CN1633008A - 利用公路路面振动能量压电发电的方法及其道路灯具系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种使用路面振动能量压电的发电方法及其道路灯具系统。将压电装置铺设于路面内或直接用压电材料作为路面组成部分，利用振动能量产生电能，并作为电力采用一定的控制方法提供给道路灯具和其他路政设施作为工作能源，或者提供给储能装置或电网加以存储和利用。该系统包括：置于公路路面中的压电装置，电力变换装置，用于调整和转换压电装置产生的电能，并将电能用于储能装置；道路灯具或一个储能装置，上述压电装置与电力变换装置连接，电力变换装置与道路灯具或储能装置连接。本发明方法及其道路灯具系统可以有效解决山区及长途道路沿线道路灯具铺设不便的难题，达到节能环保的要求，具有显著的经济价值和社会价值。

Description

利用公路路面振动能量压电发电的方法及其道路灯具系统

技术领域

本发明涉及利用公路路面振动能量的道路灯具及其系统，特别是一种利用公路路面振动能量压电发电的方法及其道路灯具系统。

背景技术

目前，在世界各地，包括中国大陆所使用的路灯，信号灯以及其他路政设施一般均是使用交流电网或者直流电网提供能源，尽管现有系统的使用是卓有成效的，但是因为自身设计的局限，其中也有很大的不足无法克服。首先，在能源日渐缺乏的今天，电能是相当宝贵的，现有的路政电网以中低压电为主，而长距离低压电网的电力损耗是惊人的；其次，很多偏远山区或者郊外路政电网覆盖不到的地方，对行车安全有这至关重要作用的道路灯具以及其他路政设施就无法铺设，安装和正常使用；最后，使用市电需要辅设管线，工程繁杂，投资巨大，而且需要不间断的维修。

为了克服旧有系统的不足，充分利用新能源，寻找一种节能而又不受地域限制的新型道路灯具就成了当务之急。

通常可用来发电的能源通常包括风力、水力、太阳能、核能和蒸汽能。随着对能量使用效率和保存的不断要求，人们花了很大的力气来开发那些没有用过的新能量源。人们已开发了一些系统和方法来利用车辆在行驶过程中它们的轮子带给路面或轨道的能量。

这些系统一般可分为机械系统、气压系统和液压系统。

典型的利用车辆行驶时向下的力来发电的机械系统包括齿轮机构和其他的运动部件。机械系统容易被驱使汽车向下的压力和复位时驱使其往上的压力磨损。如U.S.Pat.No.4,238,687，Martinez公开的一个系统。这个系统通过涡轮利用路上经过的汽车来发电。这个涡轮由与摇杆盘连接的弧形臂的下转运动驱动。摇杆盘安装在路面上。汽车通过它们时，这些摇杆盘被压向下。

典型的气压系统包括一个气压活塞。这个气压活塞由一个安装在路上用来转化汽车经过时的向下的力的作动器来驱动。如U.S.Pat.No.4,173,431，Smith公开了一个道路汽车作动的气压机和系统。这个系统用压缩的空气运转一个电力发生器发电。这个道路汽车作动压缩器包括一个被经过的汽车的轮胎的重量往下推的作动器。作动器驱动气缸的往复式活塞来压缩气缸中的空气。从汽缸中出来的压缩空气驱动一个电力发生器。

一些系统利用液压泵来吸收汽车经过时向下的力，并将其转化成有用的功，比如去驱动一个电力发生器。如U.S.Pat.No.4,004,422，Le Van公开了一个利用交通工具的重量来产生有用功的方法和装置。在道路或轨道里置入一些充满了液体的可变形的小室。这样，汽车通过时它的重量会引起其中的液体的位置变化。液体位置变化的势能不断的转化成机械能或电能。又如U.S.Pat.No.4,130,064，Bridwell公开了一个利用运动车辆的运动量和重量来产生便于利用的能量的系统。这个系统包括一个液体位移泵。这个泵也是置于道路里的一个活动板下或是在轨道之间的轨床中。利用这个泵可将汽车通过时的能量转化成便于利用的能量。

压电材料，作为一种理想的机电能量转换材料，具有很高的能量密度，其峰值能量密度可达100～10000kW/kg，这就使利用很小体积的压电装置产生相当功率的电能成为可能。压电电源的工作原理是基于正压电效应，压电材料是它们的核心工作物质。

20世纪60年代末，中国科学院上海硅酸盐所和上海精密医疗器材厂合作研究压电手提式X光机电源，成功地获得U_max＝60kV，I_max＝3mA的直流高压。

Charles G.Triplett申请的美国专利US.No.4504761，题目是“安装在车辆上的压电发生器”，公开了配置在车辆轮胎上的压电发生器，该装置利用车轮转动期间施加到轮胎上的压力产生电能。

金东局申请的中国发明专利CN 1202014A，题目是“具有连到振动源的压电元件的压电发生器及其制造方法”，公布了一种利用车辆发动机机械振动能产生电的压电发生器。该发明包括压电元件和存储压电元件产生的电能的电路。每个压电元件具有压电薄膜和压电薄膜的支持部件。把剩余压力施加到支持部件，以使压电元件向上弯曲。设置DC/AC转换器，把压电元件产生的直流电转换成交流电，设置变压器和二极管，防止从蓄电池放电。

以上例子表明利用压电材料的正压电效应制作各种类型的电源是可行的，它特别适用于各种移动设备的电源。这种电源的内阻抗是容性的，通过压电效应的转换，即使在静态和准静态条件下工作，也能转换K².W_机的电能(K是机电耦合系数，K²是衡量机电能量转换的能力)。目前有多种K≥0.7的压电材料已经研制成功并完成产业化，选择其中压电系数d₃₃、g₃₃高，机械强度高，反复加压后性能稳定，介电常数较大的材料，可作为较理想的发电工作物质。

由于压电材料即是介电体，又是弹性体，具有正、逆压电效应和一般弹性体性质，因而同时有电学和力学性质，其电行为与机械行为是相互耦合的。利用压电材料的这种机电耦合特性，将压电元件与包括电阻元件、电容元件、电感元件和开关器件等在内的电器元件组成的电路并联，可以组成完整的压电阻尼系统。通过选定和压电元件并联的不同电路形式，不同电器元件的组合形式和参数大小，可以设计出不同的可控压电阻尼形式，对结构系统的振动进行被动、半主动和主动-被动杂交的抑制和控制。

如将压电元件和电阻并联形成的压电阻尼系统，对结构的减振是通过焦耳热耗散能量来实现，被称为压电黏性阻尼技术。

又如将压电元件和电容并联形成的压电阻尼系统，可以改变压电元件的有效刚度，利用这种原理，可以研制具有机械动力吸振器性质的压电阻尼减振系统。

又如将压电元件和开关元件并联形成的转换型半主动压电阻尼系统，通过开关元件断开和闭合的转换，可以实现等效刚度的较大改变，从而控制振动能量在结构系统中的流向。

压电阻尼减振技术已在若干的体育运动用品中得到应用。例如，美国K2公司的设计者将压电材料嵌入进雪橇中，当雪橇因振动发生变形时，压电材料也随之发生变形，将振动能转化为电能；并使用电阻和压电材料并联形成压电阻尼系统，将这些能量以焦耳热的形式耗散。

发明内容

本发明的目的在于，提出一种利用公路路面振动能量压电发电的方法及其道路灯具系统，将压电装置置于公路路面的减振层中，利用车辆经过的振动能量产生电能，并作为一种电力供应加以存储并在必要的时候提供给道路灯具和其他路政设施使用。本发明提出的利用公路路面振动能量压电发电的方法及其道路灯具系统是一种收集耗散能源作为工作能源的新型灯具，可以有效解决山区及长途道路沿线道路灯具铺设不便的难题，同时经过改造可以为现有的路政设施提供新的能量来源，达到节能环保的要求，具有显著的经济价值和社会价值。

另外，由于本系统是铺设的路面的减震层中，在利用振动能量压电发电的过程中，采用适当的控制方法，可以使本系统起到半主动减振的作用。这是本发明的又一目的。

为实现上述目的，本发明采用如下技术措施：

一种利用公路路面振动能量压电发电的方法，将压电装置置于公路路面的减振层中，将经过车辆的振动能量进行收集并经过电力装置变换转换为电能，通过控制系统提供给道路灯具及其电能存储系统加以利用和存储。

该方法包括以下步骤：

a.在公路路面减振层中铺设至少一个压电装置，用于接收行驶的车辆对路面减振层的振动能量，该压电装置中的压电材料作为工作介质，并利用正压电效应将路面振动能量转化成电能；

b.将压电装置产生的电能送至一个电力变换装置中，由该电力变换装置对电能进行调整和变换；

c.电力变换装置调整和变换后的电能由储能装置或最终用电负载接收，并对电能进行存储或利用。

本发明的方法的其它特点是，所述的电力变换装置包括控制模块和功率模块，由控制模块发出指令，功率模块接收并执行指令，对电能的产生、存储和利用加以控制。

所述的电力变换装置调整和变换后的电能由储能装置接收时，电力变换装置对储能装置的充电电压和电流进行控制。

所述的电力变换装置调整和变换后的电能由最终用电负载接收时，电力变换装置对最终用电负载的供电电压和电流进行控制。

所述的电力变换装置对电能的调整和变换包括以下步骤：

1)整流过程，将压电材料产生的交流电变为直流电；

2)DC/DC变换过程，对步骤1)产生的直流电进行电压和电流变换。

所述的电力变换装置中含有以控制器为核心的控制模块，并安装检测来往车辆车身运动的传感器，由控制器执行控制策略，在利用经过车辆振动能量发电的同时，对公路路面振动和噪声进行半主动减振控制，实现显著的控制效果。

实现上述方法的利用公路路面振动能量压电发电的道路灯具系统，其特征在于，该系统包括：

至少一个置于公路路面结构及减振层中的压电装置，该压电装置与公路路面结构及减振层串联，用于将车辆经过的振动能量转换为电能；

一个电力变换装置，由功率模块和控制模块组成，功率模块用于调整和转换压电装置产生的电能，并将电能用于储能装置或最终用电负载；控制模块通过对功率模块的功率元件进行控制，使振动能量转化成电能，并为储能装置存储或最终用电负载利用；

至少一个储能装置或道路灯具或其他路政用电负载，用于存储和利用电力变换装置调整后的电能；

其中道路灯具包括道路用路灯、交通信号指示灯、道路标示灯具和路边灯箱广告、景观灯其中的一种或一种以上的组合；

上述压电装置与电力变换装置连接，电力变换装置分别与储能装置或最终用电负载相连。

上述系统的其它特点是，所述压电装置铺设于路面内或路面与路基之间，或直接用压电装置作为路面结构层；压电装置包含有压电元件。

所述的压电元件可以由单片或多层压电薄片组成，包括积层式压电堆结构。也可是由压电复合材料(例如：压电水泥)制作的块状或层状结构。

所述的压电元件为压电陶瓷或铁电性压电材料或压电复合材料。

所述压电装置与公路路面结构及垂向减振层串联。

所述电力变换装置的功率模块包括全桥整流装置和DC/DC变换器，全桥整流装置和压电元件的电能输出端子相连，用于将压电元件产生的交流电转换成直流电；DC/DC变换器和全桥整流装置连接，用于调整全桥整流装置输出的电压和电流；功率开关器件在DC/DC变换器中，用来执行控制信号传达的指令。

所述电力变换装置的控制模块包括：传感器、滤波电路、控制器和光电隔离电路；传感器置于压电装置、电力变换装置的功率模块上，用于获得微处理器所需的信号；控制器通过滤波电路与传感器相连，获得传感器得到的信号，并输出控制信号；控制信号经光电隔离电路，送至功率模块的功率开关器件的控制端。

所述公路系统包括高速公路、普通公路以及沿途桥梁、隧道以及机场跑道等特殊用途路面。

本发明与现有技术相比，具有如下优点：

1)本发明提出的利用路面振动能量的道路灯具及其系统是一种收集耗散能量作为工作能源的新型灯具，可以有效解决山区及长途道路沿线道路灯具铺设不便的难题。

2)经过改造可以为现有的路政设施提供新的能量来源，将以往未加以充分利用的公路系统振动能量加以利用；达到节能环保的要求，具有显著的经济价值和社会价值。

3)由于该系统的终端可以是最终用电负载，也可以是蓄电池，UPS和其他储能元件。优化布置方式后可以作为道路沿线的分散式应急能源使用，为临时道路施工，车辆维修和高速公路服务站提供应急能源。

4)由于压电发电是一种介质发电方式，与采用普通发电机方式发电相比，具有结构简单，响应快，特别适合交变动力驱动方式。

5)由于压电材料具有很高的能量密度，因此压电装置体积小、重量轻，施工量小，便于安装和对现有公路系统进行改造；

6)本系统应用广泛，可用于多种不同路面结构类型；

7)在利用振动能量压电发电的过程中，采用适当的控制方法，可以使本系统在发电同时起到半主动减振和降噪的作用。

8)寒冷地区冬季下雪时，铺设压电装置的路面可以将已储存的电力输回压电材料，利用逆压电效应通过将电能在路面内以热能耗散的方法延缓、减少或融化积雪。

附图说明

图1是本发明的系统结构图；

图2是本发明第一实施例的系统结构示意图；

图3是本发明第一实施压例中压电装置的安装位置示意图；

图4是第一实施例中压电装置的原理图；

图5是第一实施例中电力变换装置中功率模块的电路原理图；

图6是本发明电力变换装置的控制原理图；

图7是本发明第二实施例的系统结构示意图；

图8是本发明第二实施例中压电装置的安装位置示意图；

图9是第二实施例中电力变换装置中功率模块的电路原理图；

图10是本发明第三实施例的系统结构示意图；

图11是本发明第三实施例中压电装置的结构示意图。

以下结合附图和发明人给出的实施例，对本发明作进一步的详细描述。

具体实施方式

按照道路灯具的使用方式，功能和工作功率的不同，提供能源的压电发电系统可以采用全路铺装，局部铺装和分立压电器件安装等不同的方式安装，以下分别结合几个实施例加以说明。

参见图1～6，依照本发明的技术方案，第一实施例以市区街道路灯系统为例，进一步说明该系统的布置和实施方式。由于街道路灯的使用特点是分时段照明，且在照明时段所需要提供的功率比较大(每公里车道大于50kW)，所以适合采用全路铺设的压电发电系统。本例系统结构如图2所示，整个路灯照明系统由铺设压电装置的路面，电力变换装置，储能系统和路灯及其控制系统构成。

公路车辆运行过程中，由于车轮和公路路面之间的振动作用，铺设于路面下的压电装置不断受到变化的应力作用，数吨的应力被加载在压电装置中的压电元件上，在压电元件的两极产生了电荷和电压，根据设计，开路最高电压将被限定在500V以下。压电装置产生的电能经过电力总线输送给电力变换装置，由该电力变换装置对电能进行调整和变换；电力变换装置调整和变换后的电能由储能装置或路灯负载接收，由控制系统和储能装置对电能进行存储，利用和管理。

储能装置采用在线式UPS，其作用是在自然照明光线满足安全行车需要而不使用路灯或者压电装置产生电能大于路灯系统消耗的情况下将车辆经过产生的电能储存起来，在压电装置产生电能不足的情况下向路灯提供能源，同时具有防雷，防浪涌的功能，保证路灯的供电质量。

控制装置可以控制储能装置和路灯的工作状态，可以通过预先的设定自动调整路灯的启用关闭时间，同时设计有光电采样电路，可以根据环境照度自动调节路灯的工作状态。达到路灯在白天，晚上和光线不足的情况下自动开启和关闭的功能。与此同时，因为根据压电发电系统的供电情况可以实时反映道路的车流量情况，根据一定的差分算法甚至可以得到车辆的在道路的具体位置和速度信息，本控制装置也可以实时分配电力供应，调整整个路灯系统的工作范围，达到节能的效果。

路灯灯具包括外壳和灯管、逆变器及灯架，其中灯管可以是荧光灯或钠灯，荧光灯可以是高光效节能荧光灯和普通荧光灯，管型可以是D型，双D，U型，双U型，SL型等等；钠灯可以是高压钠灯，镝灯，钪钠灯，中显色钠灯和高显色钠灯，除此之外也可以使用卤素灯，氙灯，白炽灯，高亮度发光二极管(LED)作为照明灯具的发光元件。

所述的LED阵列式信号灯具具有以下结构和功能，在这种灯具中，多个LED元件以一定的形式安置在具有LED阵列驱动和控制功能的方形或圆形的信号灯具本体上，使之可以被控制着以预定的次序点亮和闪烁，以显示出图案或字符，从而起到管理交通流和指示道路情况的作用。

在本例中，储能系统和控制系统均采用总线分布式布局，如图2所示。

以下结合本例对压电发电装置的具体结构和工作原理做一说明：对于以沥青路面为代表的柔性路面，若在筑路时直接铺设，可在铺设好路基和路面垫层、基层后，将压电装置铺设于路面面层内；若在市区道路拓宽，维护改造时进行，也可直接在老路加铺罩面层或磨耗层前，先铺设一层压电装置。压电装置可以全路面铺设，也可根据轮迹横向分布铺设成条带状，如图3所示。图3中由上之下各层依次为沥青磨耗层，压电装置，沥青面层，基层，垫层和路基。

图4给出了第一实施例中压电装置的结构。该装置由绝缘层1、压电堆2组成。车辆由路面驶过时，在车辆压力和行驶引起的路面振动的作用下，压电堆2不断的受压、释放从而产生应变。

根据压应力作用下的压电材料产生的电压和一次储能公式：

    U＝Q/C                                                (1)

$W=\frac{1}{2}\mathrm{QU}---\left(2\right)$

可以看到一次受压储能的能力是跟压电材料受压后的电压的平方成正比的。压电材料产生电压的公式为：

$U=g_{33}\frac{t}{\mathrm{lW}}F---\left(3\right)$

    Q＝d₃₃F                                              (4)

其中g₃₃是压电纵向电压常数，l，W和t分别是压电材料的长、宽和厚度。从公式(3)可知，压电材料受应力产生的电压与其所受的力F成正比。振动力传递给了压电堆2，在压电堆2上产生一个应变。根据正压电效应原理，压电材料表面会产生电荷，从而形成公式(1)中的电势。由公式(3)，这个电压与压电材料的厚度t成正比。为了降低该电压，采用多层压电薄片制成的积层式压电堆。这种设计可以保证既可以提供足够体积的工作物质，又能使压电材料产生的电压不至于过高，便于电力变换装置对电能进行转换和回收。压电堆2采用复合压电橡胶材料，根据所选材料型号的不同，其机电耦合系数K₃₃为0.7～0.92，具有较高的机电转换效率。对于车辆轨道所处的工况，采用上述压电装置，压电材料的能量密度较容易达到0.6kW/kg以上。

压电堆2也可以为单片式压电元件所代替；当压电元件产生的电压过高时，应先将所产生的电能经变压器处理降低电压，再与电力变换装置相连接。

电力变换装置包括功率模块和控制模块。图5给出了第一实施例中电力变换装置的功率模块的电路原理图。该电路由整流器和DC/DC变换器两大部分组成。整流器采用全桥整流电路，由4个二极管D₁、D₂、D₃和D₄构成。DC/DC变换器由电感L₁、电容C、功率开关器件K₁和续流二极管D₅组成，实现按斩波方式工作的降压电路。功率开关器件K₁采用IGBT IPM智能功率模块，模块内含有IGBT必需的驱动和保护电路。在第一实施例中，电力变换装置向储能装置充电，储能装置为大容量工业用UPS。

电力变换装置对电能的调整和变换包括以下步骤：

整流过程，将压电材料产生的交流电变为直流电；

DC/DC变换过程，对整流过程产生的直流电进行电压和电流变换。

变压过程，当压电材料产生的电压过高时，先进行降压处理，将电压降低，为其后的整流过程做好准备。

图6给出了本发明电力变换装置的控制原理图，控制模块由电流电压传感器、滤波电路、微处理器和光电隔离电路组成。

电力变换装置的功率模块包括全桥整流装置和DC/DC变换器。全桥整流装置的输入端和压电元件的电能输出端子相连，用于将压电元件产生的交流电转换成直流电；DC/DC变换器和全桥整流装置连接，用于调整由全桥整流装置输出的电压和电流；功率开关器件在DC/DC变换器中，用来执行控制信号传达的指令。

微处理器采用TI公司DSP芯片TMS320LF2407。电压传感器采用电流型500V电压传感器，电流传感器采用电流型200A电流传感器。电流电压传感器用来采集DC/DC变换器输出端的电压和电流信号，经滤波电路处理，送至DSP的A/D端口进行数据采集，采集结果经DSP处理后，以PWM的形式输出控制信号。PWM信号经由光电隔离电路，送至功率开关器件的驱动电路，对功率管K₁的开关状态进行控制。信号采集和控制周期为1ms；PWM调制频率范围为10kHz～20kHz。滤波器采用典型的由运算放大器搭建的滤波电路，光电隔离电路由光电耦合器实现。控制模块所需的各种电平由路面控制室蓄电池经普通DC/DC开关电源提供。

所述储能装置或为各种蓄电池、超级电容和飞轮；最终用电负载可以为电阻性负载、电感性负载、电容性负载和它们的组合。

本发明中的压电发电子系统的具体工作原理是：

路面车辆运行过程中，由于路面振动的作用，铺设于路面下的压电装置不断受到变化的应力作用。数吨的应力被加载在压电装置中的压电元件上，在压电元件的两极产生了电荷和电压，根据设计，开路最高电压被限定在500V以下。当电压的绝对值高于整流器右侧的电容器C电压时，压电元件向电容C充电；否则，压电元件为开路。在电力变换装置中，控制模块通过对传感器信号的采样值，进行对PWM信号占空比的调节。当占空比增大，功率管导通时间增长，即充电时间增长，电容C的端点压下降，压电元件向电容C充电的导通电压降低；当占空比减小，功率管导通时间减少，即充电时间减少，电容C的端点压上升，压电元件向电容C充电的导通电压升高。通过PI控制算法，可以让电池两端的充电电压维持在某一设定值，而该设定值可以通过试验或自适应算法加以设定。设定该值的原则是使更多的振动能量转化为电能。电感L₁和D₅可以在功率管K₁断开时和蓄电池构成续流回路，继续向电池充电。通过传感器对蓄电池充电电压和充电电流进行的检测，当蓄电池已充满时，控制器停止对蓄电池进行充电。

下面给出以隧道内车道指示灯系统为第二实施例，用以说明系统在实现振动能量发电的同时，还对路面的振动和噪声进行半主动控制。第二实施例是和第一实施例的区别在于：首先，指示灯具发光源采用节能的高亮度室外LED灯组，需要全日连续工作，工作能耗小(每公里车道小于5kW)，所以采用部分路面分段铺装的形式，节约建设成本；其次，压电装置安装于隧道水泥路面等刚性路面，安装位置如图8所示。图8中由上之下各层依次为路面，压电层和路基。

本实施例的系统结构如图7所示，整个隧道内车道指示灯系统由分段铺设压电装置的路面，电力变换装置，储能系统和车道指示灯构成。

隧道内车道指示灯的作用是给机动车驾驶员指明隧道内车道区分和指明当前车道未来的走向情况，传统的指示灯具是埋设于路面、侧壁和车道分离护栏上的反射式标志板，用反射车辆灯光的方式提示车道情况，这种设计方式由于驾驶员视角的原因对使用有一定影响。和这种被动反射式灯具不同，本实施例中由于采用的是高亮度室外LED灯组主动发光，不存在视角的问题，指示效果良好。由于工作条件简单，所以和第一实施例相比较，不需要复杂的控制系统，能量存储系统也不再采用分布式总线结构，而是分段加设UPS系统对整个隧道路段进行分段支持。

同时由于指示灯的能耗比较低，所以采用分段路面铺设的方式，按照行车方向20％的路面比例铺设含有压电层的路面，如图所示。

本实施例中压电装置安装于隧道水泥路面等刚性路面，安装位置如图8所示。图8中由上之下各层依次为路面，压电层和路基。

本实施例中压电装置为压电层64，由多层压电复合材料(如压电橡胶等)直接构成，各层间为并联，并在其中置入检测路面振动速度的速度传感器；电力变换装置的功率模块采用图9所示的原理图，同时采用了在发电同时实施半主动减振的控制策略。

以1-0-3型压电复合材料为例，在上述的工况下，较容易实现1kW/kg以上的能量密度。

图9给出了第二实施例中电力变换装置的电路原理图。它和图4的区别在于增加了一个受DSP芯片控制的IGBT IPM智能功率模块K₂，它被置于全桥整流电路的正输出端和电容C的正极之间。

下面分析电路的工作原理。电路的控制系统根据速度传感器信号判断水泥路面振动的运动速度。当速度为向上时，控制器给出控制信号，使功率器件K₁断开，K₂导通，并且当压电元件产生的电压绝对值也高于电容C两端的电压时，整流器导通，压电元件的等效刚度减少，减缓路面的向上运动，压电元件向电容C充电；当速度为向下时，控制器给出控制信号，使功率器件K₂断开，压电元件的等效刚度增大，抑制路面的向下运动，压电元件的变形能由机械刚度和压电电容存储，同时K₁由PWM波控制，按一定的占空比，电容C对蓄电池进行充电。通过对K₁占空比的调节，可使蓄电池获得合理的充电电压和充电时间。从上面论述可以看出，电容C充电过程和蓄电池充电过程在时间上交替进行，电容C充电过程对应于路面向上运动过程，蓄电池充电过程对应于路面向下运动过程。同时，由于压电元件产生的电压远高于蓄电池的电压，所以整个系统的死区很小，保证系统具有较高的发电和减振降噪效率。

下面以弯道车辆接近指示灯系统为例给出第三实施例，与前两个实施例不同，第三实施中采用单独的分立压电结构作为指示灯具的压电发电子系统的执行器件。如图10所示，弯道车辆接近指示灯系统包括埋设于路面内的分立压电元件，电力变换装置和弯道车辆接近指示灯三部分构成。

弯道车辆接近指示灯的作用是在视线受阻的弯道向车辆驾驶员提醒弯道另一侧的车辆接近情况。因为该指示灯的工作条件尽为路面指定位置有机动车通过的情况，所以本实施例与上面两个实施例相比省略了控制系统和储能系统，进一步简化了系统结构。因为此类系统多用于山区和无人职守的弯道地段，这样简化的设计也减少了日常维护和施工的成本。

下面具体说明该系统的工作方式，

图11给出了第三实施例中压电装置的结构。该装置由外活塞34、内活塞32、液压缸33和压电堆31组成。外活塞34和液压缸33受到轨道车辆振动的直接作用，外活塞34相对液压缸33移动产生压强变化，通过油液压强传递给了内活塞32。由于外活塞34和内活塞32存在一个面积比例，力被放大了一个比例系数。内活塞32上放置着压电堆31，被放大的振动力传递给了压电堆31，在压电堆31上产生一个应变。

由公式(3)，在压电堆31两端产生的电电势与压电材料的厚度t成正比。为了降低该电压，采用多层压电薄片制成的积层式压电堆。这种设计可以保证既可以提供足够体积的工作物质，又能使压电材料产生的电压不至于过高，便于电力变换装置对电能进行转换和回收。压电堆31采用压电陶瓷材料PZT，根据所选材料型号的不同，其机电耦合系数K₃₃为0.7～0.92，具有较高的机电转换效率。对于公路路面所处的工况，采用上述压电装置，压电材料的能量密度较容易达到0.6kW/kg以上。

压电堆31也可以为单片式压电元件所代替；当压电元件产生的电压过高时，应先将所产生的电能经变压器处理降低电压，再与电力变换装置相连接。

虽然已经参照以上三个实施例讨论了利用压电发电的方法回收公路车辆振动能量加以利用的道路灯具及其系统构成，但应理解，本发明提及的利用压电发电的方法回收公路车辆振动能量的道路灯具及其系统的构造细节和各部件与元件的配置不限于实施例中所述情形，因而在不背离本发明的技术原理的原则下，可作出各种改变和变形。

如以上实施例中提及的压电发电系统可以采用全路铺装，局部铺装和分立压电器件安装等不同的安装方式和几种不同的控制方法，都可以稍加变换而重新组合为其他的道路灯具应用形式；

如第一实施例中也可采用第二实施例中电力变换装置的功率模块的电路和相应的控制方法；如第二实施例中也可采用第一实施例中电力变换装置的功率模块的电路和相应的控制方法。

如第二，第三实施例的系统可以在第一实施例的基础上添加，也可以利用第一实施例中的控制系统和能量存储系统；如第二实施例中的能量存储系统也可以在满足使用要求的情形下如第三实施例加以简化省略。

如电力变换装置的功率模块包括整流装置，DC/DC变换器和相关接口电路和必要的变压装置。

如电力变换装置的功率器件采用各种广泛使用的器件，包括但不限于功率晶体管GTR、金属-氧化物-半导体型场效应晶体管MOSFET、绝缘栅双极型晶体管IGBT和门极关断晶闸管GTO。

如控制器采用模拟控制器、数字控制器和模拟数字混合控制器，模拟控制器包括分立元件构成的模拟控制器或可编程模拟器件构成的控制器，数字控制器包括微处理器、单片机、DSP、CPLD和FPGA其中的一种；

如传感器采用电压传感器或电流传感器或机械传感器。

如储能装置为各种蓄电池、超级电容和飞轮。

如最终用电负载为电阻性负载或电感性负载或电容性负载或它们的组合。

虽然已经展示并描述了本实施例的压电式振动能量变换系统，其中，压电装置铺设于路面中或路面与路基之间，或直接作为路面结构组成部分，或采用分立压电元件埋设于路面中，用于将振动能量转换为电能，但应理解，利用压电效应来实现能量的回收，压电装置的安装可不限于图3、图8、图11所示位置和方式。压电装置也可安装于路面其他部位，比如水泥路面的横缝中或其它位置，并以串联或并联方式与路面连接。

虽然以上文已参照特定的实施例和本发明的例子描述了本发明，但本发明不限于以上描述的实施例。按照本发明的技术原理，本领域普通技术人员按照上述技术原理对上述实施例进行修改和变形均属于本发明的保护范围。

Claims (15)

1.一种利用公路系统振动能量压电发电的方法，其特征在于，将压电装置铺设于路面的减振层中，将经过车辆的振动能量进行收集并经过电力装置变换转换为电能，通过控制系统提供给道路灯具及其电能存储系统加以利用和存储。

2.如权利要求1所述的利用公路系统振动能量压电发电的方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：

a.在公路路面减振层中铺设至少一个压电装置，用于吸收行驶的车辆对公路路面减振层的振动能量，该压电装置中的压电材料作为工作介质，在压电效应作用下将振动能量转化成电能；

b.将压电装置产生的电能送至一个电力变换装置中，由该电力变换装置对电能进行调整和变换；

c.电力变换装置调整和变换后的电能供给储能装置或最终用电负载，进行电能的存储或利用。

3.如权利要求2所述的方法，其特征在于，所述的电力变换装置调整和变换后的电能由储能装置接收时，电力变换装置对储能装置的充电电压和电流进行控制；所述的电力变换装置调整和变换后的电能由最终用电负载接收时，电力变换装置对最终用电负载的供电电压和电流进行控制。

4.如权利要求2所述的方法，其特征在于，所述的电力变换装置对电能的调整和变换包括以下步骤：

1)整流过程，将压电材料产生的交流电变为直流电；

2)DC/DC变换过程，对步骤1)产生的直流电进行电压和电流变换。

5.如权利要求2所述的方法，其特征在于，所述的电力变换装置中含有以控制器为核心的控制模块，并安装检测路面车辆运动的传感器，由控制器执行控制策略，在利用公路振动能量发电的同时，对轨道振动进行半主动减振和降噪控制。

6.一种利用公路路面振动能量压电发电的道路灯具系统，其特征在于，该系统包括：

至少一个置于公路路面下方的压电装置，用于将振动能量转换为电能；

一个电力变换装置，由功率模块和控制模块组成，功率模块用于调整和转换压电装置产生的电能，并将电能用于储能装置或最终用电负载；控制模块通过对功率模块的功率元件进行控制，使振动能量转化成电能，并为储能装置存储或最终用电负载利用；

至少一个储能装置或道路灯具或其他路政用电负载，用于存储和利用电力变换装置调整后的电能；

上述压电装置与电力变换装置连接，电力变换装置分别与储能装置或道路灯具最终用电负载相连。

7.如权利要求6中所述的系统，其特征在于：所述压电装置铺设于路面内或直接用压电材料作为路面结构层；压电装置包含有压电元件；

所述的压电材料为压电水泥或压电沥青；

所述压电元件由单片或多层压电薄片组成，或采用积层式压电堆结构。

8.如权利要求6所述的系统，其特征在于，所述压电装置直接作为路面组成部分。

9.如权利要求7或8所述的系统，其特征在于：所述的压电装置中的压电元件包括压电陶瓷，铁电性压电材料，压电聚合物和压电复合材料其中之一或其组合。

10.如权利要求6所述的系统，其特征在于，所述电力变换装置的功率模块包括全桥整流装置和DC/DC变换器，全桥整流装置和压电元件的电能输出端子相连，用于将压电元件产生的交流电转换成直流电；DC/DC变换器和全桥整流装置连接，用于调整脉全桥整流装置输出的电压和电流；功率开关器件在DC/DC变换器中，用来执行控制信号传达的指令。

11.如权利要求6所述的系统，其特征在于，所述电力变换装置的控制模块包括：传感器、滤波电路、控制器和光电隔离电路；传感器置于压电装置和电力变换装置的功率模块上，用于获得控制器所需的信号；控制器通过滤波电路与传感器相连，获得传感器得到的信号，并输出控制信号；控制信号经光电隔离电路，送至功率模块的功率开关器件的控制端。

12.如权利要求6所述的系统，其特征在于，所述公路系统包括高速公路、普通公路和沿途桥梁、隧道以及机场跑道或其它专门用途路面；其路面类型包括刚性路面、半刚性路面、柔性路面等不同类型。

13.如权利要求6所述的系统，其中道路灯具包括道路用路灯、交通信号指示灯、道路标示灯具和路边灯箱广告、景观灯的一种或一种以上的组合；

14.如权利要求13所述的系统，其特征在于，所述的路灯的灯具包括外壳和灯管、逆变器及灯架，其灯管是节能的荧光灯或高压钠灯。

15.如权利要求13所述的系统，其特征在于，所述的交通信号指示灯和道路标示灯具采用新型的LED阵列式信号灯具，或采用传统的指示灯具。

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