RU221818U1 - Устройство преобразования вибраций элементов железнодорожного полотна в электрическую энергию - Google Patents

Abstract

Полезная модель относится к системам рекуперации энергии механических колебаний рельсов железнодорожных путей с использованием пьезогенераторов.

Решаемая задача - совершенствование устройства рекуперации механической энергии колебаний рельсов железнодорожных путей с использованием пьезогенераторов.

Технический результат - повышение эффективности сбора электрической энергии от колебаний железнодорожного полотна с использованием пьезоэлектрических генераторов.

Заявленный технический результат достигается тем, что в устройстве преобразования вибраций элементов железнодорожного полотна в электрическую энергию, имеющем пьезоэлектрические элементы, элементы преобразования электрической энергии для обеспечения заряда аккумуляторной батареи, аккумуляторную батарею, пьезоэлектрические генераторы выполнены в виде пьезоэлектрических элементов, уложенных друг на друга внутри стакана с крышкой, а механическое воздействие от вибраций рельса передается на пьезоэлектрические генераторы с помощью пластин. 6 ил.

Description

Полезная модель относится к системам рекуперации энергии механических колебаний рельсов железнодорожных путей с использованием пьезогенераторов.

Известно устройство (KR100898795 В1, 27.05.2009) для преобразования энергии вибрации, генерируемой железнодорожным транспортным средством, в электрическую энергию. Устройство состоит из пьезоэлектрической пленки, которая генерирует электрический ток путем преобразования энергии вибрации, и резиновых прокладок, которые используются для защиты от нагрузки и вибраций, возникающих во время работы железнодорожного транспортного средства. Резиновая прокладка служит способом увеличения долговечности и увеличения эффективности пьезоэлектрического эффекта пьезоэлектрического элемента. Преобразователь энергии, способен заряжать аккумулятор, и ток преобразуется через преобразователь энергии.

При всех положительных свойствах данного устройства оно обладает недостатками. В первых, поверхность пьезоэлектрической пленки в заявленном устройстве имеет большую площадь, что обуславливает высокую стоимость изделия. Вторым очевидным недостатком является отсутствие в устройстве механизма управления частотой колебаний, действующих на пьезоэлектрическую пленку. Количество энергии, вырабатываемой пьезогенератором, зависит от частоты внешнего механического возбуждения. При этом чем выше частота, тем больше количество вырабатываемой энергии. Таким образом отсутствие механизма управления частотой механических колебаний определяет относительно низкую эффективность заявленного в заявке KR100898795 В1 устройства. Третьим основным недостатком является отсутствие ограничителя нагрузки на пьезоэлектрические элементы, которые имеют ограничение по воспринимаемому механическому усилию и могут разрушиться вследствие воздействия на них усилием, вызванным значительной массой поезда.

Устройство, предложенное в патенте KR20110003641A от 13.01.2011 г., частично устраняет недостаток, связанный с большой поверхностью пьезоэлектрической пленки - она сконцентрирована на пересечении рельсов и шпал и расположена между ними. Выработка энергии осуществляется за счет деформации пьезоэлектрической пленки внешней энергией, подаваемой на подушку рельса путем установки пьезоэлектрической пленки в подкладку рельса. Конструкция состоит из: рельсовой прокладки - устанавливается между рельсом и шпалой железнодорожной линии; пьезоэлектрической пленки - установлена горизонтально внутри подкладки рельса и электрически соединена с выпрямителем; выпрямитель - выпрямляет ток, выходящий из пьезопленки рельсовой подкладки. В пьезоэлектрической пленке, встроенной в подушку рельса, сформирована изогнутая вверх поверхность.

Основным недостатком устройства из патента KR20110003641A является относительно низкая эффективность, вызванная небольшим количеством слоев пьезоэлектрической пленки, а также отсутствием механизма управления частотой механических колебаний. В устройстве отсутствует ограничитель механической нагрузки, действующей на пьезоэлектрический элемент, что может вызвать его преждевременное разрушение.

В качестве прототипа принято устройство сбора энергии железнодорожного пути и система освещения дорожки (CN106906700A, 30.06.2017). Устройство сбора энергии колебаний пути прототипа содержит верхнюю пластину, первую дугообразную балку и вторую дугообразную балку; первая дугообразная балка и вторая дугообразная балка расположены симметрично с двух сторон верхней пластины; первый торец первой дугообразной балки и первый торец верхней пластины соединены встык, образуя цельную конструкцию; первый торец второй дугообразной балки и второй торец верхней пластины соединены встык, образуя цельную конструкцию; Пьезоэлектрические пленки PVDF (поливинилиденфторид) наклеены на внутренние боковые дуговые грани первой дугообразной балки и второй дугообразной балки; устройство сбора электрической энергии электрически соединено с каждой пьезоэлектрической пленкой PVDF. Устройство имеет ограничитель перемещений (поз.8 и 9) верхней пластины, который выполняет роль ограничителя механической нагрузки, действующей на пьезоэлемент

Основные недостатки устройства сбора энергии железнодорожного пути (CN106906700A):

ограниченное пространство для размещения большого количества слоев пьезоэлектрической пленки.

отсутствует преобразование частоты внешнего механического нагружения для получения оптимальной частоты нагружения пьезоэлектрических генераторов с точки зрения получения электрической энергии.

Решаемая задача - совершенствование устройства рекуперации механической энергии колебаний рельсов железнодорожных путей с использованием пьезогенераторов.

Технический результат – повышение эффективности сбора электрической энергии от колебаний железнодорожного полотна с использованием пьезоэлектрических генераторов.

Заявленный технический результат достигается тем, что в устройстве преобразования вибраций элементов железнодорожного полотна в электрическую энергию, содержащем корпус, выполненный с возможностью крепления к нижней части рельса, набор модулей пьезогенератора, каждый из которых состоит из стакана с крышкой, пьезоэлементов с изолирующими прокладками, уложенных друг на друга внутри стакана с крышкой, крышка установлена на резьбу с центрированием и обеспечением предварительного поджатие пьезоэлектрических элементов, стакан соединен с корпусом через упругую пластину, которая устанавливается на проставке для связи с корпусом, при этом корпус, проставка, пластина и стакан фиксируются между собой с помощью болтовых соединений.

Предлагаемая конструкция устройства показана на чертежах:

Фиг. 1 – главный вид на конструкцию устройства преобразования вибраций элементов железнодорожного полотна в электрическую энергию, закрепленного на железнодорожной платформе.

Фиг. 2 – вид справа на конструкцию устройства преобразования вибраций элементов железнодорожного полотна в электрическую энергию, закрепленного на железнодорожной платформе.

Фиг. 3 – главный вид на конструкцию пьезогенератора.

Фиг. 4 – вид снизу на конструкцию пьезогенератора.

Фиг. 5 – продольный разрез модуля пьезогенератора.

Фиг. 6 – схема преобразования и накопления электрического тока от пьезогенератора в устройстве преобразования вибраций элементов железнодорожного полотна в электрическую энергию.

Перечень элементов на чертежах:

На фиг. 1, 2 показан возможный вариант установки устройства на железнодорожные пути, основными элементами которого являются шпалы 1 и рельсы 2. Позицией 3 обозначен корпус пьезогенератора который крепится зажимом 4 при помощи болтового соединения 5 к нижней части рельса 2.

Согласно чертежам, представленным на фиг. 3, 4 и 5 на нескольких видах устройства, одинаковые части обозначены одинаковыми номерами позиций.

На фиг. 3, 4 представлен внешний вид пьезогенератора. На фиг. 5 изображен продольный разрез модуля пьезогенератора 15 в плоскости сечения. Пьезогенератор содержит набор модулей пьезогенератора 15, состоящих из: стакана 11, пьезоэлементов 12, с изолирующими прокладками 13. Крышка 8, устанавливается на резьбу внизу стакана 11, с центрированием и обеспечивает предварительное поджатие пьезоэлектрических элементов 12. С помощью контактов 14 осуществляется отвод вырабатываемой электрической энергии пьезогенератора. Предварительное поджатие необходимо для обеспечения безопасной и фазной работы пьезоэлектрических элементов 12. Стакан 11 соединен с корпусом 3 через упругую пластину 7, которая устанавливается на проставке 6 для связи с корпусом 3. Корпус 3, проставка 6, пластина 7 и стек пьезогенератора связаны и фиксируются с помощью болтовых соединений 9 и 10.

Каждый пьезоэлектрический элемент 12 генерирует электрический ток за счет колебаний модуля пьезогенератора 15, который осуществляет связанное движение колебательной системы, создаваемого вибрацией рельс. Преобразование частоты внешнего механического нагружения для получения оптимальной частоты колебаний модулей пьезогенератора 15 может быть достигнуто путем изменения массы стакана 11 и крышки 15, а также изгибной жесткости (толщины, характеристик материала) пластины 7.

Часть устройства для преобразования и накопления электрического тока от пьезогенератора схематично показана на фиг. 6. Модуль пьезогенератора 15 под действием вибрации вырабатывает электрический переменный ток, который поступает на вход инвертирующего умножителя, собранного из диодов 16 и конденсаторов 17. Выпрямленный ток производит зарядку конденсаторов 17. В процессе выпрямления конденсаторы 17 заряжаются амплитудным напряжением пьезоэлектриков. Промежуточным накопителем энергии является конденсатор 19, который заряжается от конденсаторов 17 через токоограничивающий резистор 18. Накопленное в конденсаторе 19 напряжение питает линейный регулятор 21, величина выходного напряжения которого ограничивается при помощи делителя, собранного на резисторах 22 и 23. Защита регулятора напряжения 21 и электролитического конденсатора 19 от кратковременных выбросов напряжения обеспечивается стабилитроном 20, величина тока которого ограничивается резистором 18. Электрический ток с регулятора 21 поступает непосредственно в аккумуляторную батарею (далее по тексту АКБ) 26, через предохранитель 25 и выключатель 24, осуществляя зарядный процесс. Заряд батареи контролируется при помощи вольтметра 27. АКБ 26, предохранитель 25, выключатель 24 и вольтметр 27 вместе составляют систему накопления заряда 28.

Claims (1)

1. Устройство преобразования вибраций элементов железнодорожного полотна в электрическую энергию, содержащее корпус, выполненный с возможностью крепления к нижней части рельса, набор модулей пьезогенератора, каждый из которых состоит из стакана с крышкой, пьезоэлементов с изолирующими прокладками, уложенных друг на друга внутри стакана с крышкой, крышка установлена на резьбу с центрированием и обеспечением предварительного поджатия пьезоэлектрических элементов, стакан соединен с корпусом через упругую пластину, которая устанавливается на проставке для связи с корпусом, при этом корпус, проставка, пластина и стакан фиксируются между собой с помощью болтовых соединений.