CN206211878U - 基于压电效应的道路振动能量收集系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型是一种基于压电效应的道路振动能量收集系统，该道路振动能量收集系统包括圆柱形的外壳(4)，以及装在外壳(4)中的压电发电装置、储能装置和转化装置，其中：压电发电装置中的双晶型压电振子通过压电单元之间的不同组合利用压电效应使路面上存在的机械能转化成电能；利用经过整流电路后，将电量可传到用电器直接利用或储存在电容之中；利用转化装置的A/D转化模块将系统中的电信号转化为数字信号，可在显示屏中直接显示出来各种数据，方便维护和调节。本实用新型以振动能量收集发电为基础，以自动压电效应为方法，对一向不被利用的路基振动能源进行收集和利用，对节能减排和绿色能源存在着至关重要的意义。

Description

基于压电效应的道路振动能量收集系统

技术领域

本实用新型是一种基于压电效应的新型道路振动能量收集系统。

背景技术

伴随着能源消费的持续增长和能源资源分布集中度的日益增大，对能源资源的争夺将日趋激烈，争夺的方式也更加复杂。同时，化石能源对环境的污染和全球气候的影响将日趋严重。面对能源挑战，只有调整国家能源结构，大力发展新能源与可再生能源，注重对已有能源的回收利用，才能保证我国能源供应安全，促进战略性新兴产业发展，实现能源与经济、社会、环境的协调发展与可持续发展。在交通流量网日益壮大的今天，如何把车辆在道路行驶中散失的能量收集并加以利用，已经成为能源回收利用的一个崭新突破点，日益受到各国科学家的重视。

目前常用的收集道路能量的方法是基于压电效应的，利用压电材料的压电效应将由于冲击和振动产生的机械能通过压电振子向电能转化，使输出功率能够满足使用要求。利用道路能量收集装置可具有一系列优点，如能量密度高，可以直接产生合适的电压，无需施加起始电压，结构设计无限制，无电磁干扰等。基于这些优点，此项技术得到迅速发展。同济大学的道路与交通工程教育部重点实验室，研究了基于压电效应的沥青路面能量收集技术的可行性和换能效率，试验验证了压电式路面能量收集技术方案的可行性。以色列的一家公司于2008年宣布研制出了基于压电换能器的路面能量收集系统(IPEGTM)。DavidAlexander等利用THUNDER型压电装置进行研究，并把它铺设在路面上来收集行人产生的振动能量。

发明内容

本实用新型要解决的技术问题是：针对现有技术存在的一些缺陷，提供一种耐用且转化率较高的基于压电效应的道路振动能量收集系统。

本实用新型为解决上述技术问题所采用的技术方案是：

本实用新型提供的基于压电效应的道路振动能量收集系统，其包括圆柱形的外壳，以及装在外壳中的压电发电装置、储能装置和转化装置。

所述的压电发电装置，由多个压电单元组成，各个压电单元之间通过串联的方式用导线相连；每个压电单元又由多个双晶型压电振子通过串并联的方式组成。

所述的双晶型压电振子，由两块PZT陶瓷上下对称分布于由磷青铜制作而成的基板上，其夹持在外壳内的固定端与外壳内的中心的柱芯之间，固定端与柱芯直接与基板相连，双晶型压电振子对称分布在柱芯的左右两侧。

所述的柱芯，与固定端相配合；在外加载荷作用下，柱芯产生上下运动，进而配合固定端构成悬臂梁结构。

在位于柱芯与外壳底面之间设有恢复弹簧，该恢复弹簧中间装有保护销。

所述的储能装置，由多个电容组成，其装在压电发电装置的串联压电单元的末端，其拥有两个输出端口和一个与压电发电装置的串联的压电振子相连的输入端口，两个输出端口分别与储存电量的电容和用电器相连。

所述的转化装置，由A/D转化模块组成，其装在储能装置的输出端口处。

本实用新型与现有技术相比具有以下的主要有益效果：

1.压电单元整体设计为圆柱体，目的是让其中的压电振子变形均匀，使产生的电流更加稳定。其中的弹簧是重要的激励装置之一，在保证压电振子不损坏的前提下，能够尽可能地增大压电振子的变形程度以及振动频率，压电振子及压电单元的连接均采用串并联结合的方法，以尽可能提高发电效率和减少电量的损耗。每个压电单元中装有保护销，可防止过度的形变对压电振子造成永久性的损坏。

2.传统的踩踏式压电效应发电装置通过外力使压电振子产生形变，当外力超过压电振子的承受范围时，会使压电振子产生永久性的损害，导致整个系统失去作用。本系统则添加了安全销，使每次振动都会让压电振子产生最大程度的形变而不至于对压电振子产生损害。提高发电效率的同时也保护了整个装置，延长使用寿命。

3.实验证明，串联方式可以提高电流，并联的方式可以提高电压。通过更加合理的电路设计，可使本系统产生更加稳定有效的电压和电流，减少电路中电能的损耗，从而提高发电效率。

4.传统的路基能源发电装置将系统深埋于地下，沥青混凝土在一定程度上会产生变形，这样会使路面下的沥青、水泥、石料等对装置产生破坏，深埋于地下得到的振动能量也会大大减小，具体是压电元件很容易被石料直接接触，石料的棱角接触到压电元件时极易产生应力集中而使压电元件在路面施工压实过程中被损坏甚至失效。本系统在发电装置与路面减速带相结合，一方面放大了装置受到的激励，使本系统更贴合于实际。更重要的是，避免了压电单元直接与地质层接触，从而达到保护本系统的作用。也便于定期的检修与维护。

附图说明

图1为本实用新型的单个压电单元的结构示意图。

图2为本实用新型的工作原理方框示意图。

图中：1.双晶型压电振子，2.外固定端，3.柱芯，4.外壳，5.恢复弹簧，6.保护销。

具体实施方式

下面结合实施例及附图对本实用新型作进一步描述，但不限定本实用新型。

本实用新型提供的基于压电效应的道路振动能量收集系统，是一种与马路上一般路面减速带相结合的转化率较高的振动能量收集系统。传统的减速带只起到减速的作用，汽车碾压时产生的能量没有得到回收，本系统可有效的收集汽车碾压时产生的机械能有效的转化成电能，该电能可直接给附近用电器供电或将产生电量储存，也可并入电网。

本实用新型提供的基于压电效应的道路振动能量收集系统，其结构如图1和图2所示，包括圆柱形的外壳4，以及装在外壳4中的压电发电装置、储能装置和转化装置。

所述的压电发电装置，由多个压电单元组成，各个压电单元之间通过串联的方式用导线相连。如图1所示，每个压电单元又由多个双晶型压电振子1通过串并联的方式组成，本实施例给出了6个压电振子。在汽车从路面减速带上经过时，汽车本身的重力会使路面减速带受力，路面减速带下的恢复弹簧5就会产生形变，从而带动压电振子形变，压电振子形变后所产生的杂乱的交流电经过整流电路转变为稳定的电流后传送到储能装置中储存起来，积攒到一定电量后通过导线给用电器供电。所述整流电路由变压器、整流二极管、负载电阻组成。

所述的双晶型压电振子1由基板、两块压电陶瓷片(PZT陶瓷片)构成，其夹持在外壳4内的固定端2与外壳4内的中心的柱芯3之间，压电振子通过PZT陶瓷片的不同组合利用压电效应使路面上存在的机械能转化成电能，该电能经过整流电路后，将电能可传到用电器直接利用或储存在电容之中。

所述的双晶型压电振子1，具有更好的发电效率和耐用度。其分为压电陶瓷晶片和基板，基板用磷青铜做成，能达到更好的形变要求和强度要求。

采用多个双晶型压电振子(本实施例给出了6个)上下均匀分布的方式，将6个压电振子同时固定在内外固定端之间，提高单次挤压下受压迫振子的数目，从而提高发电效率。

由多个双晶型压电振子组成一个发电单元，传统的一个压电振子作为一个发电单元，在电路当中电量损失严重，发电效率也不高，本系统通过将6个压电振子通过串并联结合的方式组成一个单个的发电单元，再将发电单元之间通过导线相连接，提高了发电效率，减少了电量损失，也方便于检修维护。

所述的固定端2，与地面相连，中间固定压电振子，固定端2直接与基板相连，通过基板的形变，带动pzt陶瓷产生形变，使压电振子达到悬臂梁的效果，产生最大程度的形变。

所述的柱芯3，与固定端2相配合，作为形变的发起端，能够在外加载荷作用下，产生上下运动，进而配合固定端2构成悬臂梁结构。

所述的外壳4，在不影响本来的路面减速带作用的情况下起到最大的保护作用。

所述恢复弹簧5，位于柱芯3与外壳4底面之间，柱芯3用来保护压电振子不受损坏。该恢复弹簧5中间装有保护销6，可在恢复弹簧5产生形变的同时保护压电振子不会受到过大的形变后而产生永久的损坏。利用恢复弹簧5产生形变和及时的恢复，将路基振动能源转化为电量。恢复弹簧5可在形变达到最大时快速有效的恢复到最初位置。

所述的保护销6，其置放在压电片的最大形变位置，使压电片不会因为过度的冲击而导致无法使用，导致整个压电单元失效。

所述的储能装置，由多个电容组成，其装在串联压电单元的末端，其将路基振动产生的能量通过压电发电装置转化为电能储存在电容当中。在有电量产生时可直接输出到用电器，在没有电量产生时也可用之前储存的电能。该储能装置拥有两个输出端口和一个与串联的压电振子相连的输入端口，两个输出端口分别与储存电量的电容和用电器相连。

所述的转化装置，由A/D转化模块组成，其装在储能装置的输出端口处，其利用A/D转化模块可直接将由路基能源发出的电信号转化为数字信号，可在显示屏中直接显示出来各种数据(电流，电压，以及累计发电量)，便于监测与维护。在实际使用当中，为了减少无谓的电量损耗，也可不安装此转化装置，实验过程中，为了更清晰的掌握发电量，此转化装置具有一定意义。

所述A/D转化模块，如图2所示，由市场上购买，例如采用PCF8591。

本实用新型还设有显示器，用于显示电流，电压，以及累计发电量，其通过A/D转化模块来实现。

本实用新型装置与路面减速带相结合，充分发挥减速带的作用。

本实用新型提供的基于压电效应的道路振动能量收集系统，其工作过程是：外加载荷作用于压电单元，柱芯3，与固定端2产生上下运动，恢复弹簧5可在形变达到最大时快速有效的将压电振子恢复到最初位置，从而可以使过程往复循环；压电振子形变后所产生的杂乱的交流电经过整流电路转变为稳定的电流后传送到储能装置的电容中；A/D转化模块与储能装置的输出端口相连，将由路基能源发出的电信号转化为数字信号，在显示屏中直接显示出电流，电压，以及累计发电量。

Claims (4)

1.一种基于压电效应的道路振动能量收集系统，其特征是包括圆柱形的外壳（4），以及装在外壳（4）中的压电发电装置、储能装置和转化装置；所述的压电发电装置由多个压电单元组成，各个压电单元之间通过串联的方式用导线相连，每个压电单元又由多个双晶型压电振子（1）通过串并联的方式组成；所述的储能装置由多个电容组成，其装在压电发电装置的串联压电单元的末端，其拥有两个输出端口和一个与压电发电装置的串联的压电振子相连的输入端口，两个输出端口分别与储存电量的电容和用电器相连；所述的转化装置由A/D转化模块组成，其装在储能装置的输出端口处。

2.根据权利要求1所述的基于压电效应的道路振动能量收集系统，其特征在于所述的双晶型压电振子（1），其夹持在外壳（4）内的固定端（2）与外壳（4）内的中心的柱芯（3）之间，固定端（2）与柱芯（3）直接与基板相连，双晶型压电振子（1）对称分布在柱芯的左右两侧。

3.根据权利要求2所述的基于压电效应的道路振动能量收集系统，其特征在于所述的柱芯（3），与固定端（2）相配合；在外加载荷作用下，柱芯产生上下运动，进而配合固定端（2）构成悬臂梁结构。

4.根据权利要求2所述的基于压电效应的道路振动能量收集系统，其特征是在位于柱芯（3）与外壳（4）底面之间设有恢复弹簧（5），该恢复弹簧中间装有保护销（6）。