CN111030506A - 一种公路振动压电、磁电复合发电装置 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及机械能转化为电能的技术，为公路振动压电、磁电复合发电装置，包括框架、压电发电部分以及磁电发电部分；压电发电部分包括上层压电发电结构和下层压电发电结构，每层压电发电结构都包括四根相同的悬臂梁和一个永久磁体，四根悬臂梁的一端固定在框架上，另一端共同连接着永久磁体；磁电发电部分包括装在框架的顶端面和底端面的永久磁体、套筒及缠绕在套筒外的线圈。本装置在拓宽振动能量采集范围的同时，使悬臂梁的刚度得到改变，尽可能实现共振；通过多模式的振动发电原理使车辆在公路行驶过程中振动所产生的机械能收集起来，使能量达到最高的转化效率，从而实现节能减排，绿色环保，低碳路面的目的。
Description
技术领域
本发明涉及机械能转化为电能的技术，具体为一种公路振动压电、磁电复合发电装置。
背景技术
在车辆行驶的过程中，路面会产生振动，如果将合适的振动发电装置埋入到路面结构中，将车辆行驶过程中振动所产生的机械能转化为电能，发电量将是很可观的，同时也减少了振动对路面的损伤，延长了路面的使用寿命。
根据转化机制的不同，目前采集环境振动能量的装置主要分为三类：压电式、电磁式、静电式。其中，压电式振动能量收集主要通过环境中实物所发出的各种振动，对可以产生压电效应的材料施加压力使其发生变形，从而改变材料的内部结构，这将导致压电材料内部产生固定的分离的正负电荷，继而影响压电材料表面的电荷走向，最终产生电能。电磁式振动能量采集器的工作原理是基于法拉第电磁感应定律，在外界振动作用下，器件中的导电线圈和磁体间发生相对运动而引起磁通量的变化，从而产生电信号。
本申请的发明人研究发现，单方向、单谐振频率振动能量收集结构的频带宽度过窄，而实际振动环境的频率一般在一定范围波动，其结构的振动频带不能很好地与环境的振动频带相匹配。因此，单方向、单谐振频率振动能量收集结构不能很好地满足实际情况的需求，而且单一的能量收集方式对能量的利用效率也不高。与此同时，研究表明，如果在压电发电时加入磁力的话可以改变压电悬臂梁的刚度，从而实现调节结构的共振频率。此外，根据前人的研究发现，在同一激励的情况下，传统的矩形悬臂梁的压电振子产生的电压少于梯形和三角形的悬臂梁，能量转化效率不高。
发明内容
为了解决现有技术所存在的问题，本发明提供一种公路振动压电、磁电复合发电装置，本装置在拓宽振动能量采集范围的同时，使悬臂梁的刚度得到改变，尽可能实现共振；通过多模式的振动发电原理使车辆在公路行驶过程中振动所产生的机械能收集起来，使能量达到最高的转化效率，从而实现节能减排，绿色环保，低碳路面的目的。
根据本发明的公路振动压电、磁电复合发电装置，包括框架、压电发电部分以及磁电发电部分；压电发电部分包括上层压电发电结构和下层压电发电结构，每层压电发电结构都包括四根相同的悬臂梁和一个永久磁体，四根悬臂梁的一端固定在框架上，另一端共同连接着永久磁体；磁电发电部分包括装在框架的顶端面和底端面的永久磁体、套筒及缠绕在套筒外的线圈。
在优选的实施例中，压电发电部分的永久磁体分为N极和S极，其中上层压电发电结构的永久磁体上端为N极，下端为S极，下层压电发电结构的永久磁体上端为S极，下端为N极，上层压电发电结构的永久磁体的S极与下层压电发电结构的永久磁体的S极相对；磁电发电部分的永久磁体为N极永久磁体。
在优选的实施例中，压电发电部分的每根悬臂梁为梯形悬臂梁，每根悬臂梁一端固定在框架上，另一端延伸为一个矩形以放置永久磁体。
本发明与现有技术相比，具有如下优点和有益效果：
1、通过采用多悬臂梁一质量块的压电发电结构(例如采用四悬臂梁的压电发电结构)，能够有效地拓宽结构的振动频率，从而使结构的振动频率与环境相匹配；在拓宽振动能量采集范围的同时，使悬臂梁的刚度得到改变，尽可能实现共振。通过多模式的振动发电原理使车辆在公路行驶过程中振动所产生的机械能收集起来，使能量达到最高的转化效率，从而实现节能减排，绿色环保，低碳路面的目的。
2、压电发电部分采用了双层发电结构，用永久磁体来代替压电发电结构部分的质量块，通过加入永久磁体来改变压电悬臂梁的刚度，实现调节结构的共振频率以及多模式的发电方式。同时加入线圈，与压电结构部分的永久磁体形成压电-磁电相结合的发电方式，以实现能量的最大转化系效率；通过采用梯形的悬臂梁结构，来提高臂梁的压电振子所产生的电压。
3、本发电装置所产生的电能，可为道路上的信号指示灯、路灯供电，还可以为测速地感线圈、压力、红外、道路检测探伤等传感器进行供电，同时也能通过蓄电池把电能储蓄起来，实现绿色环保、节能减排、保护环境的目的。
附图说明
图1为装有本发明装置的公路示意图；
图2为本发明公路振动压电、磁电复合发电装置的结构示意图；
图3为本发明装置的压电-磁电发电的结构部分的示意图；
图4为本发明装置的梯形悬臂梁的结构示意图；其中(a)为两根梯形悬臂梁与永久磁铁的侧面视图，(b)为两根梯形悬臂梁与永久磁铁的俯视图；
图5为本发明装置的电路原理图。
具体实施方式
下面结合实施例及附图对本发明作进一步的描述，但本发明的实施方式不限于此。
实施例
本实施例以图1所示的双层梯形四悬臂的公路振动压电、磁电复合发电装置为例进行说明；其他公路振动发电装置也与此相似。车辆1在公路行驶过程中，路面3会产生振动，其所蕴藏的能量是十分巨大的，因此在路表下通过埋置一个压电-磁电复合发电的发电装置2，来对车辆在行驶过程中振动所产生的机械能转化为电能，并且储存在储能装置中，以对道路的信号指示灯、路灯、传感器等提供电能，实现绿色环保、节能减排、保护环境的目的。
上述双层梯形四悬臂的公路振动压电、磁电复合发电装置如图2所示，包括框架21、压电发电部分22以及磁电发电部分23，框架的外部结构采用强度、刚度及耐磨性能优越的 PA66+GF30工程塑料，框架的最外层采用绝缘的有机硅橡胶作为保护层，防止外部环境的侵蚀、高温等破坏。如图3所示，压电发电部分22采用了双层的压电发电结构，即包括上层压电发电结构221和下层压电发电结构222，每层压电发电结构都包括四根相同的梯形悬臂梁223 和一个永久磁体224，四根悬臂梁的一端固定在框架上，另一端共同连接着永久磁体224；也就是说，压电发电部分用永久磁体来代替质量块，并且四根梯形悬臂梁共同连接着永久磁体。图3仅示出了每层压电发电结构的两根梯形悬臂梁，另外两根未示出的梯形悬臂梁与已示出的这两根梯形悬臂梁垂直。永久磁体分为N极和S极，其中上层压电发电结构的永久磁体(即上层悬臂梁的永久磁体)上端为N极，下端为S极，下层压电发电结构的永久磁体(即下层悬臂梁的永久磁体)上端为S极，下端为N极，上层压电发电结构永久磁体的S极与下层压电发电结构永久磁体的S极相对。磁电发电部分23包括装在框架21的顶端面和底端面的N极永久磁体231、套筒及缠绕在套筒外的线圈232，套筒为竖向设置并把永久磁体套住。
该发电装置通过环境的振动，来带动悬臂梁振动；图4中，(a)图为两根梯形悬臂梁与永久磁铁的侧面视图，(b)为两根梯形悬臂梁与永久磁铁的俯视图，每根悬臂梁223的形状为梯形，一端固定在框架上，另一端延伸为一个矩形以放置永久磁体224。悬臂梁的上下表面涂有用PZT-5H所制成的压电材料225，悬臂梁的中间用铜片作为支撑架，形成铜片支撑梁226，振动产生的形变使压电材料在固定端产生电压输出。同时，另一端的永久磁体也会产生上下的运动；因此，永久磁体与缠绕着线圈的套筒形成一个磁电振动能量收集装置，将振动的机械能收集起来。本装置通过采用四根悬臂梁的压电发电方式以及通过磁体间的相互作用，很好地拓宽了结构的振动频率，使结构的振动频率得到了有效的调节，使其更好地与环境的振动频率相匹配。
图5为该发电装置的电路原理图，压电发电部分的各个悬臂梁以及磁电发电部分的线圈采用并联相连接。在压电发电部分、磁电发电部分之后为一个全桥整流电路，即压电发电部分、磁电发电部分的输出端与全桥整流电路连接，从而经压电发电部分、磁电发电部分产生的交流电转化为直流电，再通过稳压电容Cs产生较为稳定的电压输出，最终在负载RL上恒定输出直流电压。
上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。
Claims (6)
1.一种公路振动压电、磁电复合发电装置，其特征在于，包括框架、压电发电部分以及磁电发电部分；压电发电部分包括上层压电发电结构和下层压电发电结构，每层压电发电结构都包括四根相同的悬臂梁和一个永久磁体，四根悬臂梁的一端固定在框架上，另一端共同连接着永久磁体；磁电发电部分包括装在框架的顶端面和底端面的永久磁体、套筒及缠绕在套筒外的线圈。
2.根据权利要求1所述的公路振动压电、磁电复合发电装置，其特征在于，压电发电部分的永久磁体分为N极和S极，其中上层压电发电结构的永久磁体上端为N极，下端为S极，下层压电发电结构的永久磁体上端为S极，下端为N极，上层压电发电结构的永久磁体的S极与下层压电发电结构的永久磁体的S极相对；磁电发电部分的永久磁体为N极永久磁体。
3.根据权利要求1所述的公路振动压电、磁电复合发电装置，其特征在于，框架的外部结构采用PA66+GF30工程塑料，框架的最外层采用绝缘的有机硅橡胶作为保护层。
4.根据权利要求1所述的公路振动压电、磁电复合发电装置，其特征在于，压电发电部分的各个悬臂梁以及磁电发电部分的线圈采用并联相连接。
5.根据权利要求1所述的公路振动压电、磁电复合发电装置，其特征在于，压电发电部分的每根悬臂梁为梯形悬臂梁，每根悬臂梁一端固定在框架上，另一端延伸为一个矩形以放置永久磁体。
6.根据权利要求1所述的公路振动压电、磁电复合发电装置，其特征在于，悬臂梁的上下表面涂有用PZT-5H所制成的压电材料，悬臂梁的中间用铜片作为支撑架，形成铜片支撑梁。
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Cited By (2)
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|---|---|---|---|---|
| CN112491297A (zh) * | 2020-11-23 | 2021-03-12 | 杭州电子科技大学 | 一种基于风致振动的压电-电磁耦合能量收集装置及方法 |
| CN113131789A (zh) * | 2021-04-22 | 2021-07-16 | 长春工业大学 | 一种多模态道路压电发电装置 |
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| CN112491297B (zh) * | 2020-11-23 | 2021-09-07 | 杭州电子科技大学 | 一种基于风致振动的压电-电磁耦合能量收集装置及方法 |
| CN113131789A (zh) * | 2021-04-22 | 2021-07-16 | 长春工业大学 | 一种多模态道路压电发电装置 |
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