CN115864896A - 一种地铁轨道压电能量收集装置和方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种地铁轨道压电能量收集装置和方法，涉及能量收集技术领域，包括浮置板橡胶垫、压电能量收集机构和储能机构；压电能量收集机构分别设于橡胶支撑块内、侧向缓冲胶垫内和缓冲垫板等浮置板橡胶垫内；浮置板橡胶垫分为上下两层，上橡胶垫板粘接在压电能量收集机构的上部；下橡胶垫板为凹形，压电能量收集机构放置并粘结于下橡胶垫板内部；压电能量收集机构包括：堆叠式压电俘能器，由多个铜箔和压电陶瓷薄片堆叠而成，且堆叠式压电俘能器的上下部均为铜箔；储能机构设于橡胶浮置板的下方空隙处，通过汇流电路与堆叠式压电俘能器连接，用于储存能量。

Description

一种地铁轨道压电能量收集装置和方法

技术领域

本发明涉及能量收集技术领域，具体为一种地铁轨道压电能量收集装置和方法。

背景技术

伴随着时代的发展，世界能源危机问题越来越突出，人们对于新能源开发利用的重视程度也越来越高。目前，基于压电式振动能量的利用，在日美欧等国家已取得较大进展，如日本的新型压电发光道路标识，已达到自供电水平；以色列通过在普通路面的沥青中植入大量的压电晶体，使得一公里路面能产生大约100～400千瓦的电力。

而我国作为人口大国，资源紧缺问题相当突出，对于新型能源的开发利用迫在眉睫。随着我国地铁总里程的不断增加以及运行频率的不断上升，伴随着其运营所带来的轨道振动能量的规模越发可观，同时地铁作为电力驱动，所消耗的电力也愈发庞大，轨道振动能量作为一种潜在的可再生新型能源有着极大的开发空间。

压电效应是某些电介质在沿一定方向上受到外力的作用而变形时，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，如果压力是一种高频震动，则产生的就是高频电流；压电式俘能器是利用压电材料的压电效应，将环境中的振动、噪声等机械能转化为电能，压电式俘能器可以从环境中俘取能量，为微电子元件供电。

压电效应的发现为振动能量的收集提供了理论上的支持，压电材料的开发使得该技术有了实践的可能；随着我国地铁总里程的持续增加以及运行频率的不断上升，伴随着其运营所带来的轨道振动能量的规模越发庞大。地铁橡胶浮置板已经被证明可以有效起到缓冲列车运行引起的高频振动和冲击。

但是现有的橡胶浮置板仅能实现减振降噪的作用，并未重视车致轨道振动能的回收利用；同时现有针对轨道压电能量收集的装置，存在布置位置不合理、压电效率低、压电俘能器易破坏等缺点。

发明内容

针对上述问题，本发明将压电俘能装置与地铁橡胶浮置板相结合，提出了一种新的具有压电能量收集作用的地铁轨道振动能量收集装置，在已有减振降噪功能的基础上为其新增轨道振动能量收集利用的功能，进而达到环保节能，实现能量的再利用。

本发明提出的一种地铁轨道压电能量收集装置，包括橡胶浮置板、压电能量收集机构和储能机构，其中：

所述橡胶浮置板的底部通过橡胶支撑块与轨道底部的混凝土垫石固定连接，所述橡胶浮置板的一对侧壁通过侧向缓冲胶垫与轨道的混凝土侧壁固定连接，所述橡胶浮置板的另一对侧壁上设有缓冲垫板；

多个所述压电能量收集机构分别设于橡胶支撑块内、侧向缓冲胶垫内和缓冲垫板内，且每个所述压电能量收集机构均包括：

堆叠式压电俘能器，由多个铜箔和压电陶瓷薄片堆叠而成，且所述堆叠式压电俘能器的上下部均为铜箔；

上橡胶垫板，粘接在所述堆叠式压电俘能器、的上部，所述上橡胶垫板、的上表面设有多个圆台状结构的第一减振凸台、和第二减振凸台，且所述第一减振凸台的高度高于所述第二减振凸台的高度；

下橡胶垫板，粘接在所述堆叠式压电俘能器的下部；

所述储能机构设于所述橡胶浮置板的下方空隙处，通过汇流电路与所述堆叠式压电俘能器连接，用于储存能量。

进一步的，所述铜箔和所述压电陶瓷薄片之间通过热压方法、利用环氧树脂粘合，且所述铜箔和所述压电陶瓷薄片之间的环氧树脂粘合层的厚度为0.005—0.01mm；

所述上橡胶垫板和所述下橡胶垫板均通过热压方法、利用环氧树脂与所述堆叠式压电俘能器粘接。

进一步的，所述堆叠式压电俘能器内的多个压电陶瓷薄片之间采用并联的电学连接方式，所述堆叠式压电俘能器内的多个铜箔和压电陶瓷薄片组成的叠层结构采取并联的机械结构形式，并通过汇流电路连接至储能机构。

进一步的，所述储能机构为蓄电池。

进一步的，所述橡胶支撑块为圆柱体，直径为300-400mm，厚度为30mm，置于浮置板板底凹槽和混凝土垫石凹槽内，按照1m的间隙布置于浮置板下方；

所述侧向缓冲胶垫为长方体，厚度为20mm，置于浮置板轨道的混凝土侧壁之间，按照1m的间隙布置于浮置板两侧；

所述缓冲垫板为长方体，尺寸与浮置板中心孔隙保持一致，布置于浮置板中心处。

进一步的，所述上橡胶垫板的厚度为10mm；

所述下橡胶垫板为凹字形垫板，且其底壁厚度10mm，侧壁厚度10mm；

所述堆叠式压电俘能器的厚度为5mm；

且所述上橡胶垫板与所述下橡胶垫板之间通过胶结和钉接的方式固定。

进一步的，所述铜箔的厚度为0.05mm；

所述压电陶瓷薄片的厚度为0.15mm。

进一步的，所述第一减振凸台的高度为5.0mm；

所述第二减振凸台的高度为2.5mm。

进一步的，所述上橡胶垫板上的所述第一减振凸台和所述第二减振凸台成列间隔排布。

本发明提供了一种地铁轨道压电能量收集方法，包括以下步骤：

地铁通过轨道时，车轮与轨道接触产生的振动，通过设有橡胶浮置板的承轨台使橡胶支撑块、侧向缓冲胶垫和缓冲垫板受到压力；

设于橡胶支撑块内、侧向缓冲胶垫内和缓冲垫板内的堆叠式压电俘能器中的压电陶瓷薄片产生形变和振动；

根据压电效应，压电陶瓷薄片受到压力后生成正负相反的的电荷，形成电流，产生电能；

通过汇流整流电路，将压电陶瓷薄片产生的电能储存在储能机构中。

与现有技术相比，本发明提供的一种地铁轨道压电能量收集装置和方法，其有益效果是：

本发明将堆叠式压电俘能器与地铁橡胶浮置板相结合，置于轨道板下方、侧方和中间缓冲位置，并在轨道板下方孔隙处布置了储能机构，不仅能够较好的缓冲列车通过轨道所产生的的振动与冲击，还可有效收集振动所产生的能量。本发明提出的对现有轨道橡胶浮置板的能量回收方案，无需重新安装俘能器和寻找布置位置；并且可以避免俘能器与轨道结构的直接接触，延迟了使用寿命；同时设计的减振台可以不仅增加能量回收效率，也可减少轨道振动噪声。

附图说明

图1为本发明提供的地铁轨道压电能量收集装置的安装示意图；

图2为本发明附图1的俯视图；

图3为本发明提供的地铁轨道压电能量收集装置的结构示意图；

图4为本发明附图1中堆叠式压电俘能器8的结构示意图。

图中：1.橡胶浮置板、2.储能机构、3.橡胶支撑块、4.侧向缓冲胶垫、5.缓冲垫板、6.混凝土垫石、7.混凝土侧壁、8.堆叠式压电俘能器、9.铜箔、10.压电陶瓷薄片、11.上橡胶垫板、12.下橡胶垫板、13.第一减振凸台、14.第二减振凸台。

具体实施方式

下面结合附图1至图4，对本发明的具体实施方式作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。

实施例1：如图1-4所示，本发明提出了一种地铁轨道压电能量收集装置和方法，具体包括：堆叠式压电俘能器8和储能机构2，堆叠式压电俘能器8的上下分别设置有上橡胶垫板11和下橡胶垫板12，堆叠式压电俘能器8由铜箔9和压电陶瓷薄片10堆叠而成，铜箔9和压电陶瓷薄片10通过热压方法用环氧树脂粘合，堆叠式压电俘能器8上下部均为铜箔9，上橡胶垫板11上表面有多个减振凸台，减振凸台包括第一减振凸台13和第二减振凸台14，第一减振凸台13和第二减振凸台14均为圆台状结构，第一减振凸台13的高度高于第二减振凸台14的高度。

其中，第一减振凸台13和第二减振凸台14均为圆台状，两者底面积相同，圆台倾角也相同，由于第一减振凸台13高度高于第二减振凸台14高度，所以第一减振凸台13顶部面积小于第二减振凸台14顶部面积。

其中，上橡胶垫板厚度为10mm，下橡胶垫板设置为凹字形，底壁厚度10mm，侧壁厚度10mm，堆叠式压电俘能器8的厚度为5mm；

其中，铜箔9的厚度为0.05mm，压电陶瓷薄片10的厚度为0.15mm。

其中，堆叠式压电俘能器8的叠层结构内各层陶瓷片的电学连接采用并联方式，整个叠层结构在机械上采取并联的结构形式，并通过汇流电路连接至储能机构2进行能量的储存。

其中，第一减振凸台13的高度为5.0mm，第二减振凸台14的高度为2.5mm。

其中，铜箔9和压电陶瓷薄片10通过热压方法采用环氧树脂粘合。

其中，第一减振凸台13和第二减振凸台14均成列间隔排布。

其中，由于堆叠式压电俘能器8内铜箔9和压电陶瓷薄片10的厚度较小，因此铜箔9与压电陶瓷薄片10之间的环氧树脂粘合层的厚度应控制在0.005-0.01mm之内，最终制成的堆叠式压电俘能器8厚度应控制在5.0mm。

本发明通过设置有两种不同高度的减振凸台和包含铜箔与压电陶瓷薄片的堆叠式压电俘能器，进而达到在橡胶浮置板本身已有减振降噪功能的基础上进一步使其具有收集并储存轨道振动能量的功能，进而达到大大提高能源利用效率，开发轨道振动能量这一新型可再生能源的目的，缓解我国的能源利用压力。

当地铁通过轨道时，车轮与轨道接触时所产生的振动可通过橡胶的橡胶浮置板1的承轨台和橡胶浮置板1使缓冲垫板5与橡胶支撑块3受到压力，从而使得对堆叠式压电俘能器8内的压电陶瓷薄片10产生形变，快速的形变进而产生振动，压电陶瓷薄片10进而将其所受到的压力转化为电能，从而达到发电的效果。

压电陶瓷薄片10可采用的材质多种多样，在本发明中使用PZT-5H型压电陶瓷薄片。该种压电陶瓷薄片同其他压电材料对比之下，堆叠后的刚度与强度相对较高，同时堆叠结构较相同厚度的压电单片产生的能量更大，符合本发明致力于提高能量利用效率的目的。

对于堆叠式压电俘能器8的制备，由于薄片粘合所用溶剂具有一定挥发性，所以堆叠式压电俘能器8内所需热压的薄片放置的时间越短，薄片中的溶剂比例就越高，相对的薄片的柔韧性也就越好，薄片也就更容易粘合到一起，叠层过程会更加顺利。

下面以某地铁线路为例，对本发明的压电能量转化进行计算和说明，此地铁线路采用橡胶浮置板结构，浮置板长度为6m、宽度为3m；橡胶支撑块为圆柱形，直径为310mm、厚度为30mm；车辆车型每节车都有4个轮对并按照8节编组，运行速度为80km/h，重量为38吨。考虑压电材料的性质和橡胶支撑块的尺寸，选用直径为30mm的PZT压电陶瓷薄片。假设电路效率为75％，单个位于橡胶支撑块3内的压电陶瓷薄片压电能量计算如下：

电荷量计算公式为：Q＝d₃₃F

压电俘能器的电容计算公式为：

流过压电陶瓷薄片10厚度方向的电流强度为

轨道振动荷载引起的电压为：

列车轮对通过一次所转换的电能为

式中：F为压电陶瓷薄片所承受压力；h为压电陶瓷薄片厚度；A为压电陶瓷薄片受力面积；w为加载频率；ε＝ε₀×ε_r；压电材料的真空介电常数ε₀＝8.854×10^-12F/m,ε_r为压电材料的相对介电常数，此处取值为2859；压电系数d₃₃＝593×10^-12C/N。

由以上公式计算得：

电流

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电压

压电陶瓷薄片单元产生电能为:

由于每个堆叠式压电俘能器大致可堆叠25片该尺寸的PZT压电陶瓷薄片，每个橡胶浮置板有两处堆叠式压电俘能器，6m长的浮置板可放置12块橡胶支撑块，参考当地地铁日运营量数据，每天平均大致车流量按400次计算，那每个橡胶浮置板由缓冲支撑块3总计可产生约1.548×10⁷J的电能；

类似的，对于缓冲垫板5，可产生的电能为：1.032×10⁶J；

类似的，对于侧向缓冲胶垫4，可产生的电能为：5.467×10⁵J；

因此单块6m长的橡胶浮置板日可产生电能4.7kWh。

按照面积5平方米的地铁LED广告展示屏耗能计算，每平米可布置300颗灯珠，单色led灯珠功率是0.1w，日照明10小时，日消耗电能约为1.5kWh，因此单块浮置板日回收的能量可供地铁LED广告屏照明3.16天。

按照每千克煤炭热值为2.93×10⁷J，电能转换效率40％计算，单块压电橡胶浮置板年可节约煤炭0.529吨，减少二氧化碳排放1.933吨。因此本发明专利具有明显的经济效益和社会效益。

若将该装置安装于地铁整条线路上的全部橡胶浮置板1内的缓冲垫板5和橡胶支撑块3上，则橡胶浮置板1内的堆叠式压电俘能器产生的能量可很好的缓解地铁电力的消耗，助力低碳交通体系建立。

对于储能机构的选择，我们推荐使用大容量蓄电池对所收集到的压电能量进行储存。

可以看出，针对地铁运营耗能高，电力供应需求较大，供应成本较高等问题，本发明通过研究基于压电式轨道振动能量利用的橡胶浮置板，缓解原有地铁运营所带来的电力的大量损耗，以及常规能源发电所带来的的环境污染，大大提高能源利用效率，为缓解我国能源紧缺这一问题提供一种新的解决思路。针对压电俘能器布置和应用问题，本发明将地铁轨道板中的橡胶支撑层与压电俘能器相结合，无需重新安装俘能器和寻找布置位置，并且可以避免俘能器与轨道结构的直接接触，延迟了使用寿命；同时设计的减振台可以增加能量回收效率，减少轨道振动噪声。

以上实施例仅为本发明较佳的具体实施方式，本发明的保护范围不限于此，任何熟悉本领域的技术人员在本发明披露的技术范围内，可显而易见地得到的技术方案的简单变化或等效替换，均属于本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种地铁轨道压电能量收集装置，其特征在于，包括：

橡胶浮置板(1)、压电能量收集机构和储能机构(2)，其中：

所述橡胶浮置板(1)的底部通过橡胶支撑块(3)与轨道底部的混凝土垫石(6)固定连接，所述橡胶浮置板(1)的一对侧壁通过侧向缓冲胶垫(4)与轨道的混凝土侧壁(7)固定连接，所述橡胶浮置板(1)的另一对侧壁上设有缓冲垫板(5)；

多个所述压电能量收集机构分别设于橡胶支撑块(3)内、侧向缓冲胶垫(4)内和缓冲垫板(5)内，且每个所述压电能量收集机构均包括：

堆叠式压电俘能器(8)，由多个铜箔(9)和压电陶瓷薄片(10)堆叠而成，且所述堆叠式压电俘能器(8)的上下部均为铜箔(9)；

上橡胶垫板(11)，粘接在所述堆叠式压电俘能器(8)的上部，所述上橡胶垫板(11)的上表面设有多个圆台状结构的第一减振凸台(13)和第二减振凸台(14)，且所述第一减振凸台(13)的高度高于所述第二减振凸台(14)的高度；

下橡胶垫板(12)，粘接在所述堆叠式压电俘能器(8)的下部；

所述储能机构(2)设于所述橡胶浮置板(1)的下方空隙处，通过汇流电路与所述堆叠式压电俘能器(8)连接，用于储存能量。

2.如权利要求1所述的一种地铁轨道压电能量收集装置，其特征在于：

所述铜箔(9)和所述压电陶瓷薄片(10)之间通过热压方法、利用环氧树脂粘合，且所述铜箔(9)和所述压电陶瓷薄片(10)之间的环氧树脂粘合层的厚度为0.005—0.01mm；

所述上橡胶垫板(11)和所述下橡胶垫板(12)均通过热压方法、利用环氧树脂与所述堆叠式压电俘能器(8)粘接。

3.如权利要求1所述的一种地铁轨道压电能量收集装置，其特征在于：

所述堆叠式压电俘能器(8)内的多个压电陶瓷薄片(10)之间采用并联的电学连接方式，所述堆叠式压电俘能器(8)内的多个铜箔(9)和压电陶瓷薄片(10)组成的叠层结构采取并联的机械结构形式，并通过汇流电路连接至储能机构(2)。

4.如权利要求1所述的一种地铁轨道压电能量收集装置，其特征在于：

所述储能机构(2)为蓄电池。

5.如权利要求1所述的一种轨道压电能量收集装置，其特征在于：

所述橡胶支撑块(3)为圆柱体，直径为300-400mm，厚度为30mm，置于浮置板(1)板底凹槽和混凝土垫石(6)凹槽内，按照1m的间隙布置于浮置板(1)下方；

所述侧向缓冲胶垫(4)为长方体，厚度为20mm，置于浮置板(1)轨道的混凝土侧壁(7)之间，按照1m的间隙布置于浮置板两侧；

所述缓冲垫板(5)为长方体，尺寸与浮置板(1)中心孔隙保持一致，布置于浮置板(1)中心处。

6.如权利要求1所述的一种地铁轨道压电能量收集装置，其特征在于：

所述上橡胶垫板(11)的厚度为10mm；

所述下橡胶垫板(12)为凹字形垫板，且其底壁厚度10mm，侧壁厚度10mm；

所述堆叠式压电俘能器(8)的厚度为5mm；

且所述上橡胶垫板(11)与所述下橡胶垫板(12)之间通过胶结和钉接的方式固定。

7.如权利要求1所述的一种地铁轨道压电能量收集装置，其特征在于：

所述铜箔(9)的厚度为0.05mm；

所述压电陶瓷薄片(10)的厚度为0.15mm。

8.如权利要求1所述的一种地铁轨道压电能量收集装置，其特征在于：

所述第一减振凸台(13)的高度为5.0mm；

所述第二减振凸台(14)的高度为2.5mm。

9.如权利要求1所述的一种地铁轨道压电能量收集装置，其特征在于：

所述上橡胶垫板(11)上的所述第一减振凸台(13)和所述第二减振凸台(14)成列间隔排布。

10.一种基于权利要求1-9任一一项权利要求所述的地铁轨道压电能量收集装置的地铁轨道压电能量收集方法，其特征在于，包括以下步骤：

地铁通过轨道时，车轮与轨道接触产生的振动，通过设有橡胶浮置板(1)的承轨台使橡胶支撑块(3)、侧向缓冲胶垫(4)和缓冲垫板(5)受到压力；

设于橡胶支撑块(3)内、侧向缓冲胶垫(4)内和缓冲垫板(5)内的堆叠式压电俘能器(8)中的压电陶瓷薄片(10)产生形变和振动；

根据压电效应，压电陶瓷薄片(10)受到压力后生成正负相反的的电荷，形成电流，产生电能；

通过汇流电路，将压电陶瓷薄片(10)产生的电能储存在储能机构(2)中。

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