CN202121523U - 基于压电悬臂梁和超级电容的轨道振动能量回收系统 - Google Patents

Abstract

基于压电悬臂梁和超级电容的轨道振动能量回收系统，属于能量回收技术领域。它解决了轨道振动能量由于不能回收利用而造成能量损失的问题。本实用新型由一组悬臂梁式压电振子和整流汇流储能电路组成，整流汇流储能电路由一组桥式整流器、齐纳二极管、第一超级电容和第二超级电容组成，每个悬臂梁式压电振子的首端固定于列车钢轨悬空段的轨道底面上，一组悬臂梁式压电振子在每段列车钢轨悬空段内均匀分布，每个悬臂梁式压电振子的两个引出电极对应连接一个桥式整流器的两个交流输入端。本实用新型用于轨道振动能量的回收。

Description

基于压电悬臂梁和超级电容的轨道振动能量回收系统

技术领域

本实用新型涉及一种基于压电悬臂梁和超级电容的轨道振动能量回收系统，属于能量回收技术领域。

背景技术

能源危机是当今世界最为关注的问题之一，各国科技工作者一直在努力寻找和开发新型能源来解决能源缺乏和使用传统能源时存在的问题，这其中，将工作和生活环境中的潜在能源加以利用也一直是一个热门课题。环境中潜在可用的能源有：太阳能、振动或噪声、温差等等，其中振动或噪声能几乎无处不在且具有较高的能量密度。以地铁系统为例，地铁在运行过程中产生很大的振动能量，并通过轮轨噪声向外界辐射，造成大量的能量损失。而随着经济社会的发展和人口的增长，地铁正逐步成为世界各国大中城市的主要交通工具，若能将地铁在运行过程中产生的振动能量回收利用，用于照明、行车信息和广告显示，则可达到节能环保及降低噪声之双重目的。

发明内容

本实用新型的目的是为了解决轨道振动能量由于不能回收利用而造成能量损失的问题，提供一种基于压电悬臂梁和超级电容的轨道振动能量回收系统。

本实用新型所述基于压电悬臂梁和超级电容的轨道振动能量回收系统，它由一组悬臂梁式压电振子和整流汇流储能电路组成，

整流汇流储能电路由一组桥式整流器、齐纳二极管、第一超级电容和第二超级电容组成，

每个桥式整流器的两个直流输出端均并联在齐纳二极管的两端，齐纳二极管的阴极端连接整流汇流储能电路的VCC端，齐纳二极管的阳极端连接整流汇流储能电路的GND端，第一超级电容的一端连接整流汇流储能电路的VCC端，第一超级电容的另一端连接第二超级电容的一端，第二超级电容的另一端连接整流汇流储能电路的GND端；

每个悬臂梁式压电振子的首端固定于列车钢轨悬空段的轨道底面上，一组悬臂梁式压电振子在每段列车钢轨悬空段内均匀分布，每个悬臂梁式压电振子的两个引出电极对应连接一个桥式整流器的两个交流输入端。

本实用新型的优点是：本实用新型针对轨道振动频率的特点，采用多个压电振子作为能量回收装置，并由于各压电振子谐振频率不尽相同，为实现高效汇集多个压电振子产生的电能，设计了多路整流汇流储能电路，它实现了对轨道振动能量的回收，本实用新型实现了将轨道车辆运行过程中产生的振动能量回收利用，可用于照明、行车信息和广告显示，达到了节能环保及降低噪声之双重目的。

本实用新型可作为以地铁为代表的轨道车辆轮轨振动能量回收系统。随着我国城市基础设施的不断完善，地铁必将更加普及，因此轮轨振动所导致的能量损耗将十分巨大。由于能量回收是节能环保的重要手段，因此本实用新型符合节能减排的重大战略要求，具有十分重要的现实意义和长远的经济乃至战略意义。

附图说明

图1为本实用新型的电路结构示意图；

图2为双晶悬臂梁式压电振子的结构示意图；

图3为悬臂梁式压电振子在轨道上的安装示意图；

图4为采用本实用新型进行驱动的储能型LCD显示电路图；

图5为采用本实用新型进行驱动的直接驱动型LED显示电路图；

图6为模拟轨道振动的振动装置示意图；

图7为悬臂梁式压电振子的有限元模型图。

具体实施方式

具体实施方式一：下面结合图1至图3说明本实施方式，本实施方式由一组悬臂梁式压电振子和整流汇流储能电路组成，

整流汇流储能电路由一组桥式整流器2-1、齐纳二极管2-2、第一超级电容C1和第二超级电容C2组成，

每个桥式整流器2-1的两个直流输出端均并联在齐纳二极管2-2的两端，齐纳二极管2-2的阴极端连接整流汇流储能电路的VCC端，齐纳二极管2-2的阳极端连接整流汇流储能电路的GND端，第一超级电容C1的一端连接整流汇流储能电路的VCC端，第一超级电容C1的另一端连接第二超级电容C2的一端，第二超级电容C2的另一端连接整流汇流储能电路的GND端；

每个悬臂梁式压电振子1的首端固定于列车钢轨悬空段的轨道底面上，一组悬臂梁式压电振子在每段列车钢轨悬空段内均匀分布，每个悬臂梁式压电振子1的两个引出电极对应连接一个桥式整流器2-1的两个交流输入端。

采用压电俘能技术能够将环境振动能转换成电能，本实施方式采用悬臂梁式压电振子1来实现将轨道振动能量转换成电能，实现了对轨道振动能量的回收。

以地铁为例，地铁轨道振动是列车运行时车轮与钢轨相互撞击产生的，该振动经钢轨传到轨道扣件和道床，再传递到隧道或高架桥梁和岩土，引发隧道附近地面及建筑物的振动，从而影响地面建筑物各项功能的正常使用。在振动的传播过程中，高频部分比低频部分衰减得快，振动的频率随距离而改变，水平向振动比铅垂向振动衰减得快。

由于地铁振动是横波、纵波、表面波合成的复杂波动现象，受各种复杂因素的影响，其振动机理、传播形态变化不定，因此只有通过对大量实测数据进行统计分析来考虑各种不同因素的综合影响。北京交通大学的刘卫丰教授针对地铁列车运行时引起的振动问题，提出了一个数值预测模型。

数值预测模型的建模过程及具体形式：

该模型根据移动荷载作用下的动力响应，把地铁列车运行引起的振动问题归结到计算频率-波数域内的传递函数和频域内移动轴荷载的问题上。传递函数采用三维周期性有限元-边界元耦合的数值模型来计算，移动轴荷载主要考虑为频域内轨道不平顺激励下简化的轮轨接触力，具体形式如下：

地铁列车运行可以看成一组移动轴荷载。设n个列车轴荷载沿y轴(水平)方向以速度v移动，其作用方向为z轴(垂直)方向，第k个移动轴荷载可以表示为用来确定荷载位置的Dirac函数和第k个轴荷载幅值g_k(t)的乘积，而n个列车轴荷载可以表示为：

$F_z(x,t)=\underset{k=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}\mathrm{\δ}(x-x_k)\mathrm{\δ}(y-y_k-\mathrm{vt})\·\mathrm{\δ}(z-z_k)g_k\left(t\right)e_z,$

式中{x_k，y_k，z_k}^T为第k个轴荷载的初始位置，{x_k，y_k+vt，z_k}^T为第k个轴荷载在t时刻的位置，e_z为z轴方向上的单位向量。在频域区，在n个移动轴荷载的作用下，轨道或地表的任意一拾振点在ξ在e_i(i＝x或y或z)方向上的位移可以表示为

${\widehat{\mathrm{\μ}}}_{i=}(\mathrm{\ξ},\mathrm{\ω})=\underset{-\∞}{\overset{\∞}{\∫}}{\hat{F}}_Z(X,\mathrm{\ω}){\hat{h}}_{\mathrm{zi}}(x,\mathrm{\ξ},\mathrm{\ω})\mathrm{dy},$

这是Duhamel积分在频域内的表示。式中，

为传递函数，表示在点x的e_i方向上施加单位荷载，而在点ξ的e_i方向上产生的位移。一个无限的周期性结构可以利用Floquet变换来分析。利用Floquet变换，上式可以写成：

${{\widehat{\mathrm{\μ}}}_i}^{~}(\mathrm{\ξ},k,\mathrm{\ω})=\frac{1}{2\mathrm{\π\ω}}\underset{k=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}\underset{-\∞}{\overset{\∞}{\∫}}{\hat{g}}_k\left({\mathrm{\ω}}^{\′}\right)\·\exp |+j|\frac{\mathrm{\ω}-{\mathrm{\ω}}^{\′}}{v}|y_k\·\underset{-L/2}{\overset{L/2}{\∫}}\exp |-j\left|\frac{\mathrm{\ω}-{\mathrm{\ω}}^{\′}}{v}\right|\stackrel{\‾}{y}|\·$

$\mathrm{zi}_{^~}(\stackrel{\←}{y},\stackrel{\←}{\mathrm{\ξ}},k,\mathrm{\ω})d\stackrel{\←}{y}d{\mathrm{\ω}}^{\′},$

从式中可以看出，只要计算出传递函数和移动轴荷载，那么任意一点的位移响应(振幅及频率)就可以得到。刘卫丰教授等利用此模型计算了北京地铁1号线东单站至建国门站区间地铁列车运行引起的振动响应。

刘卫丰教授等利用此模型计算了北京地铁1号线东单站至建国门站区间地铁列车运行引起的振动响应，结果表明：地铁钢轨的振动频率一般小于100Hz，在50-70Hz之间振幅最大。根据钢轨的振动频率特点，本实用新型对悬臂梁式压电振子进行了结构设计。由压电材料制成的压电俘能装置具有结构简单、不发热、无污染、易于加工制作等诸多优点。目前研究较多的结构形式有悬臂梁式和圆盘式，其中悬臂梁式能量转化效率高、谐振频率低，更容易在低频环境下产生谐振，俘获振动能量多，更符合地铁钢轨的振动频率特点，也易于在轨道系统中安装。因此，本实用新型采用悬臂梁式压电振子回收地铁钢轨的振动能量，在实际应用时，将悬臂梁式压电振子安装在钢轨的轨底。

具体实施方式二：下面结合图1说明本实施方式，本实施方式为对实施方式一的进一步说明，本实施方式所述每个桥式整流器2-1由四个整流二极管连接组成。

具体实施方式三：下面结合图2说明本实施方式，本实施方式为对实施方式一或二的进一步说明，本实施方式所述悬臂梁式压电振子为双晶悬臂梁式压电振子。

具体实施方式四：下面结合图2说明本实施方式，本实施方式为对实施方式三的进一步说明，本实施方式所述每个双晶悬臂梁式压电振子由弹性体1-1、上压电晶体1-2和下压电晶体1-3组成，上压电晶体1-2和下压电晶体1-3对称粘贴在弹性体1-1的上、下表面上，上压电晶体1-2的上表面镀有上层电极，下压电晶体1-3的下表面镀有下层电极，上层电极和下层电极连接在一起作为悬臂梁式压电振子1的一个引出电极，弹性体1-1作为该悬臂梁式压电振子1的另一个引出电极。

弹性体1-1为上压电晶体1-2和下压电晶体1-3的共用电极，弹性体1-1采用导电材料制成。

具体实施方式五：本实施方式为对实施方式四的进一步说明，上层电极和下层电极均为金属薄膜。

具体实施方式六：下面结合图2说明本实施方式，本实施方式为对实施方式四或五的进一步说明，所述每个双晶悬臂梁式压电振子还包括质量块1-4，质量块1-4固定连接于每个双晶悬臂梁式压电振子的末端。

研究表明，在双晶并联悬臂梁式压电振子末端增加质量块1-4可有效地降低双晶悬臂梁式压电振子的谐振频率，并提高输出功率。

具体实施方式七：本实施方式为对实施方式三、四、五或六的进一步说明，所述双晶悬臂梁式压电振子的弹性体1-1的材质为磷青铜，弹性体1-1的厚度为0.8mm。

具体实施方式八：本实施方式为对实施方式三、四、五、六或七的进一步说明，所述双晶悬臂梁式压电振子的杨氏模量E为113GPa。

具体实施方式九：本实施方式为对实施方式三、四、五、六、七或八的进一步说明，所述双晶悬臂梁式压电振子的泊松比μ为0.35。

具体实施方式十：下面结合图1到图7说明本实施方式，本实施方式为对实施方式三、四、五、六、七、八或九的进一步说明，所述双晶悬臂梁式压电振子的密度ρ为8920kg/m³。

本实用新型中选用双晶悬臂梁式压电振子来回收轨道振动能量，根据对压电振子的仿真分析结果，确定了压电振子的结构参数。由于单个压电振子输出功率相对较小，难以为通用显示电路供电，为此采用多个压电振子作为能量回收装置。由于各压电振子谐振频率不尽相同，综合考虑各路输出电压和相位不完全一致，直接将其并联会导致电中和，为实现高效汇集多个压电振子产生的电能，设计了整流汇流储能电路。为验证本实用新型系统的性能，设计了储能型LCD显示电路，如图4所示，实验结果表明：系统在频率60-70Hz范围内，储能和供电过程稳定，能够点亮液晶显示板。同时，对系统进行了直接驱动LED实验，如图5所示，结果表明：本实用新型系统可以持续点亮8个直径Φ为5mm的红色LED。可以看出，若保证压电振子的数量，优化系统设计并减小能量损耗，本实用新型系统能够实现用于地铁运行信息显示的目标。

实验结果表明，在相同激励下，双晶并联压电振子输出的电流明显高于单晶与双晶串联的输出电流，本实用新型选用了双晶并联悬臂梁式压电振子，并通过仿真分析确定了双晶悬臂梁式压电振子的结构参数如表1所示。

表1双晶并联悬臂梁式压电振子的基本参数

采用ANSYS建立悬臂梁式压电振子的有限元模型，其有限元模型如图7所示。

悬臂梁式压电振子的有限元模型的建立过程如下：

1.通过filename和title建立文件名

2.建立程序中所需变量，为变量赋值：

尺寸参数：

L＝60e-3      ！压电晶体长度

b＝20e-3      ！压电晶体宽度

h＝0.2e-3     ！压电晶体厚度

c＝0.15e-3    ！弹性体厚度

式中c＝0.15e-3即为c＝0.15×10^-3。

压电晶体参数：

rho 1＝7500    ！压电陶瓷密度PZT-5H

epsilon11＝1700！常应变相对介电常数[εs/ε0]

epsilon33＝1470！常应变相对介电常数[εs/ε0]

d31＝-274e-12  ！压电应变矩阵[d31]

d33＝593e-12   ！压电应变矩阵[d33]

d15＝741e-12   ！压电应变矩阵[d15]

se11＝16.5e-12 ！短路弹性柔顺系数矩阵[SE]

se12＝-4.78e-12

se13＝-8.45e-12

se33＝20.7e-12

se44＝43.5e-12

se66＝42.6e-12

3.利用et命令，定义单元类型，弹性体选用solid45单元，压电晶体选用solid5单元，质量块用质量单元mass21代替。

4.利用mp命令和tb命令定义各项参数，如密度，弹性模量，压电参数等。

5.利用block命令建模，并粘合为一个整体。

6.利用vatt命令赋予实体材料参数，其中双晶串联和并联时，赋予材料参数是不一致的。

进行网格划分：

7.在建立好的压电悬臂梁末端施加质量单元。

悬臂梁式压电振子在振动过程中将机械能转化为电能，而高效汇集、可靠存储并有效利用这些电能将有助于提高振动能量回收效率，增强本实用新型系统的实用性，这有赖于本实用新型的整流汇流储能电路的设计，及被驱动电路的设计。

整流汇流储能电路的设计：

虽然双晶悬臂梁式压电振子输出的功率较大，但在使用中仍难以为通用的显示电路供电，因此本实用新型采用了多个悬臂梁式压电振子来进行能量获取。由于各悬臂梁式压电振子谐振频率不尽相同，因此其各路的输出电压和相位也不会完全一致，如果直接将其并联的话会导致电中和问题。本实用新型设计了高效汇集多个压电振子产生的电能的整流汇流储能电路，采用该整流汇流储能电路经较长时间储能后，即可带动较大功率的通用显示电路。

图1所示，以4路为例对整流汇流储能电路的原理进行说明：

图1中，B1、B2、B3和B4为四个双晶悬臂梁式压电振子，D1～D4、D5～D8、D9～D12和D13～D16分别是每个双晶悬臂梁式压电振子对应的桥式整流器，四个桥式整流器输出的电压设为V1、V2、V3和V4，D1～D16选用导通压降小、反向电流小的管子1N60。四个整流器的输出直接并联后，对第一超级电容C1和第二超级电容C2进行充电，齐纳二极管2-2D17用于保护第一超级电容C1和第二超级电容C2，使两个超级电容充电后的电容电压Uc不会超过4.7V。超级电容是一种能量存储元件，其理论上的充放电能力为无限次，实际可达数十万次，可连续运行20年以上，大大提高储能的可靠性。

在充电过程中，由于第一超级电容C1和第二超级电容C2的容量很大，故Uc短时间内可认为不变。当V1～V4中任一电压高于Uc时，对应的整流器就会导通，形成充电电流，将振动能量存储入第一超级电容C1和第二超级电容C2中。由于4个整流器可以在不同的时间开启，且可防止电流反向流动，因此尽管各双晶悬臂梁式压电振子输出的电压和相位不同，依然能够实现多个双晶悬臂梁式压电振子向一组储能元件的汇流储能功能。

储能型LCD显示电路的设计：

为了验证整流汇流储能电路的性能，设计了储能型LCD显示电路，如图4所示。

图4所示，LCD模块为通用1602型，由AVR低功耗单片机ATtiny24V驱动。其中单片机的PC3-PC0为数据总线，接LCD模块的D7-D4端，单片机的PC4-PC6为控制总线，分别连接LCD模块的RS、RW和E端，即LCD模块工作于4位数据总线模式。由于超级电容在放电过程中的电压不断降低，因此必须采用升压电路维持单片机和LCD模块的正常工作。升压芯片采用了升压集成电路MAX1674，与电感L1、电容C3、C4和C5共同构成一个0.9V启动，5V输出的高效升压器(可达93％)输出电流高达300mA。单片机的PC7配置为ADC(模数转换)端口，其作用是测量第一超级电容C1和第二超级电容C2的当前电压，并用百分比的形式显示当前的储能电量。电阻R1和电容C6形成低通滤波器，将第一超级电容C1和第二超级电容C2的电压引至单片机的PC7端，经单片机片内AD转换后计算出当前剩余电量的百分比。

直接驱动型发光二极管(LED)显示电路的设计：

多片悬臂梁式压电振子的输出功率虽然不能直接驱动上述单片机和LCD模块构成的显示电路，但可以驱动发光二极管LED，直接将振动能量转化为电能，用于地铁运行信息的指示。由于悬臂梁式压电振子为高阻抗元件，而LED为低阻抗元件，故必须在两者之间加装阻抗变换电路。综合分析变压器、线性稳压电源和开关型稳压电源的特点和阻抗变换性质，针对本实用新型中悬臂梁式压电振子微功率输出和LED直流工作的属性，直接驱动型发光二极管(LED)显示电路采用开关型稳压电源的原理来实现压电振子组和LED之间的阻抗变换。由于压电振子组的输出功率较小，为将尽可能多的功率传递给LED，必须采用低耗能元件构建阻抗变换电路。由于分立元件的功耗较高，由其构成的阻抗变换器本身将消耗过多功率，影响最终的能量转化效率，因此应采用专用集成电路来构成开关型稳压电路。经对比各半导体厂商的相关产品手册，本显示电路选用美信公司(MAXIM)出品的低功耗DC-DC降压型开关电源集成电路MAX1920。

MAX1920的输入电压范围为2～5.5V，通过一个电阻分压器可在1.25～4V之间设定输出电压(输出电压必须低于输入电压)，这个输出电压范围包括了常见LED的开启电压范围。电阻分压器的输出电压为1.6V左右(此电压为普通红色LED的开启电压)时，其转换效率可高于80％。MAX1920能够输出400mA电流，如果输入功率足够，至少可驱动10个普通Φ5mm红色LED，已可达到本实用新型的发明目的。图5所示，给出了用悬臂梁式压电振子组驱动LED的电原理图，压电振子1～n经过独立整流和汇流后，经电容C7滤波后成为直流，Dz为4.7V齐纳二极管，用于在负载LED开路情况下保护MAX1920不被高压击穿。

输出电压加在MAX1920的IN和AGND脚之间后，MAX1920内部振荡器产生的PWM信号驱动内部开关晶体管动作，将脉动电压加在MAX1920的LX和PGND脚之间，经电感L和电容C8后成为稳定直流。电位器VR用于调节输出电压，相当于人工设定负载LED的工作点，可带动多个LED。

图5所示的压电振子驱动LED电路十分简洁，不但能在实验中取得良好效果，而且便于未来商业化的实现。

振动装置的设计：

由于地铁钢轨的振动主要是垂向振动，根据地铁钢轨的振动情况和本实用新型的实验要求，设计了一个电动式激振原理的振动装置，装置示意图如图6所示。图中A为钢管，B为铝合金板，C为弹簧，D为电动式激振装置。

对本实用新型的系统测试及性能分析：

本实用新型的工作原理是：压电振子在振动过程中将地铁运行时的机械振动转化为电能，这些电能经整流汇流后既可以存储在超级电容中，以备需要时放电，也可以直接带动小功率设备直接工作，如直接点亮LED用于指示地铁运行信息。

悬臂梁式压电振子的制作及测试：

本实验中选用的双晶悬臂梁式压电振子的弹性体1-1采用磷青铜加工而成，然后对其进行热处理，让其自然冷却后，用砂纸去除磷青铜表面的氧化膜。同时用丙酮溶液清洗上压电晶体1-2和下压电晶体1-3和制作好的弹性体1-1表面的灰尘、油污等污迹。将上压电晶体1-2、下压电晶体1-3和弹性体1-1采用配置好的导电胶粘接，并引出电极。为了减小各压电振子之间的差异，压电振子的粘接过程要求较高，粘接过程中不能损坏压电晶体及其表面镀银电极。为了避免由于烘干带来的温度影响，导电胶需采取自然凝固。在保证粘接良好的情况下，粘接层越薄越好，若太厚可能引起不导电的现象。

为了避免由于烘干带来的温度影响，导电胶需采取自然凝固。在保证粘接良好的情况下，粘接层越薄越好，若太厚可能引起不导电的现象。

使用PSV-400-m2激光测振仪对悬臂梁压电振子进行扫频测试，实验测得的多悬臂梁压电振子谐振频率的变化范围为56～72Hz，与有限元仿真分析结果基本吻合，符合地铁钢轨的振动频率特点。

通过实验从两个方面测试了本实用新型系统的性能，一、能量存储性能：采用实验中设计的振动装置测试本实用新型系统的振动储能能力，将压电振子产生的交变电流经独立整流和汇流后向超级电容充电，达到一定电压后，经升压后驱动5V的单片机和液晶显示模块，同时以数字形式直观显示当前剩余电量；二、能量供给性能：将压电振子产生的电压和电流进行阻抗变换，使其输出阻抗与LED的输入阻抗相匹配，从而对LED进行供能点亮。

储能性能分析结果表明：①本实用新型系统在频率60-70Hz范围内储能和供电过程稳定，成功点亮了液晶显示板。但由于压电振子的数量较少，储能及供能的速度还不够快。②超级电容容量越大，充电过程越长，同时放电过程也长，应根据需要选用适宜的容量。③放电功率大于充电功率，因此压电振子不能直接带动单片机和液晶显示模块工作。

供能性能分析结果表明：①驱动LED持续点亮的关键点是阻抗匹配。②压电振子组和匹配电路性能良好，最多可持续点亮8个Φ5红色LED。③测试过程中，必须时刻保持或接近压电振子的机械谐振状态。④阻抗变换电路本身需要消耗一部分能量，若能减小能量消耗，则可进一步提高转换效率，点亮更多的LED。

本实用新型采用多个悬臂梁式压电振子将铁轨的振动噪声转化成电能，经整流和汇流后存储于大容量的超级电容中，可直接为发光二极管供电。

①本实用新型采用多个悬臂梁式压电振子同时进行能量转换，输出功率增大，提高了能量回收效果；

②多路独立的整流和汇流技术，不需考虑各路电压间的幅度和相位问题；

③采用超级电容进行存储汇集，使系统能够在短时间内驱动较大功率的用电设备；

④超级电容具有无限次充放电能力，系统能够在无人值守条件下长期连续运行。

本实用新型可作为以地铁为代表的轨道车辆的轮轨噪声能量回收系统。随着城市基础设施的不断完善，地铁必将更加普及，因此轮轨噪声所导致的能量损耗将十分巨大。由于能量回收是节能环保的重要手段，因此本实用新型符合我国节能减排重大战略的要求，具有十分重要的现实意义和长远的经济乃至战略意义。

本实用新型不局限于上述实施方式，还可以是上述各实施方式中所述技术特征的合理组合。

Claims (10)

1.一种基于压电悬臂梁和超级电容的轨道振动能量回收系统，其特征在于：它由一组悬臂梁式压电振子和整流汇流储能电路组成，

整流汇流储能电路由一组桥式整流器(2-1)、齐纳二极管(2-2)、第一超级电容(C1)和第二超级电容(C2)组成，

每个桥式整流器(2-1)的两个直流输出端均并联在齐纳二极管(2-2)的两端，齐纳二极管(2-2)的阴极端连接整流汇流储能电路的VCC端，齐纳二极管(2-2)的阳极端连接整流汇流储能电路的GND端，第一超级电容(C1)的一端连接整流汇流储能电路的VCC端，第一超级电容(C1)的另一端连接第二超级电容(C2)的一端，第二超级电容(C2)的另一端连接整流汇流储能电路的GND端；

每个悬臂梁式压电振子(1)的首端固定于列车钢轨悬空段的轨道底面上，一组悬臂梁式压电振子在每段列车钢轨悬空段内均匀分布，每个悬臂梁式压电振子(1)的两个引出电极对应连接一个桥式整流器(2-1)的两个交流输入端。

2.根据权利要求1所述的基于压电悬臂梁和超级电容的轨道振动能量回收系统，其特征在于：所述每个桥式整流器(2-1)由四个整流二极管连接组成。

3.根据权利要求1或2所述的基于压电悬臂梁和超级电容的轨道振动能量回收系统，其特征在于：所述悬臂梁式压电振子为双晶悬臂梁式压电振子。

4.根据权利要求3所述的基于压电悬臂梁和超级电容的轨道振动能量回收系统，其特征在于：所述每个双晶悬臂梁式压电振子由弹性体(1-1)、上压电晶体(1-2)和下压电晶体(1-3)组成，上压电晶体(1-2)和下压电晶体(1-3)对称粘贴在弹性体(1-1)的上、下表面上，上压电晶体(1-2)的上表面镀有上层电极，下压电晶体(1-3)的下表面镀有下层电极，上层电极和下层电极连接在一起作为悬臂梁式压电振子(1)的一个引出电极，弹性体(1-1)作为该悬臂梁式压电振子(1)的另一个引出电极。

5.根据权利要求4所述的基于压电悬臂梁和超级电容的轨道振动能量回收系统，其特征在于：上层电极和下层电极均为金属薄膜。

6.根据权利要求4所述的基于压电悬臂梁和超级电容的轨道振动能量回收系统，其特征在于：所述每个双晶悬臂梁式压电振子还包括质量块(1-4)，质量块(1-4)固定连接于每个双晶悬臂梁式压电振子的末端。

7.根据权利要求4所述的基于压电悬臂梁和超级电容的轨道振动能量回收系统，其特征在于：所述双晶悬臂梁式压电振子的弹性体(1-1)的材质为磷青铜，弹性体(1-1)的厚度为0.8mm。

8.根据权利要求4所述的基于压电悬臂梁和超级电容的轨道振动能量回收系统，其特征在于：所述双晶悬臂梁式压电振子的杨氏模量E为113GPa。

9.根据权利要求4所述的基于压电悬臂梁和超级电容的轨道振动能量回收系统，其特征在于：所述双晶悬臂梁式压电振子的泊松比μ为0.35。

10.根据权利要求4所述的基于压电悬臂梁和超级电容的轨道振动能量回收系统，其特征在于：所述双晶悬臂梁式压电振子的密度ρ为8920kg/m³。

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