JP6327773B1

JP6327773B1 - 一種圧電効果のあるゴム支承構造およびその発電システム

Info

Publication number: JP6327773B1
Application number: JP2017248672A
Authority: JP
Inventors: 黄永輝; 肖陽; 劉愛栄; 朱創堅
Original assignee: Guangzhou University
Current assignee: Guangzhou University
Priority date: 2016-12-26
Filing date: 2017-12-26
Publication date: 2018-05-23
Anticipated expiration: 2037-12-26
Also published as: CN106655887B; CN106655887A; JP2018105112A

Abstract

【課題】本発明のゴム支承構造は、橋梁の振動によりかなり大きな振幅を得るので、内部の圧電フィルムに与える応力変化範囲がかなり大きく、圧電フィルムの変形頻度を確保し、発電量と発電効率を高め、エネルギー変換効率を高め、また、本発明の発電システムとゴム支承が結合されたので、設置と修理がもっとしやすくなり、既存技術の大面積設置および敷設とは異なり、工事が簡単で、コストが低く、実用性が非常に高い。【解決手段】この発明は圧電効果のあるゴム支承構造およびその発電システムであって、ゴム支承構造は、底ゴム層と、ゴム層の底部は補強板を有し、補強板には、並列に接続された多数の圧電膜が設けられており、圧電フィルムは、上部ゴム層と、ゴム支承構造を橋梁のボックスガーダーと橋脚の間に連結した後、蓄電池を連結し、橋梁の給電回路を介して橋梁上の電気機器に電源を供給する。【選択図】図１

Description

本発明は、圧電セラミック発電および電気エネルギー収集の技術分野に関わり、特に圧電効果のあるゴム支承構造の発電システムに関わる。

研究結果によると、セラミックスシートに圧力や張力を施すと、セラミックスシートの両端に正反対極性の電荷が生じ、電気回路を通じて電流を形成し、この効果を圧電効果と呼ぶ。また、この性能のあるセラミックを圧電セラミックと呼ぶが、その表面電荷の密度は機械的応力と正比例をなす。人類は、圧電セラミックのこの特性を利用して、機械的性能を電気エネルギーに変化させる様々な装置を研究開発した。

(1) 歩行圧電発電

人は運動する時に一部の機械的性能を浪費するが、これらのエネルギーの利用に関する研究が少なく行われ、その例として圧電発電靴があり、圧電発電靴は、発電装置を靴底に挿入して、人が歩行する際に、足が靴底に与える衝撃を介して、圧電セラミックを変形させ、電荷を発生する。

(2) マイクロ発電機

米国テキサス大学のShashank Priya教授は、圧電コンポーネントで一種のマイクロ発電機を制作した。この小型発電機は、速度8-16km/Hの風力駆動圧電ツインビーム構造により振動を生じ、圧電セラミック上で電気エネルギーを生ずる。このマイクロ発電機は、ワイヤレスセンサー・ネットワークノードのために最高50mWの電力を提供できる。

(3) 機械発電

現在ガスコンロに用いる一種の新型電子ライターも圧電セラミックで制作したものである。新型電子ライターは、機械力を電気エネルギーに変化させて電気スパークを生じた上、ガスを添加する装置であり、圧電セラミックを機械-電気変換材料として用いた代表的な事例である。

機械力を電気エネルギーに変換する上記装置の短所：（１）圧電セラミックの応力変化範囲があまり大きくなく、一部の装置は人為的に圧力を施さなければならない。（２）外部刺激で圧電セラミックに圧力を施すことは、ランダムで確率的なことであり、圧電セラミックの変形頻度を保証できない。（３）ほとんどの装置は発電量が少なく、エネルギー変換効率が高くないため、十分な電気エネルギーを提供して、人類の大規模利用に供することができない。

現在、中国の社会発展と人々の生活水準が日々高まるにつれて、多くの人が自家用車を購入している。また、交通を便利にさせるため、政府が多くの橋梁を建設し、そのうち、アーチ橋、斜張橋、つり橋が多い。橋梁建設技術の向上に伴って、橋梁は大スパン、軽量化に向けて発展し、橋梁上の車両数量も絶えず増えている。橋梁上で走行する自動車によって橋梁が頻繁に振動され、橋梁支承が受ける圧力も迅速に変化され、そこには大量の廃棄されたエネルギーが「隠されている」。従って、橋梁支承に圧電発電装置を設置して、自動車が橋梁を通過する時に橋梁支承が受ける圧力を電気エネルギーに変換させ発電することを、提案する人もいる。既存の橋梁支承圧電発電装置は、十分な圧力や張力を得るために、大面積のセラミック圧電装置を橋梁に敷設しなければならないので、大量の人力と物資を消費するだけでなく、工事難度が高く、コストが高く、メンテナンスと交換が難しくて、技術発展の需要を満たすことができない。

中国特許出願公開第105887666号明細書中国特許出願公開第104821744号明細書

本発明は、橋梁に大面積のセラミック圧電装置を敷設する既存技術の問題点を解決し、圧電効果のあるゴム支承構造を提供し、このゴム支承構造は橋梁の振動によってかなり大きな振幅を得て、内部圧電フィルムのためにかなり大きな変化範囲を提供し、圧電フィルムの変形頻度を保証して、発電量と発電効率を高め、エネルギー変換効率を高め、橋梁に大面積のセラミック圧電装置を敷設する必要がない。

また、本発明は、圧電効果を有するゴム支承構造に基づく発電システムを提供する。

本発明は、ゴム支持構造の圧電効果に基づいており、底面ゴム層と、補強板と、頂部ゴム層、若干の圧電フィルムと、を含む圧電効果のあるゴム支承構造であって、前記補強板は、前記底面ゴム層に設けられ、前記の若干の圧電フィルムが等間隔に前記補強板に設けられ、前記の若干の圧電フィルムが並列連結され、前記頂部ゴム層は、前記の若干の圧電フィルム上に設けられ、前記圧電フィルムのカバー面積は、少なくとも補強板面積の4/5を占める。

好ましい実施形態では、前記圧電フィルムは、補強板に接着固定され、前記圧電フィルムと補強板の結合強度が10Mpaより大きい。

好ましくは、前記補強板が長方形である場合、前記圧電フィルムのカバー面積は、補強板の短辺の長さを直径にする円形と同じく、前記補強板が円形である場合、前記圧電フィルムが補強板全体をカバーする。

衝撃吸収効果と圧電効果を同時に保証し、圧電フィルムの出力エネルギーをできるだけ大きくするため、本発明は、前記底面ゴム層、頂部ゴム層、補強板をそれぞれ10層ずつ設け、各層補強板に全部若干の圧電フィルムを設け、異なる層の補強板上の圧電フィルムは並列連結されている。

本発明は、圧電効果のあるゴム支承構造の発電システムであって、少なくとも前記圧電効果のゴム支承構造と、蓄電池と、制御装置と、を有し、前記の少なくとも１個の圧電効果のあるゴム支承構造は、橋梁のボックスガーダーと橋脚の間に設けられ、圧電効果のあるゴム支承構造の中の各圧電フィルムは、並列方式で連結された後、導線を介して蓄電池と連結され、前記制御装置は、橋梁の電源回路に設けられ、蓄電池が制御装置によって制御され、電源回路が橋梁上の電気機器に電源を供給する。

既存技術と比べて、本発明は以下の有益な効果がある。

1、ゴム支承構造に二つのゴム層、すなわち、底面ゴム層と頂部ゴム層が設けられ、底面ゴム層に補強板を設け、若干の圧電フィルムを並行連結した後、補強板に設置する。橋梁のボックスガーダーと橋脚の間にゴム支承構造を設置し、並行連結した後の圧電フィルムが充電回路を介して、蓄電池と連結する。このゴム支承構造は、橋梁の振動や圧力によってかなり大きな振幅を得て、内部圧電フィルムにかなり大きな応力変化範囲を提供し、圧電フィルムの変形頻度を保証でき、発電量と発電効率を高め、エネルギー変換効率を高める。

2、既存技術の圧電装置のように、ゴム支承構造を大面積に橋梁に敷設する必要がなく、前記ゴム支承構造に基づいて発電システムを敷設するので、設置およびメンテナンスが容易であり、コストが低く、かなり高い実用性がある。

図1は、本発明に係る圧電効果ゴム支承構造の構造説明図である。図2は、本発明に係る発電システムの電気回路構造説明図である。

本発明を更に詳しく説明するため、以下では附図および実施形態と結合して、本発明について詳しく説明するものの、本発明の実施形態はこれらに限らない。

図1に示されたように、底面ゴム層11、補強板12と、頂部ゴム層、若干の圧電フィルム13と、を含む圧電効果のあるゴム支承構造であって、前記補強板12は、前記底面ゴム層に設けられ、前記の若干の圧電フィルム13が並列連結され、前記頂部ゴム層は、前記の若干の圧電フィルム上に設けられ、前記底面ゴム層11と、頂部ゴム層14は全部天然ゴムである。

圧電フィルム13を補強板12に接着固定し、接着剤はポリウレタン接着剤を選択することができ、それで、圧電フィルム13と補強板12の結合強度が10Mpaより大きく、圧電セラミックスシートと補強板12の間の接着が破損されないように保証する。圧電フィルム13のカバー面積は、少なくとも補強板12の面積の4/5を占め、均等な間隔で補強板12に設置して、圧電フィルム13と補強板12の圧力面積をできるだけ一致にさせる。補強板12は、圧電フィルム13がより均一な圧力を受けるように保証でき、より大きな面積の圧力を収集しやすく、発電量と発電効率の向上に役立つ。補強板が長方形である場合、圧電フィルムのカバー面積は、補強板の短辺の長さを直径とする円形と同じく、補強板が円形である場合、圧電フィルムが補強板全体をカバーし、通常、円形圧電セラミックスシートの出力電圧は、長方形圧電セラミックスシートよりも高い。
ー面積は、前記底面ゴム層11、と頂部ゴム層14は全部天然ゴムであり。

圧電フィルムは圧電セラミックスシートであり、圧電セラミックスシートの厚さは1-2mmであり、1.5mmを優先的に選択する。圧電セラミックは、かなり高い圧電常数、誘電率、極限強度を有し、チタン酸ジルコン酸鉛（PZT）圧電セラミックを選択するのが望ましく、そのうち、PZT-5Xのキュリー点は、一般PZTのキュリー点の上にあり、300-400ぐらいで、低相転移点がなく、かなり大きな温度範囲でも性能が比較的に安定され、エネルギー変換材料としての圧電効果が非常に著しい。本実施形態の圧電セラミックスシートは、圧電セラミックPZT-5Xにより構成され、圧電セラミックPZT-5Xの長点は、PZT-5（接収型）の高い電気機械結合係数、高い圧電ひずみ常数と高い抵抗率にあり、各機械電気パラメーターは、優れた時間安定性と温度安定性を有し、低電力共振と非共振に適用される。

補強板12は、FRP補強板（以下、「FRP板」と言う）を優先的に選択する。他のゴム支承（例えば、板式ゴム支承）の中の補強板と比べて、FRP板はゴム支承のダンピングエネルギー消費能力を高め、それ自体もダンピングエネルギー消費の役割をうまく果たすことができる。FRP板は、一層の樹脂接着剤、一層の繊維布を含有し、各角度から樹脂接着剤の中に均一に重なることができ、繊維布の層数は5-7層であり、母材を得た後、金型の中に入れて加熱加圧して成形する。FRP補強板の金型の上表層には1.5mmの凹みがあり、凹み部分の表面長さと幅は、元寸法より1cmも小さい。FRP補強板の圧縮性能は、他の材料で制作した補強板の圧縮性能よりも優れている。FRP板を用いたゴム支承は、他の振動低減隔離支承よりも性能がもっと優れ、FRP板の密度が鋼板やその他補強板材料よりも非常に小さいため、他の同じ寸法のゴム支承（例えば、板式ゴム支承とボウル式ゴム支承）と比べて、重量がもっと小さく、制作費用ももっと低い。

研究結果によると、n層圧電コンポーネントの出力エネルギーは、単層圧電コンポーネントのn倍である。本発明の中で、補強板とゴム層数は、倍数関係をなし、ゴム層数は補強板の2倍であり、補強板をより良く保護し、直接的な圧力を受けることを防止し、破損を防止する。圧電フィルムのパラレル効果を実現するため、多層FRP補強板構造を採用したので、圧電効果による電量の発生に役立つ。実験結果が示したように、FRP補強板が10層になった後、FRP補強板の層数を続けて増やすと、ゴム支承構造にとってFRP補強板は剛体のような存在となり、その圧力を受けて大きな変形が発生し、その上に接着したPZT-5X圧電セラミックスシートもそれによって大きく変形かつ破損して、衝撃吸収と圧電効果を得られない。従って、本発明のゴム支承構造は、10層FRP補強板、20層ゴムを優先的に設置し、10層FRP補強板に合計10層の圧電コンポーネントを接着でき、異なる層補強板の圧電コンポーネントをパラレル連結したので、一つのゴム支承構造の出力エネルギーが単層FRP補強板の出力電気エネルギーの10倍に達する。言い換えれば、FRP補強板の層数は、関連圧力変換が完了した後に得たデータであり、この比例の下で、10層FRP補強板が圧力を受けた時に発生した電量と圧力が最も大きい。

図2に示されたように、本発明の発電システムは、ゴム支承構造1と、導線4と、蓄電池5と、制御装置6と、配電盤7と、クーロンカウンター8と、を有し、そのうち、ゴム支承構造は複数あり、橋梁にボックスガーダー2と橋脚3の間に設置されている。各ゴム支承構造の中の圧電フィルムをパラレル方式で連結した後、導線を介して蓄電池5と連結し、蓄電池5は制御装置の制御を受け、橋梁の給電回路を介して橋梁上の電気機器に電源を供給する。圧電フィルム13と蓄電池5の間の電気回路にダイオードを設置して、電流が一方向に蓄電池5へ流れるように保証し、前記ダイオードを蓄電池の出力端に設置することができる。

橋梁に振動が発生したり、自動車が走行すると、ゴム支承構造1が変形され、その内部に設置した圧電フィルム13が圧力を受けて曲がり、一定の電気エネルギーをリリースし、導線を介して蓄電池5の中に貯蔵され、集電目的を実現する。蓄電池5は、給電回路を介して、橋梁上の電気機器に電源を供給し、給電回路に制御装置6、配電盤7、およびクーロンカウンター8が設置されている。配電盤7は、電圧と電流の制御に用い、電圧が高すぎることによって圧電セラミックスシートが破損することを防止する。クーロンカウンター8は発電量のモニタリングに用い、圧電セラミックスシートの圧電効果と内部変形増加をモニタリングすることができる。異なる橋梁種類によって、本発電システムにより発生した電気エネルギーも多少異なり、十分な電気エネルギーを生ずると、街灯、標識灯、景観灯などの橋梁の電気機器に電源を供給することができる。また、制御装置の中にインテリジェント制御ユニットを設置して、インテリジェント制御ユニットを介して「蓄電池から電気機器へのインテリジェント給電」を実現でき、このインテリジェント制御ユニットは遠隔モニタリングセンターと連結され、遠隔モニタリングセンターの制御指示を受ける。

以下では、高い電気結合係数、高い圧電ひずみ常数、および高抵抗率のPZT-5X圧電セラミックスシートを例にあげて、本発明のゴム支承構造および発電システムに対して更なる説明を行う。

ある橋梁は河川を跨ぎ、全長が約1.285kmであり、そのうち、橋梁全長が876m、メイン橋梁の最大幅が33.5m、最大スパンが139mで、双方向6車道シングルタワー斜張橋であり、車速は80km/h、最も平均的な1日の交通量は40000〜80000台である。ゴム支承構造の寸法は250mm×210×75mmであり、ゴム支承構造の寸法、圧電振子の固有振動数と最低コストの原則に基づいて、PZT-5X圧電セラミックスシートの寸法を50mm×30mm×1.5mmに決める。圧電コンポーネントは、外部応力の下で、上下表面に圧電電荷が発生し、圧電コンポーネントは一つのコンデンサーに等しく、コンデンサーの両極に電荷が発生した後、一定のエネルギーを貯蔵する。エネルギー変換装置で変換した電気エネルギーを全部出力し貯蔵したと仮設する。圧電セラミックスシートにおいて、ゴム支承構造が受ける応力は以下の通りである。

PZT-5X圧電セラミックスシートの両端に作用する応力：Fmax＝δmaxA＝40000N

電荷Qの計算式：Q＝d33F

圧電コンポーネントのコンデンサー計算式：

圧電フィルム13の厚さ方向を経過する電流強度I：

圧電フィルム13の厚さ方向で生じた電圧：

車輪が一回走行する度に、ゴム支承構造が変換する電気エネルギーW：

式の中で：F：圧電フィルムの受けた圧力；h：圧電フィルムの厚さ；A：圧電フィルムの面積；w：負荷周波数；ε：圧電材料の自由誘電率，ε＝ε0×εr；ε0：圧電材料の真空誘電率ε0＝8.854×10-12F/m＝8，εr：圧電材料の相対誘電率；d33：圧電係数；ε33＝4500ε0，K33＝0.77，d33＝750pcN-1N。

上記計算式の結果：

電流I＝d33Fw＝750×10-12C/N×40000N×0.1HZ＝3μA

電圧：

発生した電気エネルギー：

ゴム支承構造に10層FRP補強板、20層ゴムを設置したため、10層FRP補強板に合計10層の圧電コンポーネントを接着固定することができ、車両一台が橋梁を通過する度に、一層のFRP補強板に四つのPZT-5X圧電セラミックスシートがあって、45.2mJの電気エネルギーを生じ、一つのゴム支承構造によって合計10倍の電気エネルギー、すなわち、452mJの電気エネルギーが生ずる。車両流量を4-8万台にして計算すると、各ゴム支承は合計（1.8-3.6）×104Jのエネルギーを発生し、50Wの省エネランプに対して二時間ぐらい電源を供給することができる。橋梁の長さが876ｍであれば、ゴム支承の中の圧電セラミックスシートにより発生した電量をもって、橋梁上の施設に十分な電源を供給することができる。

ここでは一つの具体的な例しか提供していない。但し、実際には、材料の体圧強度に基づいて、圧電セラミックの両端はより多い圧力に耐えることができ、変換率の高いPZT-5Xなどの材料を用いたり、圧電フィルムの層数を増やすなどすると、圧電セラミックによる電量発生を数倍に増やすことができる。本発明は、設置が簡単で、使用周期が長く、既存橋梁構造を実質的に変更することがなく、廃棄エネルギーの二次利用を実現でき、環境保護の作用があり、長期的な社会的および経済的利益がある。

前記実施形態は、本発明のかなり優れた実施方式であるが、これら実施形態を使用した目的は、本発明を説明するためであり、本発明を限定するのではない。本発明の原則と原理を違反しないことを前提に行った変更、修正、代替、簡略化は、全部同等の置換方式として取り扱うものとし、全部本発明の保護範囲に含まれる。

1 ゴム支承構造
11 底面ゴム層
12 補強板
13 圧電フィルム
14 頂部ゴム層
2 ボックスガーダー
3 橋脚
4 導線
5 蓄電池
6 制御装置
7 配電盤
8 クーロンカウンター。

Claims

底面ゴム層と、補強板と、頂部ゴム層と、若干の圧電フィルムと、を含む圧電効果のあるゴム支承構造であって、前記補強板は、前記底面ゴム層に設けられ、前記の若干の圧電フィルムが等間隔に前記補強板に設けられ、前記の若干の圧電フィルムが並列連結され、前記頂部ゴム層は、前記の若干の圧電フィルム上に設けられ、前記圧電フィルムのカバー面積は、少なくとも補強板面積の4/5を占め、前記圧電フィルムは、補強板に接着固定され、前記圧電フィルムと補強板の結合強度が10Mpaより大きく、前記補強板が長方形である場合、前記圧電フィルムのカバー面積は、補強板の短辺の長さを直径とする円形と同じく、前記補強板が円形である場合、前記圧電フィルムが補強板全体をカバーし、前記圧電フィルムは圧電セラミックスシートであり、前記圧電セラミックスシートの厚さは1.5mmであり、前記圧電セラミックスシートはチタン酸ジルコン酸鉛圧電セラミックを選択し、前記補強板はFRP板であり、前記FRP板は、一層の樹脂接着剤、一層の繊維布を含有し、前記底面ゴム層と頂部ゴム層は全部天然ゴムであり、前記補強板と前記ゴム層数は、倍数関係をなし、前記底面ゴム層及び前記頂部ゴム層の総数は前記補強板の数の2倍であり、前記底面ゴム層、頂部ゴム層、補強板をそれぞれ10層ずつ設け、各層補強板に全部若干の圧電フィルムを設け、異なる層の補強板上の圧電フィルムは並列連結されている、ことを特徴とする圧電効果のあるゴム支承構造。
少なくとも１個の前記請求項１に記載の圧電効果のあるゴム支承構造と、蓄電池と、制御装置と、を含む圧電効果のあるゴム支承構造の発電システムであって、前記の少なくとも１個の圧電効果のあるゴム支承構造は、橋梁のボックスガーダーと橋脚の間に設けられ、圧電効果のあるゴム支承構造の中の各圧電フィルムは、並列方式で連結された後、導線を介して蓄電池と連結され、前記制御装置は、橋梁の電源回路に設けられ、蓄電池が制御装置によって制御され、電源回路が橋梁上の電気機器に電源を供給し、前記橋梁の電源回路に電圧と電流の制御に用いる配電盤が更に設置され、前記橋梁の電源回路に発電量モニタリングに用いるクーロンカウンターが更に設置された、ことを特徴とする圧電効果のあるゴム支承構造の発電システム。