CN203149041U - 行车荷载路面振动能量压电发电测量系统 - Google Patents
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Abstract
本实用新型公开了一种行车荷载作用下路面振动能量压电发电的测量系统，该测量系统包括设置于路面的压电换能单元、控制总模块和测量总模块，所述压电换能单元将路面振动能转化为电能；由控制总模块对行驶车辆进行速度调整和载重施加，并对输出电功率进行电参数调整；由测量总模块对车辆的速度和载重、路面的应力和变形、压电换能单元所俘获的交流电的电流和电压以及变换后的电压和电流进行测量；所产生的电能可作为一种电力供应加以存储和利用。通过上述方式，本实用新型能够为系统研究路面压电俘能技术的机理、技术的应用和推广提供了条件，具有较高的学术价值和社会价值。
Description
技术领域
本实用新型涉及环境能量俘获领域，特别是涉及一种行车荷载路面振动能量压电发电测量系统。
背景技术
随着对能量使用效率及对环境清洁和保护要求的不断提高，开发环保无污染的新型能源越来越成为热门课题之一。行驶的车辆不可避免的给路面带来压力和冲击，引起路面内部纵横两方面的应变和应力，所产生的能量既产生振动、噪音，严重影响路面寿命和周围环境。为了将这部分能量回收利用，一些系统和方法已经被开发出。这其中利用压电材料的正压电效应所开发的压电发电装置，具有俘能效率高、能量密度大、工作可靠、适应性强、无污染、成本低等突出优点，从环境振动或噪声中提取能量的性能最好，成为一种行之有效的好方法，受到了广泛的重视。
中国专利CN2591264Y，公布了一种路面压电式发电装置。该实用新型包括路面覆盖板、其下方凹坑、坑内纵横梁和贴于其上的含有多层叠合压电片的压电发电装置。当车辆驶过路面覆盖板时，覆盖板产生的压力使梁上的压电片发生变形，从而获得电能。这一专利思路非常科学，然而此专利所保护的技术没能将发电装置与路面结构有机的结合起来，安装时将会对路面路基结构造成很到的破坏，使得该系统既无法连续铺设，也有一定的安全隐患。
中国专利CN 200510041604.1公布了一种利用公路系统振动能量压电发电的方法及其系统。该专利将压电装置铺设于路面内或直接用压电材料作为路面的组成部分，利用振动产生电能，并作为电力供应加以储存和利用。该专利将压电发电装置与路面结构有机地结合，方便了施工和改造。
由此可见，对收集车辆行驶路面振动能量的压电发电方法和系统已经有很多的资料可参考。但有关对车辆-路面-压电俘能单元所构成的整体系统进行测量的方法和装置，还没有相关的资料可参考。因此，本专利提出了构建行车荷载路面振动能量压电发电测量系统和方法。
实用新型内容
本实用新型主要解决的技术问题是提供一种行车荷载路面振动能量压电发电测量系统，能够为系统研究路面压电俘能技术的机理、技术的应用和推广提供了条件，具有较高的学术价值和社会价值。
为解决上述技术问题，本实用新型采用的一个技术方案是：提供一种行车荷载作用下路面振动能量压电发电的测量系统，该测量系统包括设置于路面的压电换能单元、控制总模块和测量总模块，所述压电换能单元将路面振动能转化为电能；由控制总模块对行驶车辆进行速度调整和载重施加，并对输出电功率进行电参数调整；由测量总模块对车辆的速度和载重、路面的应力和变形、压电换能单元所俘获的交流电的电流和电压以及变换后的电压和电流进行测量；所产生的电能可作为一种电力供应加以存储和利用。
优选的是，所述的控制总模块包括车辆控制子模块和电功率控制子模块，由变速电机、载重物以及功率元件构成。变速电机用于控制车辆的行驶速度，载重物用于对车辆进行配重，功率元件则可调整最终输出的电能。
优选的是，所述的测量总模块包括车辆测量子模块、路面测量子模块和电参数测量子模块，由速度、力和位移传感器，以及示波器和万用表构成；速度传感器用于测量车辆的实际行驶速度，力传感器用于测量车辆行驶时的载重和路面的应力，位移传感器用于测量路面的变形量，示波器用于测量压电俘能单元所产生的交流电的电压和电流，万用表用于测量电力变换模块转换后的直流电的电流和电压。
本实用新型的有益效果是：本实用新型一种行车荷载路面振动能量压电发电测量系统具有以下优点：
1）、本系统结构简单、应用广泛，可用于多种压电俘能器、车辆、路面；
2）、本方法和系统可用于单独测量压电俘能器的压电性能；
3）、本方法亦适用于对路面的监控和检测。
附图说明
图1是本实用新型一种行车荷载路面振动能量压电发电测量系统的结构示意图；
图2是本实用新型一种行车荷载路面振动能量压电发电测量系统的控制总模块的功能构成图；
图3是本实用新型一种行车荷载路面振动能量压电发电测量系统的测量总模块的功能构成图；
图4是本实用新型一种行车荷载路面振动能量压电发电测量系统的单个压电俘能器结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本实用新型的较佳实施例进行详细阐述，以使本实用新型的优点和特征能更易于被本领域技术人员理解，从而对本实用新型的保护范围做出更为清楚明确的界定。
请参阅图1至图4，本实用新型实施例包括：
行车荷载路面振动能量压电发电测量系统，该测量系统包括设置于路面的压电换能单元、控制总模块和测量总模块，
控制总模块包括车辆控制子模块和电功率控制子模块，由变速电机、载重物以及功率元件构成。变速电机用于控制车辆的行驶速度，载重物用于对车辆进行配重，功率元件则可调整最终输出的电能。
测量总模块包括车辆测量子模块、路面测量子模块和电参数测量子模块，由速度、力和位移传感器，以及示波器和万用表构成；速度传感器用于测量车辆的实际行驶速度，力传感器用于测量车辆行驶时的载重和路面的应力，位移传感器用于测量路面的变形量，示波器用于测量压电俘能单元所产生的交流电的电压和电流，万用表用于测量电力变换模块转换后的直流电的电流和电压。电力变换包含整流器和DC/DC变换器，调整和变换步骤包括：
a. 整流过程，将压电俘能单元产生的交流电转变为直流电；
b. DC/DC变换过程，对上述步骤a产生的直流电进行电压和电流的变换。
压电换能单元将路面振动能转化为电能；由控制总模块对行驶车辆进行速度调整和载重施加，并对输出电功率进行电参数调整；由测量总模块对车辆的速度和载重、路面的应力和变形、压电换能单元所俘获的交流电的电流和电压以及变换后的电压和电流进行测量；所产生的电能可作为一种电力供应加以存储和利用。
一种行车荷载作用下路面振动能量压电发电的测量方法，其特征在于：包括以下步骤：
A. 在路面中置入至少一个压电俘能单元，用于接收车辆行驶所产生的路面振动能量，该压电俘能单元以压电材料作为工作介质，并利用正压电效应将振动能量转化成电能；所述压电俘能单元包括压电换能器及其中间填充物，多个压电俘能器纵横阵列，用填充物黏结在一起，形成可俘获大面积路面振动能的换能单元；
所述每个压电换能器有2片电极（1），分别通过环氧树脂粘接层（2）粘接在压电陶瓷片（3）的上下，引线和电极间通过焊接或导电胶连接；
所述压电陶瓷片可以是单片也可以是多层压电薄片组成，包括层积式压电叠堆；
所述压电俘能单元内各个压电俘能器之间通过引线进行串/并联连接。每个压电换能器通过引线与调整器和DC/DC变换器在电学上进行串联连接，经过调整和变换后的电能可通过串联或并联的方式接入储能装置或最终用户。
B. 将压电俘能单元产生的电能送至一个调整器和变换器中，对电力进行调整和变换；
C. 经调整和变换后的电能由储能装置或最终用户使用端接收，并对电能进行存储或利用。
实施例的技术路线是：在车辆的作用下，路面内部产生应变和应力，引起埋设其内部的压电俘能单元的压电效应，产生电能。车辆的速度和载重分别由控制总模块下的速度控制子模块和载重控制子模块控制，而车辆实际的速度和载重量则由测量总模块下的速度和重量测量子模块分别测量，路面内部的变形和应力则由测量总模块下的应变和应力测量子模块分别测量。在车辆不同的速度和载重作用下，置于路面内部的压电俘能单元亦产生不同大小的电能。所产生电的电压和电流大小由测量总模块中的电压和电流测量子模块分别进行测量。此时所产生的电为交流电。由于压电俘能单元所产生的为高电压、小电流的交流电，不能直接使用，需要先将所产生的电能降压和稳压处理。因此，所产生的电与电力变换环节相连，进行整流和变换。
电力变换装置对电能的调整和变换包括以下步骤：1）利用整流器，将压电材料产生的交流电变为直流电；2）利用DC/DC变换器，对整流过程产生的直流电进行电压和电流交换。
在本实例中,采用了全桥整流器和压电俘能单元的电能输出端子相连，用于将压电俘能单元的交流电转换成直流电；DC/DC变换器和全桥整流器连接，用于调整全桥整流器输出的电压和电流。
功率控制子模块与DC/DC变换器相连，采用功率控制开关器件，来执行控制信号指令的传达，并分别用电流和电压传感器来采集DC/DC变换器输出端的电压和电流信号，以PWM形式向储能装置或最终用户端输出。
本实用新型一种行车荷载路面振动能量压电发电测量系统具有以下优点：
1）、本系统结构简单、应用广泛，可用于多种压电俘能器、车辆、路面；
2）、本方法和系统可用于单独测量压电俘能器的压电性能；
3）、本方法亦适用于对路面的监控和检测。
以上所述仅为本实用新型的实施例，并非因此限制本实用新型的专利范围，凡是利用本实用新型说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本实用新型的专利保护范围内。
Claims (3)
1.一种行车荷载作用下路面振动能量压电发电的测量系统，其特征在于：该测量系统包括设置于路面的压电换能单元、控制总模块和测量总模块，所述压电换能单元将路面振动能转化为电能；由控制总模块对行驶车辆进行速度调整和载重施加，并对输出电功率进行电参数调整；由测量总模块对车辆的速度和载重、路面的应力和变形、压电换能单元所俘获的交流电的电流和电压以及变换后的电压和电流进行测量；所产生的电能可作为一种电力供应加以存储和利用。
2.根据权利要求1所述的行车荷载作用下路面振动能量压电发电的测量系统，其特征在于：所述的控制总模块包括车辆控制子模块和电功率控制子模块，由变速电机、载重物以及功率元件构成，变速电机用于控制车辆的行驶速度，载重物用于对车辆进行配重，功率元件则可调整最终输出的电能。
3.根据权利要求1所述的行车荷载作用下路面振动能量压电发电的测量系统，其特征在于：所述的测量总模块包括车辆测量子模块、路面测量子模块和电参数测量子模块，由速度、力和位移传感器，以及示波器和万用表构成；速度传感器用于测量车辆的实际行驶速度，力传感器用于测量车辆行驶时的载重和路面的应力，位移传感器用于测量路面的变形量，示波器用于测量压电俘能单元所产生的交流电的电压和电流，万用表用于测量电力变换模块转换后的直流电的电流和电压。
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| CN103091566A (zh) * | 2013-02-03 | 2013-05-08 | 苏州市职业大学 | 行车荷载路面振动能量压电发电测量系统 |
| CN103116133A (zh) * | 2013-02-03 | 2013-05-22 | 苏州市职业大学 | 行车荷载路面振动能量压电发电测量方法及其系统 |
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2013
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