相逆变器33和控制系统34而变换为三相交流电后输入隧道供电电网。

所述的隧道墙身1是隧道的二次混凝土衬砌，并沿隧道纵向相隔20m～22m设置一条竖向沉降伸缩缝11，为美观、易于清洗和保持良好的亮度等原因，在隧道墙身1下部一定高度沿纵向竖直粘贴多块压电瓷砖2，该多块压电瓷砖为多片特制单片长方形或正方形压电瓷砖基体21内嵌入多个双端固支式压电振子22和多个悬臂梁式压电振子23，空气交变压强能使多个双端固支式压电振子22产生电荷，隧道内汽车行驶竖向循环振动也能使多个悬臂梁式压电振子23产生电荷，双端固支式压电振子22和悬臂梁式压电振子23的数量比例通过试验确定。

所述的多个双端固支式压电振子22由锆钛酸铅（PZT）压电陶瓷材料或其他无铅化压电陶瓷材料制作，沿压电瓷砖2纵向竖直设置，两端嵌固在压电瓷砖基体21内，每个双端固支式压电振子22均相隔一定的竖向间距，多个双端固支式压电振子22底部与压电瓷砖基体21粘贴牢固，在压电瓷砖2竖向平面上外表面紧贴包封纳米薄膜26，该包封纳米薄膜与双端固支式压电振子22共同振动；压电俘能模式采用模式，压电陶瓷2材料参数如相对介电常数、机电耦合系数、压电应变常数、压电电压常数、机械品质因数、弹性常数等适合隧道内空气交变压强的特点，通过调节双端固支式压电振子22的长度、宽度和厚度以及有关参数使压电振子的固有振动频率在隧道汽车行驶空气交变压强频率带宽范围之内且接近最大分布频率，以期双端固支式压电振子22达到最大的俘能效率。

所述的多个悬臂梁式压电振子23由锆钛酸铅（PZT）压电陶瓷材料或其他无铅化压电陶瓷材料制作，沿压电瓷砖2纵向水平设置，一端嵌固在压电瓷砖基体21内形成固定端24，另一端自由，自由端设质量块25，每个悬臂梁式压电振子23相隔一定的竖向间距，相邻悬臂梁式压电振子23振动时不致相互碰撞，多个悬臂梁式压电振子23在压电瓷砖2竖向平面上用纳米薄膜26包封，该纳米薄膜与多个悬臂梁式压电振子23相隔一定间距，纳米薄膜26包封不影响多个悬臂梁式压电振子23的竖向振动；压电俘能模式采用模式，压电陶瓷2材料参数如相对介电常数、机电耦合系数、压电应变常数、压电电压常数、机械品质因数、弹性常数等适合隧道内空气交变压强的特点，通过调节双端固支式压电振子22的长度、宽度和厚度以及有关参数使压电振子的固有振动频率在隧道汽车行驶空气交变压强频率带宽范围之内且接近最大分布频率，以期双端固支式压电振子22达到最大的俘能效率。

所述的多片单片压电瓷砖基体21内嵌入多个双端固支式压电振子22和多个悬臂梁式压电振子23，单片压电瓷砖基体21内部各振子用集成电路相互并联连接，外部引出两个电极；所述的两条沉降伸缩缝11内的多片压电瓷砖基体21内嵌入多个双端固支式压电振子22和多个悬臂梁式压电振子23通过电线电缆4连接各单片压电瓷砖基体21外部电极也相互并联，以防单个振子或单片压电瓷砖2意外脱落导致俘能电路断路；每两条沉降伸缩缝11之间的压电瓷砖2通过电线电缆4相互串联或并联连接，左右隧道墙身1的压电瓷砖通过电线电缆4可以相互串联或并联连接。

所述的纳米薄膜26为纳米级塑料材料制成，具有较强的弹性、韧性和强度以及抗隧道内烟尘污染能力，将多个双端固支式压电振子22和多个悬臂梁式压电振子23密封在特制的单片长方形或正方形压电瓷砖基体21内。

所述的压电瓷砖发电装置俘获的能量，通过电线电缆4接入到电荷收集器31、电荷储存器32、控制系统34实现对压电瓷砖2俘获的电荷进行有效管理；所述的电荷收集器31采用全波桥式整流电路实现整流和滤波收集电荷，可实现自适应调谐；所述的电荷储存器32采用可重复充电的锂电池进行储存能量，或采用超级电容储能方式，将电荷收集器31收集的电荷储存；所述的三相逆变器33将电荷变换为三相交流电，在控制系统34的控制下，压电瓷砖2产生的电荷再输入隧道供电电网；所述的控制系统34具有自动控制、调节压电发电装置俘获和转化能量，还具有预警和报警功能。

当辆所述的汽车5在隧道内左车道和右车道双排每辆汽车车头车尾平齐单向等距匀速行驶时，隧道内产生不同的空气压强，即汽车风速段61、环流风速段62和活塞风速段63，假设隧道横断面为等截面积，双排单辆汽车的总挡风面积为、汽车风速为、空气压强为，汽车车身处外侧的环流风速为空气压强为，活塞风速为、空气压强为；同时假设隧道内空气流动为不可压缩流体的定常流动和汽车车身与隧道洞身内空气构成无摩阻复合流动，阻塞比为，根据伯努利定律，得

公式一、

分别为隧道内活塞风速段63与汽车风速段61、活塞风速段63与环流风速段62之间的空气压强差；

公式二、

假设外界没有为隧道提供任何空气流动的其它动力和外界因素干预时，辆汽车行驶产生的空气压强与实际存在的隧道局部阻力和沿程摩擦阻力损失的能量、即包括环流风速损耗的能量自然平衡；根据能量守恒定律，当汽车5在隧道内左车道和右车道双排每辆汽车车头车尾平齐单向等距匀速行驶时，汽车行驶与隧道局部阻力和沿程摩擦阻力损失的能量相等，沿程和局部摩阻系数为，得

公式三、

当在隧道内左车道的辆汽车的左汽车52处于右车道辆汽车的右汽车51之间交错单向等距匀速行驶时，且左汽车52车尾处于右车道的右汽车风速段前，左车道的左汽车52和右车道的右汽车51行驶速度均为，由于左车道的左汽车52和右车道的右汽车51相互影响，左汽车52与右汽车51的汽车风速段61、环流风速段62和活塞风速段63产生叠加，形成汽车风速和活塞风速段64、环流风速和活塞风速段65、活塞风速段63，即汽车风速和活塞风速段64的风速和空气压强分别为和，环流风速和活塞风速段65的风速和空气压强分别为和，活塞风速段63的风速和空气压强分别为和；同理根据伯努利定律，阻塞比为，得

公式四、

同理，假设外界没有为隧道提供任何空气流动的其它动力和外界因素干预时，辆汽车5行驶产生的空气压强与实际存在的隧道局部阻力和沿程摩擦阻力损失的能量、即包括环流风速损耗的能量自然平衡；根据能量守恒定律，当在隧道内左车道的辆汽车的左汽车52处于右车道辆汽车的右汽车51之间交错单向等距匀速行驶时，假设沿程和局部摩阻系数为，得

假设，对比公式三、公式四中的，

可见，当在隧道内左车道的辆汽车的左汽车52处于右车道辆汽车的右汽车51之间交错单向等距匀速行驶时空气压强差比辆汽车在隧道内左车道和右车道双排每辆汽车车头车尾平齐等距单向匀速行驶时的空气压强差要大，空气压强差或是推动隧道内空气流通的动力，且或；实际上隧道内每个车道汽车行驶的速度和排列是无序的、即非匀速和非等距的，也就是说隧道内实际的空气压强差比或还要大；

公式一、公式二、公式三和公式四中的符号定义为：

——等截面隧道横断面面积，；

——单辆汽车5的挡风面积，；

——隧道内单向行驶的汽车5数量；

——阻塞比，当辆汽车在隧道内左车道和右车道双排每辆汽车车头车尾平齐等距单向等距匀速行驶时，两辆汽车5的总挡风面积与等截面隧道横断面面积的比，；

——阻塞比，当在隧道内左车道的辆汽车的左汽车52处于右车道辆汽车的右汽车51之间交错单向等距匀速行驶时，单辆汽车5的挡风面积与等截面隧道横断面面积的比，；

——汽车5车身长度，；

——等距匀速行驶的前汽车车尾至后汽车车头的长度，；

——汽车5车头前方一定长度内由于汽车行驶引起的隧道内空气流动速度，即汽车风速段61长度，；

——隧道内空气的密度，；

——分别为当辆汽车5在隧道内左车道和右车道双排每辆汽车车头车尾平齐等距单向匀速行驶时的速度、其前方一定长度内由于汽车行驶引起的空气压强即汽车风速段61的空气压强，；

——分别为当辆汽车5在隧道内左车道和右车道双排每辆汽车车头车尾平齐等距单向匀速行驶时的汽车车身与隧道环隙部分的环流空气流动速度、空气压强即环流风速段62的空气压强，；

——分别为当辆汽车5在隧道内左车道和右车道双排每辆汽车车头车尾平齐等距单向匀速行驶时的汽车前车车尾至后车汽车风速段前端的空气流动速度、空气压强即活塞风速段63的空气压强，；

——分别为当在隧道内左车道的辆汽车的左汽车52处于右车道辆汽车的前后两辆右汽车51之间交错单向匀速行驶时，左车道的左汽车52和右车道的右汽车51行驶速度、其前方一定长度内由于汽车行驶引起的空气压强即汽车风速段61的空气压强，；

——分别为当在隧道内左车道的辆汽车的左汽车52处于右车道辆汽车的前后两辆右汽车51之间交错单向匀速行驶时，左车道的左汽车52或右车道的右汽车51车身与隧道环隙部分的环流空气流动速度、空气压强即环流风速段62的空气压强，；

——分别为当在隧道内左车道的辆汽车的左汽车52处于右车道辆汽车的前后两辆右汽车51之间交错单向匀速行驶时，左车道的左汽车52和右车道的右汽车51前车车尾至后车汽车风速段前端的空气流动速度、空气压强即活塞风速段63的空气压强，；

——分别为当辆汽车5在隧道内左车道和右车道双排每辆汽车车头车尾平齐等距单向匀速行驶时，活塞风速段63与汽车风速段61的空气压强差、活塞风速段63与环流风速段62的空气压强差，；

——分别为当在隧道内左车道的辆汽车5的左汽车52处于右车道辆汽车5的前后两辆右汽车51之间交错单向匀速行驶时，活塞风速段63与汽车风速段61的空气压强差、活塞风速段63与环流风速段62的空气压强差，；

——当辆汽车5在隧道内左车道和右车道双排每辆汽车车头车尾平齐等距单向匀速行驶时，汽车行驶与隧道沿程和局部摩阻系数，由试验得到，无量纲；

——当在隧道内左车道的辆汽车的左汽车52处于右车道辆汽车的前后两辆右汽车51之间交错等距单向匀速行驶时，汽车行驶与隧道沿程和局部摩阻系数，由试验得到，无量纲。

所述的各段风速不同空气压强也不同，汽车匀速行驶时隧道内任意横断面均出现交替变化的空气压强，其变化频率为，值等于汽车行驶速度除以汽车车身长度，即，如高速公路汽车行驶速度以，汽车车身长度，则；当不同车身长度汽车行驶时，可由试验检测得到各段风速空气压强交替变化的频率分布和带宽等数据，同时通过试验检测获取汽车行驶竖向循环振动频率分布和带宽等数据。

高速公路隧道压电瓷砖发电装置的操作方法主要包括如下步骤：

步骤一、理论计算和试验检测

①通过公式一、公式二、公式三和公式四计算汽车行驶空气压强交变压强差、和交变频率；

②在隧道内设置风速传感器、压强传感器，试验检测汽车行驶空气压强交变压强差和各段风速空气压强交替变化的频率分布和带宽等数据；

③在隧道内设置振动传感器，试验检测汽车行驶竖向循环振动频率分布和带宽等数据；

步骤二、设计和审评优化

①根据理论计算和试验检测数据设计压电瓷砖发电装置方案；

②根据设计方案选择压电瓷砖2材料、尺寸和确定技术参数；

③根据设计方案选择电荷收集器31、电荷储存器32、三相逆变器33和控制系统34的元件和布设、连接方式；

④通过试验确定压电瓷砖2粘贴胶结材料；

⑤通过专家审评优化高速公路隧道压电瓷砖发电装置设计；

步骤三、元器件和材料制作采购

①委托专业厂家设计制作压电瓷砖2，并经检验合格；

②委托专业厂家设计制作电荷收集器31、电荷储存器32、三相逆变器33和控制系统34及电线电缆4之类辅助配件原料，并经检验合格；

步骤四、实施施工

①分段粘贴压电瓷砖2，平整度符合设计要求；

②按设计要求逐块逐段压电瓷砖2用集成电路或电线电缆连接，测试有无短路和断路现象；

③安装电荷收集器31、电荷储存器32、三相逆变器33和控制系统34，接通电线电缆4，测试有无短路和断路现象；

步骤五、测试和验收

①全面检查压电瓷砖发电装置硬件和软件系统；

②调集小客车队和大卡车队各一组，每组车队按规定间距排列；

③分别检测小客车队以80km/h速度、大卡车以60km/h速度、小客车和大卡车车队组成混合车队以60km/h速度在隧道左车道和右车道双排每辆汽车车头车尾平齐等距单向匀速行驶时或左汽车处于右车道的右汽车前后两辆右汽车之间交错等距单向匀速行驶时六种工况对电荷收集器31、电荷储存器32、三相逆变器33和控制系统34及输送电网的有关参数进行调试，要求达到设计要求；

④提供测试报告供验收。

本发明所述实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。此外还应理解，在阅读了本发明讲授的内容之后，本领域技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等价形式同样落于本申请所附权利要求书所限定的范围内。

Claims (10)

1.一种高速公路隧道压电瓷砖发电装置，包括具有左车道和右车道的双车道隧道，该隧道内单向通行的汽车（5）在隧道内产生空气交变压强和汽车行驶竖向循环振动，其特征在于所述隧道两侧的隧道墙身（1）分别设有多块沿隧道纵向粘贴的压电瓷砖（2），每块压电瓷砖均具有多个双端固支式压电振子（22）和多个悬臂梁式压电振子（23），且多个双端固支式压电振子（22）受空气交变压强而产生电荷，多个悬臂梁式压电振子（23）受汽车行驶竖向循环振动也产生电荷；所述的隧道墙身（1）还设有电荷收集器（31）、电荷储存器（32）、三相逆变器（33）和控制系统（34）；所述的多块压电瓷砖（2）产生的电荷通过电荷收集器（31）、电荷储存器（32）、三相逆变器（33）和控制系统（34）而变换为三相交流电后输入隧道供电电网。

2.根据权利要求1所述的高速公路隧道压电瓷砖发电装置，其特征在于当辆所述的汽车（5）在隧道内左车道和右车道双排每辆汽车车头车尾平齐单向等距匀速行驶时，隧道内产生不同的空气压强，即汽车风速段（61）、环流风速段（62）和活塞风速段（63），假设隧道横断面为等截面积，双排单辆汽车的总挡风面积为、汽车风速为、空气压强为，汽车车身处外侧的环流风速为空气压强为，活塞风速为、空气压强为；同时假设隧道内空气流动为不可压缩流体的定常流动和汽车车身与隧道洞身内空气构成无摩阻复合流动，阻塞比为，根据伯努利定律，得

公式一、

分别为隧道内活塞风速段（63）与汽车风速段（61）、活塞风速段（63）与环流风速段（62）之间的空气压强差；

公式二、

假设外界没有为隧道提供任何空气流动的其它动力和外界因素干预时，辆汽车行驶产生的空气压强与实际存在的隧道局部阻力和沿程摩擦阻力损失的能量、即包括环流风速损耗的能量自然平衡；根据能量守恒定律，当汽车（5）在隧道内左车道和右车道双排每辆汽车车头车尾平齐单向等距匀速行驶时，汽车行驶与隧道局部阻力和沿程摩擦阻力损失的能量相等，沿程和局部摩阻系数为，得

公式三、

当在隧道内左车道的辆汽车的左汽车（52）处于右车道辆汽车的右汽车（51）之间交错单向等距匀速行驶时，且左汽车（52）车尾处于右车道的右汽车风速段前，左车道的左汽车（52）和右车道的右汽车（51）行驶速度均为，由于左车道的左汽车（52）和右车道的右汽车（51）相互影响，左汽车（52）与右汽车（51）的汽车风速段（61）、环流风速段（62）和活塞风速段（63）产生叠加，形成汽车风速和活塞风速段（64）、环流风速和活塞风速段（65）、活塞风速段（63），即汽车风速和活塞风速段（64）的风速和空气压强分别为和，环流风速和活塞风速段（65）的风速和空气压强分别为和，活塞风速段（63）的风速和空气压强分别为和；同理根据伯努利定律，阻塞比为，得

公式四、

同理，假设外界没有为隧道提供任何空气流动的其它动力和外界因素干预时，辆汽车（5）行驶产生的空气压强与实际存在的隧道局部阻力和沿程摩擦阻力损失的能量、即包括环流风速损耗的能量自然平衡；根据能量守恒定律，当在隧道内左车道的辆汽车的左汽车（52）处于右车道辆汽车的右汽车（51）之间交错单向等距匀速行驶时，假设沿程和局部摩阻系数为，得

假设，对比公式三、公式四中的，

可见，当在隧道内左车道的辆汽车的左汽车（52）处于右车道辆汽车的右汽车（51）之间交错单向等距匀速行驶时空气压强差比辆汽车在隧道内左车道和右车道双排每辆汽车车头车尾平齐等距单向匀速行驶时的空气压强差要大，空气压强差或是推动隧道内空气流通的动力，且或；实际上隧道内每个车道汽车行驶的速度和排列是无序的、即非匀速和非等距的，也就是说隧道内实际的空气压强差比或还要大；

公式一、公式二、公式三和公式四中的符号定义为：

——等截面隧道横断面面积，；

——单辆汽车（5）的挡风面积，；

——隧道内单向行驶的汽车（5）数量；

——阻塞比，当辆汽车在隧道内左车道和右车道双排每辆汽车车头车尾平齐等距单向等距匀速行驶时，两辆汽车（5）的总挡风面积与等截面隧道横断面面积的比，；

——阻塞比，当在隧道内左车道的辆汽车的左汽车（52）处于右车道辆汽车的右汽车（51）之间交错单向等距匀速行驶时，单辆汽车（5）的挡风面积与等截面隧道横断面面积的比，；

——汽车（5）车身长度，；

——等距匀速行驶的前汽车车尾至后汽车车头的长度，；

——汽车（5）车头前方一定长度内由于汽车行驶引起的隧道内空气流动速度，即汽车风速段（61）长度，；

——隧道内空气的密度，；

——分别为当辆汽车（5）在隧道内左车道和右车道双排每辆汽车车头车尾平齐等距单向匀速行驶时的速度、其前方一定长度内由于汽车行驶引起的空气压强即汽车风速段（61）的空气压强，；

——分别为当辆汽车（5）在隧道内左车道和右车道双排每辆汽车车头车尾平齐等距单向匀速行驶时的汽车车身与隧道环隙部分的环流空气流动速度、空气压强即环流风速段（62）的空气压强，；

——分别为当辆汽车（5）在隧道内左车道和右车道双排每辆汽车车头车尾平齐等距单向匀速行驶时的汽车前车车尾至后车汽车风速段前端的空气流动速度、空气压强即活塞风速段（63）的空气压强，；

——分别为当在隧道内左车道的辆汽车的左汽车（52）处于右车道辆汽车的前后两辆右汽车（51）之间交错单向匀速行驶时，左车道的左汽车（52）和右车道的右汽车（51）行驶速度、其前方一定长度内由于汽车行驶引起的空气压强即汽车风速段（61）的空气压强，；

——分别为当在隧道内左车道的辆汽车的左汽车（52）处于右车道辆汽车的前后两辆右汽车（51）之间交错单向匀速行驶时，左车道的左汽车（52）或右车道的右汽车（51）车身与隧道环隙部分的环流空气流动速度、空气压强即环流风速段（62）的空气压强，；

——分别为当在隧道内左车道的辆汽车的左汽车（52）处于右车道辆汽车的前后两辆右汽车（51）之间交错单向匀速行驶时，左车道的左汽车（52）和右车道的右汽车（51）前车车尾至后车汽车风速段前端的空气流动速度、空气压强即活塞风速段（63）的空气压强，；

——分别为当辆汽车（5）在隧道内左车道和右车道双排每辆汽车车头车尾平齐等距单向匀速行驶时，活塞风速段（63）与汽车风速段（61）的空气压强差、活塞风速段（63）与环流风速段（62）的空气压强差，；

——分别为当在隧道内左车道的辆汽车（5）的左汽车（52）处于右车道辆汽车（5）的前后两辆右汽车（51）之间交错单向匀速行驶时，活塞风速段（63）与汽车风速段（61）的空气压强差、活塞风速段（63）与环流风速段（62）的空气压强差，；

——当辆汽车（5）在隧道内左车道和右车道双排每辆汽车车头车尾平齐等距单向匀速行驶时，汽车行驶与隧道沿程和局部摩阻系数，由试验得到，无量纲；

——当在隧道内左车道的辆汽车的左汽车（52）处于右车道辆汽车的前后两辆右汽车（51）之间交错等距单向匀速行驶时，汽车行驶与隧道沿程和局部摩阻系数，由试验得到，无量纲。

3.根据权利要求1所述的高速公路隧道压电瓷砖发电装置，其特征在于所述的汽车风速段（61）、环流风速段（62）和活塞风速段（63）中各段风速不同空气压强也不同，汽车匀速行驶时隧道内任意横断面均出现交替变化的空气压强，其变化频率为，值等于汽车行驶速度除以汽车（5）车身长度，即；当不同车身长度汽车（5）行驶时，由试验检测得到各段风速空气压强交替变化的频率分布和带宽的数据，同时通过试验检测获取汽车行驶竖向循环振动频率分布和带宽的数据。

4.根据权利要求1所述的高速公路隧道压电瓷砖发电装置，其特征在于所述的隧道墙身（1）是隧道的二次混凝土衬砌，并沿隧道纵向相隔20m～22m设置一条竖向沉降伸缩缝（11），在隧道墙身（1）下部一定高度沿纵向竖直粘贴多块压电瓷砖（2），该多块压电瓷砖为多片特制单片长方形或正方形压电瓷砖基体（21）内嵌入多个双端固支式压电振子（22）和多个悬臂梁式压电振子（23）。

5.根据权利要求4所述的高速公路隧道压电瓷砖发电装置，其特征在于所述的多个双端固支式压电振子（22）由锆钛酸铅压电陶瓷材料或其他无铅化压电陶瓷材料制作，沿压电瓷砖（2）纵向竖直设置，两端嵌固在压电瓷砖基体（21）内，每个双端固支式压电振子（22）均相隔一定的竖向间距，多个双端固支式压电振子（22）底部与压电瓷砖基体（21）粘贴牢固，在压电瓷砖（2）竖向平面上外表面紧贴包封纳米薄膜（26），该包封纳米薄膜与双端固支式压电振子（22）共同振动；压电俘能模式采用模式，压电陶瓷（2）材料参数适合隧道内空气交变压强的特点，通过调节双端固支式压电振子（22）的长度、宽度和厚度以及有关参数而使压电振子的固有振动频率在隧道内汽车行驶空气交变压强频率带宽范围之内且接近最大分布频率，以期双端固支式压电振子（22）达到最大的俘能效率。

6.根据权利要求4所述的高速公路隧道压电瓷砖发电装置，其特征在于所述的多个悬臂梁式压电振子（23）由锆钛酸铅压电陶瓷材料或其他无铅化压电陶瓷材料制作，沿压电瓷砖（2）纵向水平设置，一端嵌固在压电瓷砖基体（21）内，另一端自由，自由端设质量块（25），每个悬臂梁式压电振子（23）相隔一定的竖向间距，相邻悬臂梁式压电振子（23）振动时不致相互碰撞，多个悬臂梁式压电振子（23）在压电瓷砖（2）竖向平面上用纳米薄膜（26）包封，该纳米薄膜与多个悬臂梁式压电振子（23）相隔一定间距，纳米薄膜（26）包封不影响多个悬臂梁式压电振子（23）的竖向振动；压电俘能模式采用模式，压电陶瓷（2）材料参数适合隧道内汽车竖向循环振动的特点，通过调节悬臂梁式压电振子（23）的长度、宽度和厚度以及有关参数而使压电振子的固有振动频率在隧道汽车行驶竖向循环振动频率带宽范围之内且接近最大分布频率，以期悬臂梁式压电振子（23）达到最大的俘能效率。

7.根据权利要求4所述的高速公路隧道压电瓷砖发电装置，其特征在于多片所述的单片长方形或正方形压电瓷砖基体（21）内嵌入多个双端固支式压电振子（22）和多个悬臂梁式压电振子（23），单片压电瓷砖基体（21）内部各振子用集成电路相互并联连接，外部引出两个电极；所述的两条沉降伸缩缝（11）内的多片压电瓷砖基体（21）内嵌入多个双端固支式压电振子（22）和多个悬臂梁式压电振子（23）通过电线电缆（4）连接各单片压电瓷砖基体（21）外部电极也相互并联，以防单个振子或单片压电瓷砖（2）意外脱落导致俘能电路断路；每两条沉降伸缩缝（11）之间的压电瓷砖（2）通过电线电缆（4）相互串联或并联连接，左、右隧道墙身的压电瓷砖（2）通过电线电缆（4）相互串联或并联连接。

8.根据权利要求5或6所述的高速公路隧道压电瓷砖发电装置，其特征在于所述的纳米薄膜（26）为纳米级塑料材料制成，具有较强的弹性、韧性和强度以及抗隧道内烟尘污染能力，并将多个双端固支式压电振子（22）和多个悬臂梁式压电振子（23）密封在特制的单片长方形或正方形压电瓷砖基体（21）内。

9.根据权利要求1所述的高速公路隧道压电瓷砖发电装置，其特征在于所述的压电瓷砖发电装置俘获的能量，通过电线电缆（4）接入到电荷收集器（31）、电荷储存器（32）、控制系统（34）实现对压电瓷砖（2）俘获的电荷进行有效管理；所述的电荷收集器（31）采用全波桥式整流电路实现整流和滤波收集电荷，并实现自适应调谐；所述的电荷储存器（32）采用可重复充电的锂电池进行储存能量，或采用超级电容储能方式，将电荷收集器（31）收集的电荷储存；所述的三相逆变器（33）将电荷变换为三相交流电，在控制系统（34）的控制下，压电瓷砖（2）产生的电荷再输入隧道供电电网；所述的控制系统（34）具有自动控制、调节压电瓷砖发电装置俘获和转化能量，还具有预警和报警功能。

10.一种根据权利要求2所述的高速公路隧道压电瓷砖发电装置操作方法，其特征在于该操作方法包括如下步骤：

步骤一、理论计算和试验检测

①通过公式一、公式二、公式三和公式四计算汽车（5）行驶空气压强交变压强差、和交变频率；

②在隧道内设置风速传感器、压强传感器，试验检测汽车行驶空气压强交变压强差和各段风速空气压强交替变化的频率分布和带宽数据；

③在隧道内设置振动传感器，试验检测汽车行驶竖向循环振动频率分布和带宽数据；

步骤二、设计和审评优化

①根据理论计算和试验检测数据设计压电瓷砖发电装置方案；

②根据设计方案选择压电瓷砖（2）材料、尺寸和确定技术参数；

③根据设计方案选择电荷收集器（31）、电荷储存器（32）、三相逆变器（33）和控制系统（34）的元件和布设、连接方式；

④通过试验确定压电瓷砖（2）粘贴胶结材料；

⑤通过专家审评优化高速公路隧道压电瓷砖发电装置设计；

步骤三、元器件和材料制作采购

①委托专业厂家设计制作压电瓷砖（2），并经检验合格；

②委托专业厂家设计制作电荷收集器（31）、电荷储存器（32）、三相逆变器（33）和控制系统（34）及电线电缆（4）之类辅助配件原料，并经检验合格；

步骤四、实施施工

①分段粘贴压电瓷砖（2），平整度符合设计要求；

②按设计要求逐块逐段压电瓷砖（2）用集成电路或电线电缆（4）连接，测试有无短路和断路现象；

③安装电荷收集器（31）、电荷储存器（32）、三相逆变器（33）和控制系统（34），接通电线电缆（4），测试有无短路和断路现象；

步骤五、测试和验收

①全面检查压电瓷砖发电装置硬件和软件系统；

②调集小客车队和大卡车队各一组，每组车队按规定间距排列；

③分别检测小客车队以80km/h速度、大卡车以60km/h速度、小客车和大卡车车队组成混合车队以60km/h速度在隧道左车道和右车道双排每辆汽车车头车尾平齐等距单向匀速行驶时或左汽车处于右车道的右汽车前后两辆右汽车之间交错等距单向匀速行驶时六种工况对电荷收集器（31）、电荷储存器（32）、三相逆变器（33）和控制系统（34）及输送电网的有关参数进行调试，要求达到设计要求；

④提供测试报告供验收。