CN110112955B - 一种链式压电陶瓷道路自发电装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种链式压电陶瓷道路自发电装置，包括若干连续的链节，链节内从上至下依次设置有拉压板、上固定结构和下固定结构，拉压板上设置有拉压板固定孔，上固定结构内设置有压电陶瓷复合体，压电陶瓷复合体上具有拉压杆定位孔，贯穿拉压板固定孔和拉压杆定位孔设有拉压杆，下固定结构内也设有压电陶瓷复合体，下固定结构上具有销孔，压电陶瓷复合体上具有销轴定位孔，贯穿销孔和销轴定位孔设有销。与现有技术相比，本发明的一种链式压电陶瓷道路自发电装置，使用简单的机械结构提高压电装置与路面的的整体耦合性、耐久性；提高压电元件的刚度、与地面的匹配性；提高压电换能机构的能量转换效率。

Description

一种链式压电陶瓷道路自发电装置

技术领域

本发明涉及一种链式压电陶瓷发电装置，尤其涉及一种利用路面震动载荷的链式压电陶瓷自发电装置，应用于道路发电技术领域。

背景技术

能源是整个世界发展和经济增长的最基本的驱动力，是人类赖以生存的基础，随着经济与科技的发展，我国对电能的需求不断加大。能将自然环境中浪费掉的能量进行采集、存储并有效利用具有显著的环保意义，且具有广阔的工程应用前景。而压电陶瓷此种无机非金属材料，能够实现机械能与电能的相互转化，将人类行走活动时产生的振动机械能转化为电能，从而达到能量回收与有效利用的目的。压电发电技术作为一种可将机械振动能转化为电能的绿色能源技术，具有广泛的应用前景和低碳意义，顺应低碳经济、节能环保的时代主题。道路压电发电技术可能应用到的领域包括：

（1）可将转换装置铺设于不方便供电的场所，用于小功率用电装置，可节省电缆铺设带来的经济等各方面影响；

（2）利用这种能量进行应急应用，可在突然断电的情况下对周边用电设施进行供电；

（3）可将转换装置铺设于隧道，用于隧道内供电装置；

（4）可为道路的信号灯、提示灯、发光路纽等提供电力；

（5）由于压电陶瓷具有灵敏度高等特点，可将压电转换装置增设传感器等功能，用于车辆轮迹感知及交通信息感知装置，支持道路联网和智能交通。

现有技术201120541474.9中公开了一种一种压电陶瓷发电装置,主要是依靠多个并行设置在下壳体的凹槽上部条状的压电陶瓷块和横跨在多个压电陶瓷块上方的压杆提供效果的；该压电陶瓷发电装置存在以下问题，1.过于单一缺乏必要的电能转换电路，2.一次压力仅能出发一次装置电能转换效率低，3.未考虑到实际道路铺设时结构的设置。

现有技术201820361476 .1中公开的一种压电陶瓷减速带发电装置，压电陶瓷发电片为多个且沿减速带外壳长度方向设在减速带外壳内部的路面上，依靠通过减速带的车辆所带来的外力使压电陶瓷发生形变产生电荷；该压电陶瓷减速带发电装置存在以下问题，1.缺乏必要的缓冲和保护结构，2. 电能转换效率低。

发明内容

本发明所要解决的问题：现有道路能量收集装置中，压电装置在路面内部的存在方式、与路面的整体耦合性、耐久性都不好，且现有压电元件刚度低，与路面匹配性差；其次，现有压电换能机构的能量转换效率不高，而提供一种链式压电陶瓷道路自发电装置。

为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：

一种链式压电陶瓷道路自发电装置，包括若干连续的链节，前后两个相邻的链节之间相互铰接，所述链节包括外部的壳，壳内从上至下依次设置有拉压板、上固定结构和下固定结构，所述拉压板上设置有拉压板固定孔，上固定结构内设置有压电陶瓷复合体，压电陶瓷复合体上具有拉压杆定位孔，贯穿拉压板固定孔和拉压杆定位孔设有拉压杆，拉压杆的底端接触壳的内底部，所述下固定结构内也设有压电陶瓷复合体，下固定结构上具有销孔，压电陶瓷复合体上具有销轴定位孔，贯穿销孔和销轴定位孔设有销；所述下固定结构内的压电陶瓷复合体连接于拉压杆；所述上固定结构内置导线。

作为进一步的优选方案，一个拉压板、一个上固定结构和一个下固定结构为一个压电组，所述壳内具有三个压电组，壳为V形结构，三个压电组分别布置在V形结构的一个顶点以及两个末端处；一个上固定结构内设置有四个压电陶瓷复合体，每个拉压板上设置有四个拉压板固定孔，一个拉压板固定孔对应一个压电陶瓷复合体的拉压杆定位孔；一个下固定结构内设置有两个压电陶瓷复合体以及两个销孔，一个销孔对应一个销轴定位孔。

作为进一步的优选方案，所述拉压杆的底端具有压簧，压簧连接于接触壳的内底部。

作为进一步的优选方案，所述拉压杆的下部侧面开设有凹槽，所述下固定结构内的两个压电陶瓷复合体嵌入该凹槽内。

作为进一步的优选方案，所述拉压杆的上端贯穿壳，拉压杆上部位于壳的部分为回形结构，该回形结构内置有用于密封的密封圈。

作为进一步的优选方案，所述拉压杆的径向一周设置有两个凸缘，形成环形凹槽，拉压板扣入环形凹槽内。

作为进一步的优选方案，所述拉压杆分为上部杆和下部杆，上部杆和下部杆上各具有一个凸缘，上部杆和下部杆相互螺栓连接。

与现有技术相比，本发明的一种链式压电陶瓷道路自发电装置，具体还具备以下优点：

1.采用链式结构使得压电装置在路面内部的存在方式、与路面的整体耦合性、匹配性都有了极大的提高

2.在发电装置中在所有的受压部位都设置有缓冲结构使得整个装置的耐久性都得到了大大的提高。

3.巧妙的利用了装置中的缓冲结构使得在载荷消失后还能再次触发压电陶瓷使得压电换能机构的能量转换效率提高一倍。

4.采用链式结构简化了装置铺设，使得原本十分繁琐的装置铺设过程简单化。

附图说明

图1是本发明的整体结构示意图；

图2是链节的外部结构示意图；

图3是链节的内部结构示意图；

图4是链节的内部结构剖视图；

图5是压电组的内部结构剖视图；

图6是拉压杆的局部放大图；

图7是拉压杆的外部结构示意图；

图8是拉压杆的分离结构示意图；

图9是本发明的整流装置电路图；

其中，1、触点连接杆；2、壳；3、拉压杆；4、链节；5、拉压板 ；6、压电陶瓷复合体； 7、导线； 8、压簧 ；9、上固定结构；10、下固定结构；11、销；12、密封圈。

具体实施方式

下面结合附图详细说明本发明的优选技术方案。

本发明的一种链式压电陶瓷道路自发电装置，如图1所示，包含链式压电陶瓷道路自发电装置及链式压电陶瓷整流装置；所述链式压电陶瓷道路自发电装置呈链状由一个个单一的链节4通过触点连接杆1链接铰接而成，触点连结杆1在链式压电陶瓷整流装置还起到连接每个链节中电路的作用，链节4包括用于封装剩余部件的壳2，壳2呈“V”字状，壳2为中空壳体，壳2上表面均匀设置有十二个成三组排列的用于放置拉压杆3的回型孔，所述壳2侧面均匀设置有用于安装上固定机构9的螺纹孔，所述壳2下表面均匀设置有安装下固定机构10螺纹孔，所述上固定机构9、下固定机构10通过与其对应的螺纹孔分别固定在壳2内的中上部和底部，壳2分为壳盖和壳体两部分，两者通过螺栓进行连接。

图2为链式压电陶瓷道路自发电装置中链节4去除所有拉压杆3后的结构示意图。此时整个链式压电陶瓷道路自发电装置中仅有一个链节，图2所示链式压电陶瓷道路自发电装置中有多个链节；壳2呈“V”字状，在其凸字形顶部和底部均设置有用于安装触点连接杆1的通孔。

图3的是链节4内部结构示意图，上固定机构9上安装压电陶瓷复合体6的部分上下均开孔，压电陶瓷复合体6成矩形且延其长边方向设置有用于安装的定位孔，上固定机构9中，拉压杆3贯穿拉压板固定孔和上固定机构9的开孔，拉压杆3放置于回型孔内且末端与下固定机构10的压电陶瓷复合体6相连，下固定机构10中，销11贯穿销孔和销轴定位孔；所述拉压杆3底部设置有与壳2相连的压簧8，所述拉压杆3中上部设置有用于固定拉压板5的环形凹槽，所述拉压板5通过环形凹槽水平设置于上固定机构9和壳2之间且与上固定机构的压电陶瓷复合体6相连，所述拉压板5与上固定机构9之间均匀设置有压簧8。

图4是链式压电陶瓷道路自发电装置中链节剖视图，所述拉压杆3中上部设置有用于固定拉压板5的环形凹槽、末端设置有用于与下固定结构10中压电陶瓷复合体6相连的凹槽，所述拉压板呈C型，其C型两端设置有与上固定结构压电陶瓷复合体相连的凹槽，所述拉压板5通过拉压杆3环形凹槽水平设置于上固定机构9和壳2之间，所述拉压板5上设置有与拉压杆3环形凹槽相配合的通孔，所述拉压杆3贯通回型孔、拉压板5上设置的与拉压杆3环形凹槽相配合的通孔、设置在上固定结构10的固定孔、设置在压电陶瓷复合体6的定位孔，最终与底部压簧8相连。 所述上固定结构9中心圆柱处为中空结构，其内设置有导线及电子元器件。

如图5和图6所示，拉压杆3与壳2通过回型孔相连，所述拉压杆顶部同样呈回型结构，拉压杆3与回型孔相扣的凹槽内设置有密封圈12，拉压杆3和壳2之间采用回字形结构连接，并设置有密封圈13可以在有效的实现需求功能的同时起到防水等的作用，同时密封圈13还起到缓冲作用可以有效防止拉压杆3顶部载荷过大时对内部结构的损伤。

如图7所示，拉压杆3在其环形凹槽处分为上下两个部分，两者之通过螺纹连接，并且在两者连接处设置有防滑自锁突起，图8为分离状态。

如图9所示，链式压电陶瓷整流装置装置，包括储能元件和压电换能电路，所述储能元件是一种电容量大，并可多次充放电的超级电容 C，由多个电容并联组成。所述压电换能电路由压电陶瓷复合体6并联后与一桥式整流器串联，所述桥式整流器与超级电容 C 和道路用电器连接，其中的超级电容 C 与所述桥式整流器串联使用，用于储存及释放链式压电陶瓷道路自发电装置产生的能量。

工作流程：当拉压杆3上端受到载荷时，拉压杆3产生向下的位移，使得固定在下固定机构10上的压电陶瓷复合体6受到向下的压力，产生电荷；同时因为拉压板5连接于拉压杆3的环形凹槽内，所以拉压杆3向下的位移同样会使拉压板5产生向下形变，使拉压板5对上固定机构9上的压电陶瓷复合体6受到向下的压力，产生电荷；当拉压杆3上端的载荷消失时，固定在拉压杆3底部和拉压板5与上固定机构9之间的压簧8便会同时对拉压杆3和拉压板5产生一个向上的力，使得拉压杆3产生位移并使拉压板5产生向上的形变，拉压杆3有向上的位移便会使固定在下固定机构10上的压电陶瓷复合体6受到一个向上的压力，产生电荷；拉压板5有向上的形变便会上固定机构9上的压电陶瓷复合体6受到向上的压力，产生电荷。

由此可见，本发明中，链式压电陶瓷道路自发电装置呈链状由一个个单一的链节4通过触点连接杆1链接而成；触点连结杆1不仅在链式压电陶瓷道路自发电装置中起到链接单个的链节4的作用还在链式压电陶瓷整流装置还起到连接每个链节4中电路的作用；拉压杆3和壳2之间采用回字形结构连接，并设置有密封圈13可以在有效的实现需求功能的同时起到防水等的作用，同时密封圈13还起到缓冲作用可以有效防止拉压杆3顶部载荷过大时对内部结构的损伤；当拉压杆3上端受到载荷时，拉压杆3产生向下的位移，使得固定在下固定机构10上的压电陶瓷复合体6受到向下的压力，同时因为拉压板5连接于拉压杆3的环形凹槽内，所以拉压杆3向下的位移同样会使拉压板5产生向下形变，使拉压板5对上固定机构9上的压电陶瓷复合体6受到向下的压力；当拉压杆3上端的载荷消失时，固定在拉压杆3底部和拉压板5与上固定机构9之间的压簧8便会同时对拉压杆3和拉压板5产生一个向上的力，使得拉压杆3产生位移并使拉压板5产生向上的形变。

以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (3)

1.一种链式压电陶瓷道路自发电装置，其特征在于：包括若干连续的链节（4），前后两个相邻的链节（4）通过触点连接杆链接铰接，触点连接杆不仅起到链接作用，还起到连接每个链接中电路的作用，所述链节（4）包括外部的壳（2），壳（2）内从上至下依次设置有拉压板（5）、上固定结构（9）和下固定结构（10），所述拉压板（5）上设置有拉压板固定孔，上固定结构（9）内设置有压电陶瓷复合体（6），压电陶瓷复合体（6）上具有拉压杆定位孔，贯穿拉压板固定孔和拉压杆定位孔设有拉压杆（3），拉压杆（3）的底端接触壳（2）的内底部，所述拉压杆（3）的底端具有压簧（8），压簧（8）连接于接触壳（2）的内底部，所述拉压杆（3）的下部侧面开设有凹槽，所述下固定结构（10）内的两个压电陶瓷复合体（6）嵌入该凹槽内，所述拉压杆（3）的上端贯穿壳（2），拉压杆（3）上部位于壳（2）的部分为回形结构，该回形结构内置有用于密封的密封圈（12），所述下固定结构（10）内也设有压电陶瓷复合体（6），下固定结构（10）上具有销孔，压电陶瓷复合体（6）上具有销轴定位孔，贯穿销孔和销轴定位孔设有销（11）；所述下固定结构（10）内的压电陶瓷复合体（6）连接于拉压杆（3）；所述上固定结构（9）内置导线（7），其中，一个拉压板（5）、一个上固定结构（9）和一个下固定结构（10）为一个压电组，所述壳（2）内具有三个压电组，壳（2）为V形结构，三个压电组分别布置在V形结构的一个顶点以及两个末端处；一个上固定结构（9）内设置有四个压电陶瓷复合体（6），每个拉压板（5）上设置有四个拉压板固定孔，一个拉压板固定孔对应一个压电陶瓷复合体（6）的拉压杆定位孔；一个下固定结构（10）内设置有两个压电陶瓷复合体（6）以及两个销孔，一个销孔对应一个销轴定位孔。

2.根据权利要求1所述的一种链式压电陶瓷道路自发电装置，其特征在于：所述拉压杆（3）的径向一周设置有两个凸缘，形成环形凹槽，拉压板（5）扣入环形凹槽内。

3.根据权利要求2所述的一种链式压电陶瓷道路自发电装置，其特征在于：所述拉压杆（3）分为上部杆和下部杆，上部杆和下部杆上各具有一个凸缘，上部杆和下部杆相互螺栓连接。