CN111384874A - 基于新型路用瓦式换能器的压电能量采集装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种基于新型路用瓦式换能器的压电能量采集装置，包括盒子和设置于盒子内部的发电结构，盒子包括盒体和上盖，盒体两侧壁沿高度方向平行分布有多道横向凸条，两侧壁中间固定有中台架，中台架与侧壁之间形成安置槽，中台架两侧对应两侧壁设置有多道横向凸条，盒体侧壁的横向凸条和中台架上的横向凸条上架设有多个瓦式压电换能器，安置槽中配置有传力杆台架，传力杆台架压迫同处于一个安置槽中的瓦式压电换能器，上盖与盒体之间设置有弹性机构，上盖与盒体之间留有振动空间，上盖下侧与传力杆台架连接并向其传递压力，瓦式压电换能器与能量储存单元连接。该压电能量采集装置的承载力较高，能力收集装置分布更加密集，能力收集效率更高。
Description
技术领域
本发明涉及一种压电能量采集装置，尤其是一种基于新型路用瓦式换能器的压电能量采集装置。
背景技术
由于传统化石燃料资源的枯竭和日益严重的生态环境问题，世界正在努力转向清洁，绿色和可再生能源。道路能量收集系统主要包括地热能转换，太阳能转换和压电能转换。对于地热能转换，沥青路面温差梯度不足以实现大规模发电。对于太阳能转换，太阳能光伏板刚度不足难以与路面材料耦合，在车辆荷载的冲击作用下易发生破损，翘曲而失效，而且受天气和地域限制严重。因此，利用车辆振动产生的机械能进行压电能转换是当前道路能量收集系统中最有前景的清洁能源获取方式。
路面压电能是一种潜在的清洁能源，在行车荷载对路面做功的过程中会产生机械能，然而这部分能量会以热能的形式消散于大自然中。若能通过路面压电能量收集技术加以收集利用转化为电能，不仅可以减缓行车荷载对路面的损坏，还能解决偏远地区供电困难的问题，降低道路建设成本，此外还可以为民用基础设施健康监测提供新的适用方法。
换能器结构是影响压电能量收集效率的重要因素。然而在以往的研究中，悬臂梁结构输出能量大，但是谐振频率难以匹配道路振动频率，占用空间大，不适合埋设在对刚度和密实度要求非常高的路面结构内部；堆叠式结构紧凑，制作方便，承载力大，但是刚度较大，输出能量小；钹式和桥式虽然输出能量大，但制作不便，承载力一般，在疲劳循环加载下端帽内缘容易引起应力集中导致压电陶瓷脆断；NASA Langley Research Center研发的THUNDER和RAINBOW在低频振动下的吸振效果和能量收集效率位居第一。然而，TUHNDER的承载力较低，而且高温冷却后形成的曲率难以预测，不适用于道路发电系统中。因此，开发一种能量输出显著，承载力较高，耐疲劳且易于制造的新型路用压电换能器结构，并集成压电能量采集装置实际应用，具有十分重要的意义。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种基于新型路用瓦式换能器的压电能量采集装置，该压电能量采集装置的承载力较高，能力收集装置分布更加密集，能力收集效率更高。
为此，本发明提供的基于新型路用瓦式换能器的压电能量采集装置，其特征是：包括盒子和设置于盒子内部的发电结构，所述盒子包括盒体和上盖，盒体两侧壁沿高度方向平行分布有多道横向凸条，两侧壁中间固定有中台架，中台架与侧壁之间形成安置槽，中台架两侧对应所述两侧壁设置有多道横向凸条，所述盒体侧壁的横向凸条和中台架上的横向凸条上架设有多个瓦式压电换能器，所述安置槽中配置有传力杆台架，传力杆台架压迫同处于一个所述安置槽中的瓦式压电换能器，所述上盖与盒体之间设置有弹性机构，上盖与盒体之间留有上下振动空间，所述上盖下侧与传力杆台架连接并向其传递压力，所述瓦式压电换能器与能量储存单元连接。
进一步的，所述盒体侧壁和中台架两侧分布的横向凸条分布有卡槽，插板自上而下插入两侧各层的横向凸条的卡槽中，每个插板隔成的隔层均设置有一个所述瓦式压电换能器。
进一步的，所述瓦式压电换能器包括拱形的弹簧钢片底座、拱形压电陶瓷和上部的拱形的铝片盖板通过环氧树脂胶依次粘接而成。
进一步的，所述弹簧钢片底座两侧端具有向上收卷的卷边。
进一步的，所述上盖带有下沿，下沿包围在所述盒体的外侧，所述盒体四角开设有弹簧孔，所述上盖对准所述弹簧孔带有凸柱，凸柱与弹簧孔底部之间设置有弹簧。
进一步的，所述下沿内侧设置有机硅橡胶条。
进一步的，所述传力杆台架包括两个端架，两端架之间对应所述瓦式压电换能器固定有传力杆，所述瓦式压电换能器的铝片盖板上固定有套接环，隔层的所述传力杆穿过相应层的瓦式压电换能器的套接环。
进一步的，所述压电能量采集装置分为四层，每层10个瓦式压电换能器，共有40个瓦式压电换能器，均为并联连接。
进一步的，所述传力杆与上盖通过螺栓连接，所述压电能量采集装置正负极导线通过导线孔引出盒体外。
本发明的技术效果：
（1）THUNDER和RAINBOW在低频振动下的吸振效果和能量收集效率位居第一，然而其承载力不足，而且高温冷却后形成的曲率难以预测。因此，利用陶瓷研磨与抛光技术制作的瓦式压电换能器，该结构能量输出显著，承载力较高，耐疲劳且易于制造。
（2）压电能量采集装置通过传力杆台架和传力杆的设置将其分为四层，每层10个瓦式压电换能器，共有40个瓦式压电换能器，提高了压电能量采集装置的能量密度。
（3）作为一种无损道路桥梁监测方式，无线道路桥梁健康监测传感器可埋设于压电能量采集装置周围，减少布线，有充足的能量来源，无需人工进行电池充电或者更换，维护费用低。
附图说明
图1为本发明实施例1提供的基于新型路用瓦式换能器的压电能量采集装置的分体结构示意图。
图2为图1中的瓦式换能器的分体结构示意图。
图3为本发明实施例2提供的基于新型路用瓦式换能器的压电能量采集装置的盒体长度方向的结构剖视示意图。
图4为图3中的盒体的卡槽插入插板后的结构剖视示意图。
图5本发明实施例2提供的基于新型路用瓦式换能器的压电能量采集装置的盒体宽度方向的结构剖面示意图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例，对本发明进一步详细说明。其中相同的零部件用相同的附图标记表示。需要说明的是，下面描述中使用的词语“前”、“后”、“左”、“右”、“上”和“下”指的是附图中的方向，词语“底面”和“顶面”、“内”和“外”分别指的是朝向或远离特定部件几何中心的方向。
参照图1-2所示，本发明实施例1提供的基于新型路用瓦式换能器的压电能量采集装置，包括盒子和设置于盒子内部的发电结构，所述盒子包括盒体和上盖1，盒体包括侧壁2和底板3，侧壁2与端头板采用榫头4与榫眼5插接固定连接，侧壁2上端具有端面7，盒体两侧壁2沿高度方向平行分布有多道横向凸条8，两侧壁2中间固定有中台架9，中台架9与侧壁2之间形成安置槽，中台架9两侧对应所述两侧壁2设置有多道横向凸条8，所述盒体侧壁2的横向凸条8和中台架9上的横向凸条8上架设有多个瓦式压电换能器12，所述安置槽中配置有传力杆台架10，传力杆台架10压迫同处于一个所述安置槽中的瓦式压电换能器12，所述上盖1与盒体之间设置有弹性机构，上盖1与盒体之间留有上下振动空间，所述上盖1下侧与传力杆台架10连接并向其传递压力，传力杆11可为矩形，传力杆11与上盖1通过螺栓连接，所述压电能量采集装置正负极导线通过导线孔6引出盒体外，所述瓦式压电换能器12与能量储存单元13连接，能量储存单元13由超级电容和能量收集电路组成。上述压电能量采集装置分为四层，每层10个瓦式压电换能器12，共有40个瓦式压电换能器12，均为并联连接，根据车速和车重的不同，电压可达到几十伏特，电流可达到十几毫安。40个瓦式压电换能器12先整流后并联，通过能量收集电路为超级电容充电，通过能量管理单元13可为道路桥梁附属设施供电。
参照图2所示，上述瓦式压电换能器12包括拱形的弹簧钢片底座14、拱形压电陶瓷15和上部的拱形的铝片盖板16通过环氧树脂胶依次粘接而成。瓦式换能器12的曲率为1/200.5，根据配方计算后将原料混合磨细，进行预烧，二次磨细后加入聚乙烯醇黏合剂造粒，然后用冷等静压机干压成型（成型压力为16Mpa），排胶后烧结成块。制作瓦式换能器12的关键在于利用研磨机和定制磨具研磨出精确曲率的陶瓷，然后对表面进行抛光处理。在上下表面被银电极，并进行极化处理。考虑到压电陶瓷上下表面需分别粘接铝片和弹簧钢片，因此设计了侧面电极17，采用涂银法将压电陶瓷上下表面银电极延展至侧面，用于正负极导线焊接。
上述压电能量采集装置的埋设方式如下：使用路面切割机切长方形槽，槽深10cm，长和宽边长均为压电能量采集装置尺寸加1cm。完成开槽后需要对坑槽内的碎肩和积水进行清除，用马路吹风机吹干，直至坑槽内无明水。在槽底部铺一层3mm聚氨酯作为粘层，铺1.7cm沥青胶砂击实找平。在四周刷一层2mm聚氨酯，放入工程塑料固定外壳，在固定外壳里放入压电能量采集装置，在表层刷一层2mm的聚氨酯防磨损。最后用SBS改性沥青灌缝。
参照图3-5所示，本发明实施例2与实施例1基本相同，其区别仅在于增设以下构造：实施例2中所述盒体侧壁2和中台架9两侧分布的横向凸条8分布有卡槽18，插板19自上而下插入两侧各层的横向凸条8的卡槽18中，每个插板19隔成的隔层均设置有一个所述瓦式压电换能器12，插板19将各瓦式压电换能器12分隔，使相邻瓦式压电换能器12不会相互干涉。
参照图5所示，所述弹簧钢片底座14两侧端具有向上收卷的卷边20，弹簧钢片的制作采用热卷法，将热态下的平面弹簧钢片放入按照曲率精确制作曲面模具中，将其卷成曲面。然后将曲面弹簧钢片在810℃下进行高温淬火处理，油冷后取出用350℃中温回火处理。
参照图3-5所示，本实施例2的上盖1带有下沿1a，下沿1a包围在所述盒体的外侧，下沿1a内侧设置有机硅橡胶条21，所述盒体四角开设有弹簧孔22，所述上盖1对准所述弹簧孔22带有凸柱23，凸柱23与弹簧孔22底部之间设置有弹簧24。
参照图5所示，所述传力杆台架10包括两个端架10a，两端架10a之间对应所述瓦式压电换能器固定有传力杆11，实施例2的传力杆11截面呈圆形，所述瓦式压电换能器12的铝片盖板16上固定有套接环16a，隔层的所述传力杆11穿过相应层的瓦式压电换能器12的套接环16a。该传力杆11能够更加稳定地向瓦式换能器12传递压力，并能够与瓦式换能器12更加稳定的同步动作。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例，凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理前提下的若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
Claims (10)
1.一种基于新型路用瓦式换能器的压电能量采集装置，其特征是：包括盒子和设置于盒子内部的发电结构，所述盒子包括盒体和上盖，盒体两侧壁沿高度方向平行分布有多道横向凸条，两侧壁中间固定有中台架，中台架与侧壁之间形成安置槽，中台架两侧对应所述两侧壁设置有多道横向凸条，所述盒体侧壁的横向凸条和中台架上的横向凸条上架设有多个瓦式压电换能器，所述安置槽中配置有传力杆台架，传力杆台架压迫同处于一个所述安置槽中的瓦式压电换能器，所述上盖与盒体之间设置有弹性机构，上盖与盒体之间留有上下振动空间，所述上盖下侧与传力杆台架连接并向其传递压力，所述瓦式压电换能器与能量储存单元连接。
2.根据权利要求1所述的基于新型路用瓦式换能器的压电能量采集装置，其特征是：所述盒体侧壁和中台架两侧分布的横向凸条分布有卡槽，插板自上而下插入两侧各层的横向凸条的卡槽中，每个插板隔成的隔层均设置有一个所述瓦式压电换能器。
3.根据权利要求1所述的基于新型路用瓦式换能器的压电能量采集装置，其特征是：所述瓦式压电换能器包括拱形的弹簧钢片底座、拱形压电陶瓷和上部的拱形的铝片盖板通过环氧树脂胶依次粘接而成。
4.根据权利要求求3所述的基于新型路用瓦式换能器的压电能量采集装置，其特征是：所述弹簧钢片底座两侧端具有向上收卷的卷边。
5.根据权利要求1所述的基于新型路用瓦式换能器的压电能量采集装置，其特征是：所述上盖带有下沿，下沿包围在所述盒体的外侧，所述盒体四角开设有弹簧孔，所述上盖对准所述弹簧孔带有凸柱，凸柱与弹簧孔底部之间设置有弹簧。
6.根据权利要求5所述的基于新型路用瓦式换能器的压电能量采集装置，其特征是：所述下沿内侧设置有机硅橡胶条。
7.根据权利要求1所述的基于新型路用瓦式换能器的压电能量采集装置，其特征是：所述传力杆台架包括两个端架，两端架之间对应所述瓦式压电换能器固定有传力杆，所述瓦式压电换能器的铝片盖板上固定有套接环，隔层的所述传力杆穿过相应层的瓦式压电换能器的套接环。
8.根据权利要求1-7其中之一所述的基于新型路用瓦式换能器的压电能量采集装置，其特征是：所述压电能量采集装置分为四层，每层10个瓦式压电换能器，共有40个瓦式压电换能器，均为并联连接。
9.根据权利要求1-7其中之一所述的基于新型路用瓦式换能器的压电能量采集装置，其特征是：所述传力杆与上盖通过螺栓连接，所述压电能量采集装置正负极导线通过导线孔引出盒体外。
10.根据权利要求8所述的基于新型路用瓦式换能器的压电能量采集装置，其特征是：所述传力杆与上盖通过螺栓连接，所述压电能量采集装置正负极导线通过导线孔引出盒体外。
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