CN207460028U - 基于桥梁振动的接触式摩擦发电装置 - Google Patents
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Abstract
本实用新型提供一种基于桥梁振动的接触式摩擦发电装置，该发电装置应用于箱梁式的桥梁结构上，包括多个接触式摩擦发电单元，接触式摩擦发电单元分布式安装在箱梁的内部和下表面，接触式摩擦发电单元能够多个接触式摩擦发电装单元串联并将所产生的电能随桥梁振动，收集箱梁结构振动的机械能并将收集的机械能转换为电能进行存储或者为用电设备供电。本实用新型安装在桥梁结构内部和下表面，将环境动荷载引起的桥梁振动机械能转化为电能，经过该供电薄膜装置中的电源控制集成系统的稳压、变压处理，对桥上各用电设备进行供电或者进行电能存储，保证系统的持续供电，为箱梁结构提供一种全新的环保绿色能源。
Description
技术领域
本实用新型涉及用于桥梁结构的俘能发电装置。
背景技术
在现今提倡节能环保的大环境下，太阳能、风能等清洁能源已在交通设施中广泛应用，但受限于其尺寸和布置要求，往往只能作为附属设施小规模使用。因此，需要一种能更广泛使用且能与交通设施结构本身相结合，作为结构一部分而非简单的附加设施的供能器材。
桥梁结构在动荷载下常会发生较大的结构振动，在桥梁工程设计中往往会采取结构优化和附加减振装置以控制结构振动强度，而其中减振装置的实质就是能量吸收装置。结合近年俘能器的快速发展和广泛应用，以及一些振动俘能器应用的提出，使得接触式摩擦发电装置在桥梁振动控制及振动能量收集再利用上的应用成为可能。
实用新型内容
本实用新型所要解决的技术问题是提供基于桥梁振动的接触式摩擦发电装置，能利用桥梁结构的振动变形提供电能。
本实用新型解决技术问题所采用的技术方案是：基于桥梁振动的接触式摩擦发电装置，该发电装置应用于箱梁式的桥梁结构上，包括多个接触式摩擦发电单元，接触式摩擦发电单元分布式安装在箱梁的内部和下表面，接触式摩擦发电单元能够多个接触式摩擦发电装单元串联并将所产生的电能随桥梁振动，收集箱梁结构振动的机械能并将收集的机械能转换为电能进行存储或者为用电设备供电。
进一步地，接触式摩擦发电单元包括上基板和下基板，上基板和下基板之间通过弹簧连接，上基板的内表面涂设第一介电材料，下基板的内表面涂设第二介电材料，第一介电材料和第二介电材料的极性相反，当接触式摩擦发电单元收到挤压振动时，上基板和下基板的内表面接触并产生摩擦，当挤压的力撤销时，在弹簧的回复力作用下上基板和下基板分开的过程中，摩擦电荷经过外加电路产生电流，接触式摩擦单元的外部通过高分子柔性防水绝缘材料封装并预留电线接口，外加电路通过电线接口连接至上基板和/或下基板从而将其产生的电流输出。
接触式摩擦发电装置在桥梁结构上的理论电能输出可通过如下理论计算进行结构设计及优化。在外加动荷载p(x,t)作用下，简支桥梁的动力响应可根据振型叠加法求得，以主坐标表示的动力平衡微分方程如下：
其中qj(t)为第j阶位移响应，ζj为第j阶振型阻尼比，λj为第j阶固有频率， Mj为模态质量，为模态荷载，φj(x)为第j阶振型，l为桥梁长度。由方程可求得桥梁在各阶振型下的位移响应，并可根据振型叠加法求得桥上任意位置的位移响应如下：
根据求得的接触式摩擦发电装置工作位置的桥梁振动位移响应，可求得发电装置中运动部分的振动响应，其振动响应可简单描述为：
由接触式摩擦发电装置中输出电压V(t)和位移过程x(t)的关系方程可求得输出电压：
其中d0＝d1/εr1+d2/εr2，为介电材料的等效厚度，S为电极板上涂有介电材料的面积，R为输出电路电阻，σ为介电材料表面电荷密度，ε0为真空介电常数。根据求得的输出电压和输出电路参数特征，可求得接触式摩擦发电装置的理论电能输出，并能根据该公式求得的输出关系进行俘能装置结构设计优化。
进一步地，相邻接触式摩擦发电单元之间的间距为8cm。
进一步地，安装在箱梁下表面的接触式摩擦发电单元的高度不超过10cm。
进一步地，多个接触式摩擦发电单元串联在一起形成供电电路，该供电电路依次连接至稳压整流器、变压装置、电能存储器以及连接用电设备的电路输出端口。
本实用新型的有益效果是：本实用新型将摩擦发电单元通过电线串联起来，与电源控制装置一起，内置于防水封装材料中，安装在桥梁结构内部和下表面，将环境动荷载引起的桥梁振动机械能转化为电能，经过该供电薄膜装置中的电源控制集成系统的稳压、变压处理，对桥上各用电设备进行供电或者进行电能存储，本实用新型的发电装置所产生的电能完全能够为桥梁结构上的监控系统、阻尼系统、照明装置、行车指示牌等提供足够的电能，还具备电能存储装置，当产生电能富余时能够及时进行存储，保证系统的持续供电，为箱梁结构提供一种全新的环保绿色能源。
附图说明
图1是接触式摩擦发电单元的结构图。
图2是接触式摩擦发电单元的连接方式。
图3是箱梁的结构图。
图4是接触式摩擦发电单元与箱梁的三种粘接方式，电线处均作防水外包处理，其中图(a)是接触式摩擦发电单元粘结在箱梁内部的箱梁顶面上的示意图，图(b)是接触式摩擦发电单元粘结在箱梁下表面的箱梁底面上的示意图，图(c) 是接触式摩擦发电单元粘结在箱梁内部的箱梁底面上的示意图。
图5是本实用新型的截面图，其中接触式摩擦发电单元都分别按图4中的三种粘结方式与箱梁进行粘结。
图6是图5的1-1截面图。
图7是图5的a-a剖面图。
图中标号：1-上基板；2-正极介电材料；3-弹簧；4-负极介电材料；5-下基板；6-高分子防水绝缘封装；7-电线；8-接触式摩擦发电单元；9-稳流整流器；10-变压器；11-储能装置；12-电流输出端口；13-箱梁；14-电线的防水外包处理。
具体实施方式
以下结合附图对本实用新型的具体实施方式作进一步详细说明。
如图3和5所示，本实用新型的接触式摩擦发电装置包括安装在桥梁结构上的接触式摩擦发电装置，接触式摩擦发电装置包括多个接触式摩擦发电单元8，接触式摩擦发电单元8两两之间间距在8cm左右。且考虑到桥下船只通行问题，安装在桥下的接触式摩擦发电单元8高度需控制在10cm内。接触式摩擦发电单元8数量由用电设备所需电量决定，接触式摩擦发电单元8数量越多，即所能提供的电量越大。
接触式摩擦发电单元8结构如图1所示，基本结构为分离的上基板1和下基板5，分别在两个基板上涂有电极性相反的介电材料2、4。当两基板1、5运动至接触时，两侧的介电材料2、4接触，在接触过程中两侧介电材料2、4产生相反的摩擦电荷。在两基板1、5拉开的过程中，电荷经外加电路产生电流，装置对外放电(类似电容放电过程)，上下两基板1、5间由弹簧3相连，对弹簧3 要求有合适的刚度，以使得该发电装置能在桥梁振动中能通过正负两极介电材料的接触将机械能转化为电能。多个上述单元按图2方式连接，构成一个完整的接触式摩擦发电单元8。接触式摩擦发电单元8外部设置高分子柔性防水绝缘材料 6封装，并预留电线接口，电线处需做防水外包处理14。
多个接触式摩擦发电单元8通过电线7串连在一起形成供电电路，电线7 起到连接各接触式摩擦发电单元8、稳压整流器9、变压装置10、电能储能器11、连接用电设备的电路输出端口12及传输电流的作用。
供电电路上还包括稳压整流器9、变压器10和储能装置11，稳压整流器9、变压器10和储能装置11通过电线7连接至供电电路的输出端口12，供电电路的电流输出端口12连接至用电设备，用电设备主要指桥梁上的用电设备，具体包括桥梁结构的监控系统、阻尼系统、照明装置以及行车指示牌等，稳压整流器 9、变压器10、储能装置11和连接用电设备的电路输出端口12，通过电线7与各接触式摩擦发电单元8相连，通过电路输出端口12与外部用电设备相连并为其供电，储能装置11存储富余电能。
接触式摩擦发电装置安装在箱梁13内表面和下表面距离梁支座端3m以外的部位，接触式摩擦发电装置与箱梁13的接触面采用高强粘合剂固定。
接触式摩擦发电单元8整体上呈扁平状，高分子柔性防水绝缘材料6采用和接触式摩擦发电单元8形状一致，为粘合剂的使用提供足够的接触面，确保接触式摩擦发电装置8能够牢固地固定在箱梁13内表面和下表面，电流输出端口12 设置在接触式摩擦发电单元8的一侧，走线的空间设置在接触式摩擦发电单元8 的同侧，防止内部走线在振动中发生交错缠绕影响发电效果和整体系统的稳定。
Claims (6)
1.基于桥梁振动的接触式摩擦发电装置，该发电装置应用于箱梁式的桥梁结构上，其特征是：包括多个接触式摩擦发电单元，接触式摩擦发电单元分布式安装在箱梁的内部和下表面，接触式摩擦发电单元能够多个接触式摩擦发电装单元串联并将所产生的电能随桥梁振动，收集箱梁结构振动的机械能并将收集的机械能转换为电能进行存储或者为用电设备供电。
2.根据权利要求1所述的基于桥梁振动的接触式摩擦发电装置，其特征是，接触式摩擦发电单元包括上基板和下基板，上基板和下基板之间通过弹簧连接，上基板的内表面涂设第一介电材料，下基板的内表面涂设第二介电材料，第一介电材料和第二介电材料的极性相反，当接触式摩擦发电单元收到挤压振动时，上基板和下基板的内表面接触并产生摩擦，当挤压的力撤销时，在弹簧的回复力作用下上基板和下基板分开的过程中，摩擦电荷经过外加电路产生电流，接触式摩擦单元的外部通过高分子柔性防水绝缘材料封装并预留电线接口，外加电路通过电线接口连接至上基板和/或下基板从而将其产生的电流输出。
3.根据权利要求1所述的基于桥梁振动的接触式摩擦发电装置，其特征是，相邻接触式摩擦发电单元之间的间距为8cm。
4.根据权利要求1所述的基于桥梁振动的接触式摩擦发电装置，其特征是，安装在箱梁下表面的接触式摩擦发电单元的高度不超过10cm。
5.根据权利要求1所述的基于桥梁振动的接触式摩擦发电装置，其特征是，多个接触式摩擦发电单元串联在一起形成供电电路，该供电电路依次连接至稳压整流器、变压装置、电能存储器以及连接用电设备的电路输出端口。
6.根据权利要求5所述的基于桥梁振动的接触式摩擦发电装置，其特征是，用电设备包括桥梁结构的监控系统、阻尼系统、照明装置以及行车指示牌。
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Cited By (2)
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| CN107453643A (zh) * | 2017-09-11 | 2017-12-08 | 浙江大学 | 基于桥梁振动的接触式摩擦发电装置 |
| CN109194187A (zh) * | 2018-11-05 | 2019-01-11 | 浙江大学 | 基于折纸弹簧结构的接触式摩擦发电能量收集装置 |
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2017
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