RU2459735C2 - Устройство, система и способ сбора энергии с железнодорожных путей - Google Patents

Устройство, система и способ сбора энергии с железнодорожных путей Download PDF

Info

Publication number
RU2459735C2
RU2459735C2 RU2010136931/11A RU2010136931A RU2459735C2 RU 2459735 C2 RU2459735 C2 RU 2459735C2 RU 2010136931/11 A RU2010136931/11 A RU 2010136931/11A RU 2010136931 A RU2010136931 A RU 2010136931A RU 2459735 C2 RU2459735 C2 RU 2459735C2
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
piezoelectric
energy
rods
piezoelectric devices
rail
Prior art date
Application number
RU2010136931/11A
Other languages
English (en)
Other versions
RU2010136931A (ru
Inventor
Хаим АБРАМОВИЧ (IL)
Хаим АБРАМОВИЧ
Евгений ХАРАШ (IL)
Евгений ХАРАШ
Чарльз МИЛГРОМ (IL)
Чарльз МИЛГРОМ
Ури АМИТ (IL)
Ури АМИТ
АЗУЛАЙ Люси ЭДЕРИ (IL)
АЗУЛАЙ Люси ЭДЕРИ
Original Assignee
Инноватек Лтд.
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Инноватек Лтд. filed Critical Инноватек Лтд.
Publication of RU2010136931A publication Critical patent/RU2010136931A/ru
Application granted granted Critical
Publication of RU2459735C2 publication Critical patent/RU2459735C2/ru

Links

Images

Classifications

    • E—FIXED CONSTRUCTIONS
    • E01—CONSTRUCTION OF ROADS, RAILWAYS, OR BRIDGES
    • E01B—PERMANENT WAY; PERMANENT-WAY TOOLS; MACHINES FOR MAKING RAILWAYS OF ALL KINDS
    • E01B26/00—Tracks or track components not covered by any one of the preceding groups
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02N—ELECTRIC MACHINES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H02N2/00—Electric machines in general using piezoelectric effect, electrostriction or magnetostriction
    • H02N2/18—Electric machines in general using piezoelectric effect, electrostriction or magnetostriction producing electrical output from mechanical input, e.g. generators

Abstract

Настоящее изобретение относится к области железнодорожного транспорта и представляет собой систему и способ сбора энергии с железнодорожных путей с использованием пьезоэлектрических генераторов. Система сбора энергии содержит множество пьезоэлектрических устройств, встроенных в углублениях железнодорожных шпал под креплениями рельса и выполненных с возможностью выработки электроэнергии, когда поезд переезжает их местоположения. Система и способ сбора энергии включает в себя блок регулирования мощности и электрические проводники, соединяющие упомянутые пьезоэлектрические устройства с упомянутым блоком регулирования мощности. Собранная энергия может использоваться локально, поблизости от местоположения выработки энергии, накапливаться для более позднего использования или передаваться, чтобы использоваться в удаленном местоположении. Технический результат заключается в упрощении системы сбора энергии с железнодорожных путей. 2 н. и 13 з.п. ф-лы, 8 ил.

Description

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ, К КОТОРОЙ ОТНОСИТСЯ ИЗОБРЕТЕНИЕ
Настоящее изобретение относится к устройству, системе и способу сбора энергии железнодорожных путей с использованием пьезоэлектрических генераторов.
УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Пьезоэлектричество является способностью некоторых кристаллических материалов вырабатывать электрический заряд, пропорциональный приложенному механическому напряжению. Обратный эффект также может наблюдаться в этих материалах в тех случаях, когда развивается деформация, пропорциональная приложенному электрическому полю. Первоначально он был открыт Кюри в 1880-х. Сегодня пьезоэлектрические материалы для промышленных применений являются основанными на свинце керамическими изделиями, имеющимися в распоряжении в широком диапазоне свойств. Пьезоэлектрические материалы являются наиболее широко известным активным материалом, типично используемым для преобразователей, а также в адаптивных структурах.
Чистые керамические материалы сначала должны быть поляризованы, чтобы использовать их полный пьезоэлектрический эффект. Поляризация состоит в прикладывании интенсивного электрического поля к материалу. Во время операции поляризации кристаллические диполи в материале выравниваются с приложенным электрическим полем и материал расширяется в направлении электрического поля. При прикладывании поля в противоположном направлении наблюдается деформация противоположного знака. Если величина этого противоположного поля повышается, материал сначала деполяризуется и в заключение переполяризуется.
Поляризованный пьезоэлектрический материал считается поперечно изотропным, то есть одна плоскость является изотропной наряду с тем, что поперечное направление имеет другие свойства. Соглашение о стандартных координатах, принятое IEEE (Стандарт IEEE о пьезоэлектричестве, 178-1978), назначает плоскость 1-2 в качестве плоскости симметрии и направление 3 в качестве направления поперечной поляризации. Для малого приложенного электрического поля реакция пьезоэлектрической керамики может моделироваться следующим линейным определяющим уравнением пьезоэлектрического материала [Jaffe B., Cook Jr., W.R., and H. Jaffe, 1971, «Piezoelectric Ceramics», Academic Press], выраженным в прикладной матричной записи как:
Figure 00000001
 (1)
где D - электрическое смещение, S - деформация, E - электрическое поле, T - механическое напряжение, εT - постоянное механическое напряжение в (несжатом) диэлектрике, d - постоянная наведенной деформации, sE - податливость в постоянном поле.
Механическое сжатие или растяжение на поляризованном пьезоэлектрическом керамическом элементе изменяет дипольный момент, создавая электрическое напряжение. Сжатие вдоль направления поляризации или растяжение, перпендикулярное направлению поляризации, вырабатывает электрическое напряжение такой же полярности, как напряжение поляризации. Растяжение вдоль направления поляризации или сжатие, перпендикулярное направлению поляризации, вырабатывает электрическое напряжение с полярностью, противоположной полярности у напряжения поляризации. Эти действия являются действиями генератора - керамический элемент преобразует механическую энергию сжатия или растяжения в электрическую энергию. Это поведение используется в устройствах воспламенения топлива, твердотельных батареях, силоизмерительных устройствах и других изделиях. Значения для напряжения сжатия и электрического напряжения (или напряженности поля), вырабатываемого прикладыванием механического напряжения к пьезоэлектрическому керамическому элементу, являются линейно пропорциональными вплоть до специфичного материалу механического напряжения. То же самое справедливо для приложенного электрического напряжения и вызванной деформации.
Если напряжение такой же полярности, как напряжение поляризации, прикладывается к керамическому элементу в направлении напряжения поляризации, элемент будет удлиняться, а его диаметр будет становиться меньшим. Если прикладывается напряжение полярности, противоположной полярности у напряжения поляризации, элемент будет становиться короче и шире. Если прикладывается переменное напряжение, элемент будет удлиняться и сокращаться циклически с частотой приложенного напряжения. Это является действием электродвигателя - электроэнергия преобразуется в механическую энергию. Этот принцип адаптирован к пьезоэлектрическим электродвигателям, звуковым и ультразвуковым генерирующим устройствам и многим другим изделиям.
Фиг.1a схематически изображает действие генератора пьезоэлектрического элемента, известного в данной области техники.
Пьезоэлектрический материал имеет значительное влияние на достижимые рабочие характеристики преобразователя. Широко применяемые пьезоэлектрические материалы основаны на цирконат-титанат-свинцовой (PZT) керамике.
Допуская, что PZT-элемент непосредственно используется в качестве преобразователя, существенные параметры материала могут быть очерчены для обеспечения добротности материала. Имеется множество факторов, которые оказывают влияние на выбор PZT-состава. Определяющие уравнения для линейного пьезоэлектрического материала при низких уровнях механического напряжения (T) могут быть записаны как
Figure 00000002
 (2)
и
Figure 00000003
 (3)
где x - деформация, D - электрическое смещение, E - электрическое поле, s - упругая податливость и g - коэффициент пьезоэлектрического напряжения, заданный в качестве
Figure 00000004
 (4)
Здесь d - пьезоэлектрическая постоянная, а ε - диэлектрическая постоянная. Постоянная β в уравнении (3) является диэлектрической восприимчивостью и равна составляющей обратного тензора диэлектрической проницаемости. Под приложенной силой F=T×A (где A - площадь), выходное напряжение (U) разомкнутой цепи керамики может быть вычислено из уравнения (3) и задано как
Figure 00000005
 (5)
где t - толщина керамики. Заряд (Q), вырабатываемый в пьезоэлектрической керамике, может определяться из уравнения (2) и задан в качестве
Figure 00000006
 (6)
или
Figure 00000007
 (7)
где C - электрическая емкость материала. Вышеприведенная зависимость показывает, что на низких частотах может предполагаться, что пьезоэлектрическая пластина должна вести себя, подобно конденсатору с параллельными обкладками. Отсюда электроэнергия, имеющаяся в распоряжении при циклическом возбуждении, задана уравнением (8), как изложено ниже:
Figure 00000008
 (8)
где V=A·t - объем пьезоэлектрического генератора.
При определенных экспериментальных условиях для заданного материала постоянной площади и толщины электрическая мощность зависит от отношения d2/εX материала.
Материал с высоким отношением d2/εX будет вырабатывать высокую мощность, когда пьезоэлектрическая керамика непосредственно применяется для сбора энергии.
Фиг.1b(i) изображает конструкцию одноэлементного преобразователя, а фиг.1b(ii) изображает многослойный преобразователь.
В многослойной конструкции согласно фиг.1b(ii) одна и та же сила F приложена ко всем слоям. Однако вследствие меньшей толщины каждого слоя напряжение, развиваемое на каждом слое (которое является напряжением, развиваемым на взятой в целом структуре, так как слои электрически соединены параллельно), является более низким. Параллельное электрическое соединение всех слоев увеличивает электрическую емкость структуры.
Фиг.1b(iii) изображает предпочтительный вариант многослойного PZT-генератора, в котором направления поляризации следующих друг за другом слоев изменены на противоположные. В этом варианте общий электрод используется между двумя противоположно ориентированными слоями.
Обзорная статья «Advances In Energy Harvesting Using Low Profile Piezoelectric Transducers»; by Shashank Priya; J Electroceram (2007) 19:165-182, дает всеобъемлющее освещение последних достижений в области сбора пьезоэлектрической энергии с использованием низкопрофильных преобразователей и приводит результаты для различных устройств опытных образцов сбора энергии. Также представлено краткое обсуждение по выбору пьезоэлектрических материалов, иногда для резонансных применений.
Научная работа «On Low-Frequency Electric Power Generation With PZT Ceramics»; by Stephen R. Platt, Shane Farritor, and Hani Haider; published in IEEE/ASME Transactions On Mechatronics, Vol. 10, №2, April 2005, обсуждает потенциально возможное применение основанных на PZT генераторов для некоторых выносных применений, таких как датчики в организме, встроенные устройства MEMS (микроэлектромеханических систем) и организация распределенной сети. Данная научная работа обращает внимание, что развитие пьезоэлектрических генераторов требует усилий вследствие своих плохих характеристик источника (высокого электрического напряжения, низкого тока, высокого полного сопротивления) и относительно низкой выходной мощности.
Статья «Energy Scavenging for Mobile and Wireless Electronics»; by Joseph A. Paradiso and Thad Starner; IEEE CS and IEEE ComSoc, 1536-1268/05/, обозревает область сбора энергии для питания энергией повсеместно применяемых сетей датчиков и мобильной электроники, а также систем известителей, которые могут извлекать энергию из деятельности человека или получать ограниченную энергию из тепла, света, радиопередачи или вибраций окружающей среды.
В обзорной научной работе «A Review of Power Harvesting from Vibration using Piezoelectric Materials»; by Henry A. Sodano, Daniel J. Inman and Gyuhae Park; The Shock and Vibration Digest, Vol. 36, №3, May 2004, 197-205, Sage Publications, обсуждается последовательность операций овладения энергией, окружающей систему и преобразования ее в годную к употреблению электрическую энергию - названная сбором энергии. Данная научная работа обсуждает исследование, которое было выполнено в области сбора энергии, и будущие цели, которые должны быть достигнуты, чтобы системы сбора энергии нашли свой путь к повседневному использованию.
Патентная заявка WO 07038157 A2, озаглавленная «Energy Harvesting Using Frequency Rectification»; Carman Gregory P. and Lee Dong G., поданная 21.09.2006, раскрывает устройство сбора энергии для использования в электрической системе, имеющее обратный частотный выпрямитель, сконструированный, чтобы принимать механическую энергию на частоте в тех случаях, когда сила побуждает преобразователь подвергаться другой частоте.
СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Настоящее изобретение относится к устройству, системе и способу сбора энергии железнодорожных путей с использованием пьезоэлектрического генератора.
Один аспект настоящего изобретения состоит в том, чтобы предложить систему для сбора энергии, содержащую: множество пьезоэлектрических устройств, способных к выработке электроэнергии, блок регулирования мощности и электрические проводники, соединяющие упомянутые пьезоэлектрические устройства с упомянутым блоком регулирования мощности; при этом упомянутая электроэнергия вырабатывается, когда поезд переезжает их местоположения.
В некоторых вариантах осуществления пьезоэлектрические устройства встроены в шпалу.
В некоторых вариантах осуществления блок регулирования мощности подводит электроэнергию к станции зарядки аккумуляторных батарей для зарядки аккумуляторных батарей электрических транспортных средств.
В некоторых вариантах осуществления блок регулирования мощности подводит электроэнергию к фонарям железнодорожной станции.
В некоторых вариантах осуществления блок регулирования мощности подводит электроэнергию к блоку дорожной сигнализации.
В некоторых вариантах осуществления блок регулирования мощности дополнительно присоединен к магистральной электрической сети.
В некоторых вариантах осуществления блок регулирования мощности дополнительно присоединен к блоку накопления энергии.
В некоторых вариантах осуществления пьезоэлектрические устройства содержат множество стержней PZT, встроенных в упругую матрицу.
В некоторых вариантах осуществления упругая матрица является связующим веществом.
В некоторых вариантах осуществления упругая матрица является эпоксидной смолой.
В некоторых вариантах осуществления матрица может быть выбрана из группы материалов, таких как термопластичный полимер, резина или другой натуральный или синтетический эластичный материал.
В некоторых вариантах осуществления пьезоэлектрические устройства прикреплены к железнодорожному рельсу.
В некоторых вариантах осуществления пьезоэлектрические устройства прикреплены к нижней части упомянутого железнодорожного рельса.
В некоторых вариантах осуществления пьезоэлектрические устройства прикреплены к боковым сторонам подошвы упомянутого железнодорожного рельса.
В некоторых вариантах осуществления пьезоэлектрические устройства прикреплены к боковым сторонам основания головки упомянутого железнодорожного рельса.
Еще один аспект изобретения состоит в том, чтобы предложить способ сбора энергии, включающий: встраивание множества пьезоэлектрических устройств, способных к выработке электроэнергии, в железнодорожные шпалы, соединение блока регулирования мощности с упомянутым множеством пьезоэлектрических устройств электрическими проводниками; при этом электроэнергия вырабатывается, когда поезд переезжает местоположения упомянутых пьезоэлектрических устройств.
Еще один аспект изобретения состоит в том, чтобы предложить способ сбора энергии, включающий: прикрепление множества пьезоэлектрических устройств, способных к выработке электроэнергии, к железнодорожному рельсу, соединение блока регулирования мощности с упомянутым множеством пьезоэлектрических устройств электрическими проводниками; при этом электроэнергия вырабатывается, когда поезд переезжает местоположения упомянутых пьезоэлектрических устройств.
Должно быть отмечено, что термины «PZT-преобразователь» и «пьезоэлектрический генератор» используются взаимозаменяемо на всем протяжении данного документа.
Пока не оговорено иное, все технические и научные термины, используемые в материалах настоящей заявки, имеют такое же значение, как обычно понимается специалистом в данной области техники, к которой принадлежит это изобретение. Хотя способы и материалы, подобные или эквивалентные описанным в материалах настоящей заявки, могут использоваться на практике или при проверке настоящего изобретения, пригодные способы и материалы описаны ниже. В случае конфликта данное описание изобретения к патенту, в том числе определения, будет осуществлять урегулирование. Кроме того, материалы, способы и примеры являются всего лишь иллюстративными и не должны быть ограничивающими.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
Изобретение описано в материалах настоящей заявки только в качестве примера со ссылкой на прилагаемые чертежи. Далее с конкретной ссылкой на чертежи подчеркивается, что подробности показаны исключительно в качестве примера и в целях иллюстративного обсуждения предпочтительных вариантов осуществления настоящего изобретения и представлены ради обеспечения того, что предполагается наиболее полезным и легко понятным описанием принципов и концептуальных аспектов изобретения. В этом отношении не делается никакой попытки показать конструктивные подробности изобретения подробнее, чем необходимо для фундаментального понимания изобретения. Описание совместно с чертежами делает очевидным для специалистов в данной области техники то, как могут быть воплощены на практике несколько форм изобретения.
На чертежах:
фиг.1a схематически изображает действия генератора пьезоэлектрического элемента, известного в данной области техники.
Фиг.2 схематически изображает устройства для выработки, выпрямления и накопления электрического сигнала.
Фиг.3 схематически изображает пьезоэлектрический преобразователь согласно примерному варианту осуществления изобретения.
Фиг.4a схематически изображает коробчатый пьезоэлектрический преобразователь согласно предпочтительному варианту осуществления изобретения.
Фиг.4b схематически изображает удлиненный PZT-преобразователь согласно еще одному варианту осуществления настоящего изобретения.
Фиг.5 схематически изображает систему сбора энергии, реализованную на железнодорожных путях, согласно примерному варианту осуществления настоящего изобретения.
Фиг.6 схематически изображает вид сбоку реализации системы для сбора энергии согласно примерному варианту осуществления изобретения.
Фиг.7 схематически изображает поперечный разрез реализации системы сбора энергии согласно варианту осуществления настоящего изобретения.
Фиг.8 схематически изображает еще один поперечный разрез реализации системы сбора энергии согласно варианту осуществления настоящего изобретения.
ОПИСАНИЕ ПРЕДПОЧТИТЕЛЬНЫХ ВАРИАНТОВ ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ
Настоящее изобретение относится к устройству, системе и способу сбора энергии железнодорожных путей с использованием пьезоэлектрического генератора.
Прежде подробного разъяснения по меньшей мере одного варианта осуществления изобретения должно быть осознано, что изобретение не ограничено в своем применении деталями конструкции и компоновкой компонентов, изложенными в последующем описании или проиллюстрированными на чертежах. Изобретение допускает другие варианты осуществления или осуществимо на практике либо выполнимо различными способами. Кроме того, должно быть понятно, что фразеология и терминология, примененные в материалах настоящей заявки, предназначены для целей описания и не должны рассматриваться в качестве ограничивающих.
Чертежи в целом не устанавливают масштаб. Некоторые необязательные части были показаны с использованием пунктирных линий.
Для ясности несущественные элементы были опущены из некоторых чертежей.
Используемые в материалах настоящей заявки элемент или этап, изложенные в единственном числе и с артиклем единственного числа, должны пониматься в качестве неограничивающих множественных элементов или этапов, если такое исключение не изложено в прямой форме.
Фиг.1 схематически изображает действия генератора пьезоэлектрического элемента, известного в данной области техники и который обсужден в разделе уровня техники.
Фиг.1a(i) изображает диск 110 PZT, показывая направление его поляризации в отсутствие внешней силы. В этом случае вольтметр 120 показывает отсутствие вырабатываемого заряда.
Фиг.1a(ii) и 1a(iii) показывает тот же самый диск 110 PZT с силами сжатия и расширения, соответственно приложенными к нему. В этом случае вольтметр 120 показывает, соответственно, положительный и отрицательный выработанный заряд.
Фиг.1b(i) изображает одиночный элемент 110 PZT, подобный изображенному на фиг.1a. На этой фигуре помечены длина «L» элемента и его площадь «A» поверхности.
Фиг.1b(ii) изображает многоэлементную пьезокерамическую стопу, содержащую n пьезокерамических дисков 111(1)-111(n), каждый из которых имеет по существу одинаковую толщину t и площадь «A» поверхности. В этом случае все пьезокерамические диски 111(1)-111(n) поляризованы в одном и том же направлении и все электрически соединены параллельно. Электрическому изолятору необходимо быть вставленным между контактными электродами соседних элементов.
Отдача заряда возникает на соединителях 113(+) и 113(-). Для удобства эти соединители могут называться как «верхний электрод» и «нижний электрод» соответственно.
Фиг.1b(iii) изображает многоэлементную пьезокерамическую стопу, содержащую n пьезокерамических дисков 112(1)-112(n), каждый из которых имеет по существу одинаковую толщину и площадь поверхности. В этом случае все пьезокерамические диски 111(1)-111(n) поляризованы в противоположном направлении, как показано стрелками. Общие электроды предпочтительно используются между поверхностями соседних элементов.
Отдача заряда возникает на соединителях 114(+) и 114(-). Для удобства эти соединители могут называться как «верхний электрод» и «нижний электрод» соответственно.
ПЬЕЗОЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ГЕНЕРАТОРЫ
Важной областью применения для пьезоэлектрической керамики является преобразование механической энергии в электрическую энергию, и этот раздел описывает условия, при которых пьезокерамический элемент должен использоваться, чтобы преобразовывать максимальное количество энергии.
Пьезокерамический цилиндр может вырабатывать напряжения, которые достаточно высоки, чтобы пропускать искровой разряд через зазор электродов, и такие искровые разряды могут использоваться для воспламенения горючих газов, например, в зажигалках или газовых плитах.
Более того, часть энергии, выработанной пьезокерамическим преобразователем, может накапливаться в конденсаторе и может использоваться для питания схемы, как может быть видно на фиг.2.
В устройствах выработки и накопления, изображенных на фиг.2, заряд, выработанный пьезоэлектрическим преобразователем, накапливается в устройстве накопления энергии, таком как конденсатор. Выпрямитель, схематически изображенный диодом D1, удерживает накопленный заряд на конденсаторе до тех пор, пока он не расходуется использующей энергию нагрузкой.
Фиг.2(i) изображает однополупериодный диодный выпрямитель, в то время как фиг.2(ii) показывает двухполупериодный выпрямитель, содержащий мост из четырех диодов.
Фиг.2(i) изображает систему 200(i) сбора энергии, использующую однополупериодный диодный выпрямитель D1. Хотя пьезокерамический преобразователь на обеих фиг.2a и 2b выглядит в качестве одиночного элемента, имеющего верхний электрод 211 и нижний электрод 212, пьезокерамический преобразователь может быть многоэлементной конструкцией, такой как изображенная на фиг.1b(ii) или, предпочтительно, как изображенная на фиг.1b(iii).
Выпрямительный диод D1 предохраняет электрический заряд, накопленный на конденсаторе Cρ, от возврата в преобразователь, как только нагрузка снята с упомянутого преобразователя. Таким образом, заряд на конденсаторе Cρ остается до тех пор, пока он не израсходован нагрузкой, присоединенной к выходу 220(i) нагрузки.
Фиг.2(ii) изображает систему 200(ii) сбора энергии, использующую двухполупериодный выпрямитель, содержащий мост FR из четырех диодов.
Выпрямительный мост FR, содержащий четыре диода, направляет заряд, выработанный обеими силами, сжатия и растяжения, прикладываемыми к пьезокерамическому преобразователю, в конденсатор Cρ. Выпрямительный мост FR предохраняет электрический заряд, накопленный на конденсаторе Cρ, от возврата в преобразователь, как только нагрузка снята с упомянутого преобразователя. Таким образом, заряд на конденсаторе Cρ остается до тех пор, пока он не израсходован нагрузкой, присоединенной к выходу 220(ii) нагрузки, однако должно быть ясно видно, что система 200(ii) лучше использует выработанный заряд и, таким образом, имеет более высокую эффективность использования энергии.
Фиг.3 схематически изображает пьезоэлектрический преобразователь согласно примерному варианту осуществления изобретения.
Фиг.3(i) изображает вид в изометрии представления пьезоэлектрического преобразователя 300, показывая верхний электрод 310 и нижний электрод 311.
Составной диск, изготовленный из пьезоэлектрических стержней 320, соединенных эпоксидной или другой связующей смолой 321, схематично изображен на поперечном разрезе, видимом на фиг.3(ii), и вертикальном поперечном разрезе, видимом на фиг.3(iii). Например, связующее вещество может быть термопластичным полимером, резиной либо другим натуральным или синтетическим эластичным материалом.
Каждый стержень может быть изготовлен из множества слоев одной структуры, как показано на фиг.1b(i), 1b(ii) или 1b(iii).
Предпочтительно, электроды всех стержней являются n параллельно присоединенными к верхнему и нижнему электроду, как изображено на фиг.3 (iii).
Специалисту должно быть ясно, что круглая форма преобразователя и стержней, положение стержней и соотношение размеров преобразователя предназначены только для наглядного представления и реальные параметры должны выбираться согласно применению с учетом требований, таких как имеющиеся в распоряжении пространство, нагрузка и т.д.
Фиг.4a схематически изображает коробчатый пьезоэлектрический преобразователь 400 согласно предпочтительному варианту осуществления изобретения. Составная коробка изготовлена из пьезоэлектрических стержней 420, соединенных эпоксидной или другой связующей смолой 421, как схематически показано на данной фигуре. Хотя стержни изображены в качестве имеющих квадратное поперечное сечение, могут использоваться цилиндрическая и другие формы.
Типичные размеры для преобразователя 400 в 14×14 см2 и высотой 2 см даны в качестве примера. В варианте осуществления изобретения используется массив из 24×24 стержней, каждый из которых имеет размеры приблизительно 4×4 см2 и высоту 2 см. Для простоты только несколько стержней показаны на данной фигуре. Могут использоваться другие формы и размеры. Размеры, количество, форма и конфигурация массива стержней могут меняться и оптимизируются, главным образом, для минимизации производственных затрат и для эффективности выработки энергии.
Предпочтительно, отношение активного пьезоэлектрического материала к наполнению связующего материала имеет значение приблизительно 50%. Однако может использоваться большее или меньшее отношение. Типично материал матрицы является более мягким, чем пьезоэлектрический материал. Каждый стержень может быть изготовлен из единой структуры или множества слоев. Предпочтительно, электроды всех стержней являются n параллельно присоединенными к верхнему и нижнему электроду (не показано на данной фигуре).
В испытательном устройстве отношение активного пьезоэлектрического материала к наполнению связующего материала имеет значение приблизительно 64%. Однако может использоваться большее или меньшее отношение. Предпочтительно, соотношение матрицы имеет значение от 30% до 40%.
В испытательном устройстве небольшого размера массив из 8×8 (всего 64) пьезоэлектрических стоп был встроен в матрицу, при этом каждая стопа занимает 4×4 мм и высоту 20 мм. Однако реальный преобразователь, который должен использоваться в железнодорожном применении, предпочтительно имел бы размеры, сопоставимые с соединительным элементом рельс-шпала. Таким образом, количество пьезоэлектрических стоп и их размер могут быть изменены.
Типично матрица является более мягкой, чем пьезоэлектрический материал. Каждый стержень может быть изготовлен из множества слоев, как известно в данной области техники. Предпочтительно, каждый стержень имеет многослойную структуру, как изображено на фиг.1b(iii).
Предпочтительно, электроды всех стержней являются n параллельно присоединенными к верхнему и нижнему электроду (не показано на данной фигуре).
В испытательном устройстве каждый стержень PZT имеет высоту 20 мм. Типично напряжение поляризации имеет порядок 50000 вольт на 1 см. Использование этой технологии поляризации потребовало бы 100000 вольт, которые могут приводить к искрению и делать необходимым источник очень высокого напряжения. Согласно предпочтительному варианту осуществления изобретения множество стержней были соединены параллельно и помещены в печь и нагревались до температуры, близкой или предпочтительно выше температуры Кюри (приблизительно 300°C для используемой керамики). Использовалось напряжение поляризации всего лишь от 10000 до 15000 В/см (всего ~ от 20000 до 30000 В). Предпочтительно, стержни охлаждались до комнатной температуры под напряжением поляризации. Затем стержни собирались в конструкцию преобразователя заливкой связующего вещества.
Фиг.4b схематически изображает удлиненный PZT-преобразователь согласно еще одному варианту осуществления настоящего изобретения.
Удлиненный PZT-преобразователь 460 содержит тонкую полосу пьезоэлектрического материала 462. Верхний электрод 464 и нижний электрод 466 нанесены на две противоположные большие поверхности полосы 462.
Опционально весь преобразователь 460 заключен в предохранительный кожух. В этом случае электрические провода, присоединенные к верхнему и нижнему электродам, проходят от защитного слоя.
Опционально только одна из двух больших поверхностей покрывается защитным слоем.
Предпочтительно, преобразователь 460 является гибким и может адаптироваться к форме железнодорожного рельса, к которому должна быть приклеена одна из его больших поверхностей.
Клей может наноситься на защитный слой в случае, в котором защищены обе большие поверхности. В качестве альтернативы незащищенная большая поверхность приклеивается к рельсу.
В одном варианте осуществления проводящий клей используется для приклеивания по меньшей мере некоторой части незащищенных электродов, таким образом создавая электрический контакт между рельсом и упомянутым незащищенным электродом. В этих вариантах осуществления рельс используется в качестве общего проводника для множества таких преобразователей.
В других вариантах осуществления, в которых обе большие поверхности защищены, провод, присоединенный к верхнему электроду 464 или нижнему электроду 466, электрически присоединяется к упомянутому рельсу. В этих вариантах осуществления рельс используется в качестве общего проводника для множества таких преобразователей.
Пьезоэлектрический материал 462 поляризуется из условия, чтобы, когда преобразователь 460 растягивается вдоль своего продольного измерения или сжимается, вырабатывался электрический заряд и появлялся между верхним электродом 464 и нижним электродом 466.
Как будет видно на фиг.6, 7 и 8, удлиненные PZT-преобразователи, подобные удлиненному PZT-преобразователю 460, должны прикрепляться к железнодорожному рельсу в различных местах. Точные размеры удлиненного PZT-преобразователя, таким образом, зависят от места, в которое он крепится. В целом, привычно изготавливать удлиненные PZT-преобразователи с длиной до 50 см, шириной до 20 см и толщиной до нескольких мм. Узкие полосы иногда отрезаются от больших листов пьезоэлектрического материала.
Фиг.5 схематически изображает вид сверху системы 500 для сбора энергии, реализованной на железнодорожных путях 505, согласно примерному варианту осуществления настоящего изобретения.
В изображенных вариантах осуществления множество устройств генерирования энергии (в целом помеченных как 580, 582, 585 и 586) прикреплено к рельсам 520 или к шпалам 560, как будет изображено на следующих фигурах.
Предпочтительно, генераторы 580, 582, 585 или 586 энергии являются пьезоэлектрическими преобразователями, как изображено на фиг.3, 4a или 4b.
В предпочтительном варианте осуществления устройства генерирования энергии расположены через равные промежутки, ассоциативно связанные с одним или, предпочтительно, обоими рельсами 520.
Электрические кабели 503, присоединенные к устройствам генерирования энергии, используются для передачи выработанной энергии в блок 501 регулирования потребления энергии, при этом опционально несколько кабелей 503 объединяются в один кабель 502 питания, присоединенный к упомянутому блоку 501 регулирования потребления энергии. Приведенная в нужное состояние энергия затем передается кабелем 593 в систему 565 использования энергии. Опционально система 500 дополнительно содержит необязательный накопитель 555 энергии.
Энергия расходуется системой 585 использования энергии. Опционально система 565 использования энергии расположена поблизости от блока 501 регулирования потребления энергии и необязательного накопителя 555 энергии.
Например:
Энергия может использоваться для освещения железнодорожной станции ночью. В этом случае энергия, выработанная и накопленная в течение дня, может использоваться следующей ночью, когда вагонопоток может быть слишком небольшим для обеспечения полной потребности в электроэнергии.
Семафоры и знаки на обочинах железной дороги могут питаться энергией, особенно в удаленных и ненаселенных местоположениях и распутьях, где себестоимость обеспечения питания с использованием линий электропередачи от магистральной электрической сети может быть высокой. Другие применения могут состоять в том, чтобы питать блоки экстренной связи; базовые станции мобильной связи и придорожные рекламные объявления.
Так как электромобили становятся популярными, существует растущая потребность в придорожных зарядных станциях для аккумуляторных батарей. Может использоваться энергия, собранная с проходящих вагонов.
Выработанная энергия может направляться обратно для питания электропоезда, таким образом снижая расходы на электроэнергию и повышая эффективность. Точнее, собранную энергию не требуется транспортировать далеко, и она может использоваться для питания того же самого поезда, который ее вырабатывал.
В некоторых вариантах осуществления вся выработанная мощность или дополнительная мощность, оставшаяся после того, как была удовлетворена местная потребность в электроэнергии, экспортируется в магистральную электрическую сеть за плату, выплачиваемую электрической компанией, с использованием необязательного соединения 575. В этих вариантах осуществления блок регулирования потребления энергии может преобразовывать выработанную электроэнергию в высокое напряжение, используемое в линиях электропередачи высокого напряжения. В этих вариантах осуществления необязательное присоединение 507 к магистральной сети может использоваться в качестве резервного источника питания, который должен использоваться локально, когда движение транспорта истощено.
В одном из вариантов осуществления каждый кабель 503 изготовлен из двух проводов и все устройства генерирования энергии соединены параллельно. В качестве альтернативы, устройства генерирования энергии соединены последовательно. Комбинация параллельного и последовательного соединения также возможна.
В некоторых вариантах осуществления рельс 520 используется в качестве одного из проводников. В этих случаях кабель 502 питания содержит проводник, присоединенный к рельсу 520.
В некоторых вариантах осуществления электрическое выпрямление выполняется на каждом устройстве генерирования энергии или на группе устройств генерирования энергии и выпрямленный электрический сигнал передается кабелем.
Блок 501 регулирования потребления энергии может включать в себя преобразование и регулирование напряжения, необходимые для преобразования выработанного электрического сигнала в полезную форму.
Например, блок 501 регулирования потребления энергии может содержать преобразователь постоянного тока (DC) в переменный ток (AC), преобразующий выпрямленный выработанный сигнал в мощность переменного тока, готовую для питания устройств, сконструированных, чтобы питаться от обычной бытовой магистральной электрической сети.
В предпочтительном варианте осуществления блок 501 регулирования потребления энергии расположен в центре и обслуживает отрезок железной дороги, например 1 км железной дороги. Должно быть принято во внимание, что оптимизация расстояния между устройствами выработки энергии и блоками регулирования потребления энергии зависит от себестоимости прокладки кабеля, себестоимости устройств, потерь энергии в кабелях и т.д.
Предпочтительно, изображенная система сбора энергии продублирована вдоль железной дороги для дополнительного сбора энергии.
Следует отметить, что изображенный пример реализации в однопутной железной дороге на данной фигуре предназначен только для демонстрации и для целей простоты. Система может использоваться на однопутных или многопутных железных дорогах.
Фиг.6 схематически изображает вид сбоку реализации системы 500 для сбора энергии согласно примерному варианту осуществления изобретения.
Вид сбоку, изображенный на фиг.6, показывает шпалы 560, лежащие на гравии 570.
Тонкий упругий (резиновый) слой 540 предпочтительно помещен между шпалой 560 и креплением 550. Шайба 527, сжатая винтом 523 и гайкой 525, удерживает рельс 520 по отношению к креплению 550 и шпале 560.
На этом виде сбоку изображены местоположения маловозможных мест для удлиненных пьезокерамических преобразователей, таких как изображенные на фиг.4b.
Опционально, удлиненный пьезокерамический преобразователь 584 приклеивается или крепится к нижней грани рельса 520. В этом случае преобразователи 584 достаточно коротки, чтобы подходить к промежуткам между соседними шпалами 560.
Опционально, удлиненные пьезокерамические преобразователи 586a и 586b (только один преобразователь, 586a, виден на данной фигуре) приклеены или прикреплены к правой и левой грани соответственно подошвы рельса 520. В этом случае преобразователи 586 достаточно коротки, чтобы подходить к промежуткам между соседними шпалами 560. В качестве альтернативы используется только один из удлиненных пьезокерамических преобразователей 586a и 586b.
Опционально, удлиненные PZT-преобразователи 580a и 586b (только один преобразователь, 580a, виден на данной фигуре) приклеены или прикреплены к правой и левой грани соответственно головки рельса 520. В этом случае преобразователи 580 могут быть длиннее, чем промежутки между соседними шпалами 560. В качестве альтернативы, используется только один из удлиненных пьезокерамических преобразователей 580a и 586b.
Пунктирные линии A1 и A2 изображают места поперечных разрезов, видимых на фиг.7 и фиг.8 соответственно.
Фиг.7 схематически изображает поперечный разрез по линии A1 реализации системы сбора энергии согласно варианту осуществления настоящего изобретения.
На этом поперечном разрезе виден пьезокерамический преобразователь, размещенный в углублении в шпале 560. Предпочтительно, пьезокерамический преобразователь 582 является типом, изображенным на фиг.3 и 4a.
Когда поезд проезжает по рельсу 520, механическое напряжение, вызванное весом поезда, передается через рельс 520, крепление 550 и эластомерный слой 540 и нажимает на пьезокерамический преобразователь 582, заставляя вырабатываться заряд в упомянутом преобразователе.
Необязательные местоположения удлиненных преобразователей 580a и 580b у основания головки рельса также изображены на данной фигуре.
В примерном варианте осуществления настоящего изобретения ширина удлиненных преобразователей 580a и 580b имеет значение приблизительно 1,5 см, чтобы подходить к относительно плоским участкам под головкой рельса. В примерном варианте осуществления настоящего изобретения длина удлиненных преобразователей 580a и 580b определяется максимальной длиной преобразователя, который может производиться с точки зрения экономики. Длина удлиненных преобразователей 580a и 580b может быть большей, чем промежутки между шпалами. Опционально, рельс используется в качестве общего электрода или в качестве общего проводника для множества преобразователей 580a и 580b.
Когда поезд переезжает удлиненные преобразователи 580a и 580b, рельс деформируется и прогибается вниз под весом поезда, заставляя преобразователи 580a и 580b растягиваться, таким образом вызывая вырабатывание заряда в упомянутых преобразователях.
Фиг.8 схематически изображает еще один поперечный разрез по линии A2, пересекающий промежуток между шпалами, реализации системы сбора энергии согласно варианту осуществления настоящего изобретения.
Опционально, удлиненный пьезокерамический преобразователь 584 приклеивается или крепится к нижней грани рельса 520. В этом случае преобразователи 584 достаточно коротки, чтобы подходить к промежуткам между соседними шпалами.
Опционально, удлиненные пьезокерамические преобразователи 586a и 586b приклеиваются или прикрепляются к правой и левой грани соответственно подошвы рельса 520. В этом случае преобразователи 586 достаточно коротки, чтобы подходить к промежуткам между соседними шпалами 560. В качестве альтернативы, используется только один из удлиненных пьезокерамических преобразователей 586a и 586b.
В примерном варианте осуществления настоящего изобретения ширина удлиненного преобразователя 584 имеет значение приблизительно 14 см, чтобы подходить к относительно плоским участкам на подошве рельса. В примерном варианте осуществления настоящего изобретения длина удлиненного преобразователя 584 определяется свободным пространством между шпалами приблизительно в 30 см.
Фиг.8 также показывает удлиненные преобразователи 580a и 580b, уже показанные на фиг.7.
Опционально, удлиненные пьезокерамические преобразователи 586a и 586b приклеиваются или прикрепляются к правой и левой грани соответственно подошвы рельса 520. В этом случае преобразователи 586 предпочтительно короче, чем промежутки между соседними шпалами. В качестве альтернативы, используется только один из удлиненных пьезокерамических преобразователей 586a и 586b.
В примерном варианте осуществления настоящего изобретения ширина удлиненного преобразователя 586 имеет значение приблизительно 5 см, чтобы подходить к относительно плоским участкам на верхней стороне подошвы рельса. В примерном варианте осуществления настоящего изобретения длина удлиненного преобразователя 586 определяется свободным пространством между шпалами приблизительно в 30 см.
Когда поезд переезжает удлиненные преобразователи, рельс деформируется и прогибается вниз под весом поезда, заставляя преобразователи 580a, 580b и 584 растягиваться и заставляя 586a, 586b сжиматься, таким образом вызывая вырабатывание заряда в упомянутых преобразователях.
Должно быть отмечено, что энергия может вырабатываться не только деформацией растяжения и сжатия, обусловленной движением поезда, но также и вследствие шума и вибрации, вызываемых проходящим поездом, а также деформаций и механических напряжений, вызванных поездом, движущимся по близлежащему пути.
Должно быть принято во внимание, что некоторые признаки изобретения, которые для ясности описаны в контексте отдельных вариантов осуществления, также могут быть предусмотрены в комбинации в одиночном варианте осуществления. Наоборот, различные признаки изобретения, которые для краткости описаны в контексте одиночного варианта осуществления, также могут быть предусмотрены отдельно или в любой подходящей подкомбинации.
Хотя изобретение было описано в сочетании с его отдельными вариантами осуществления, очевидно, что многие альтернативы, модификации и варианты будут очевидны для специалистов в данной области техники. Соответственно, предполагается, что оно охватывает все такие альтернативы, модификации и варианты, которые подпадают под сущность и обширный объем прилагаемой формулы изобретения. Все упомянутые публикации, патенты и заявки на патенты включены в данное описание изобретения посредством ссылки во всей своей полноте в такой же мере, как если бы каждая отдельная публикация, патент или заявка на патент была конкретно и отдельно указана включенной в материалы настоящей заявки посредством ссылки. В дополнение, цитирование, или идентификация, или любая ссылка в этой заявке не должна истолковываться в качестве допущения, что такая ссылка пригодна в качестве предшествующего уровня техники по отношению к настоящему изобретению.

Claims (15)

1. Система для сбора энергии с железнодорожных путей, имеющая множество шпал, отличающаяся тем, что она содержит множество пьезоэлектрических устройств, способных к выработке электроэнергии, блок регулирования мощности; электрические проводники, соединяющие упомянутое множество пьезоэлектрических устройств с упомянутым блоком регулирования мощности, при этом по меньшей мере один из упомянутого множества пьезоэлектрических устройств встроен в углубления во множестве шпал, под креплением рельса.
2. Система для сбора энергии по п.1, в которой упомянутое множество пьезоэлектрических устройств являются удлиненными пьезоэлектрическими стержнями.
3. Система для сбора энергии по п.1, в которой по меньшей мере один из упомянутых электрических проводников является железнодорожным рельсом, при этом упомянутый железнодорожный рельс используется для передачи собранной энергии.
4. Система для сбора энергии по п.2, в которой упомянутые пьезоэлектрические стержни встроены в матрицу, и при этом упомянутая матрица содержит связующее вещество.
5. Система для сбора энергии по п.4, в которой упомянутое связующее вещество может быть выбрано из группы связующих веществ, таких как эпоксидная смола, термопластичный полимер, резина, натуральный эластичный материал и синтетический эластичный материал.
6. Система для сбора энергии по п.4, в которой упомянутое множество пьезоэлектрических стержней расположено в пределах упомянутого множества пьезоэлектрических устройств, так что проходящий поезд создает сжимающее напряжение по продольной оси упомянутого множества пьезоэлектрических стержней.
7. Система для сбора энергии по п.4, в которой упомянутое множество пьезоэлектрических стержней содержит многослойную пьезоэлектрическую стопу.
8. Система для сбора энергии по п.1, в которой блок регулирования мощности дополнительно соединен с блоком накопления энергии или станции зарядки аккумуляторных батарей для зарядки аккумуляторных батарей электрических транспортных средств.
9. Система для сбора энергии по п.4, в которой упомянутое множество пьезоэлектрических устройств имеет по меньшей мере один конструктивный параметр, который выбран согласно эксплуатационной характеристике упомянутого множества пьезоэлектрических устройств.
10. Система для сбора энергии по п.9, в которой упомянутый по меньшей мере один конструктивный параметр выбирается из группы параметров, таких как количество стержней, длина стержней, форма стержней, поперечное сечение стержней, соотношение размеров стержней, положение стержней, количество слоев стержней в пьезоэлектрической стопе и плотность стержней.
11. Система для сбора энергии по п.9, в которой упомянутая эксплуатационная характеристика содержит нагрузку.
12. Способ для сбора энергии с железнодорожных путей, отличающийся тем, что включает размещение множества пьезоэлектрических устройств, способных к выработке электроэнергии, в углублениях в железнодорожных шпалах под креплениями рельса, и соединение блока регулирования мощности с упомянутым множеством пьезоэлектрических устройств электрическими проводниками.
13. Способ для сбора энергии по п.12, в котором упомянутое множество пьезоэлектрических устройств являются удлиненными пьезоэлектрическими стержнями.
14. Способ для сбора энергии по п.12, дополнительно включающий передачу собранной энергии по рельсу железнодорожных путей.
15. Способ для сбора энергии по п.13, в котором упомянутое размещение упомянутого множества пьезоэлектрических устройств состоит в том, что прикрепляют по меньшей мере некоторые из упомянутого множества пьезоэлектрических устройств к углублениям в шпалах так, что проходящий поезд производит сжимающее напряжение вдоль продольной оси упомянутого множества пьезоэлектрических стержней.
RU2010136931/11A 2008-02-06 2008-12-04 Устройство, система и способ сбора энергии с железнодорожных путей RU2459735C2 (ru)

Applications Claiming Priority (4)

Application Number Priority Date Filing Date Title
US2660008P 2008-02-06 2008-02-06
US61/026,600 2008-02-06
US12/195,670 US7812508B2 (en) 2008-02-06 2008-08-21 Power harvesting from railway; apparatus, system and method
US12/195,670 2008-08-21

Publications (2)

Publication Number Publication Date
RU2010136931A RU2010136931A (ru) 2012-03-20
RU2459735C2 true RU2459735C2 (ru) 2012-08-27

Family

ID=40930987

Family Applications (2)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2010136931/11A RU2459735C2 (ru) 2008-02-06 2008-12-04 Устройство, система и способ сбора энергии с железнодорожных путей
RU2010136930/07A RU2482568C2 (ru) 2008-02-06 2009-01-19 Сбор энергии с дорог и взлетно-посадочных полос

Family Applications After (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2010136930/07A RU2482568C2 (ru) 2008-02-06 2009-01-19 Сбор энергии с дорог и взлетно-посадочных полос

Country Status (11)

Country Link
US (2) US7812508B2 (ru)
EP (1) EP2252739A1 (ru)
JP (1) JP2011511618A (ru)
KR (1) KR20100130188A (ru)
CN (1) CN102084062A (ru)
BR (1) BRPI0822372A2 (ru)
CA (1) CA2715112C (ru)
IL (1) IL207474A0 (ru)
MX (1) MX2010008302A (ru)
RU (2) RU2459735C2 (ru)
WO (1) WO2009098673A1 (ru)

Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2647094C1 (ru) * 2014-03-12 2018-03-13 Сименс Аг Эстеррайх Устройство для распознавания препятствий у рельсовых транспортных средств
RU2666073C1 (ru) * 2017-09-27 2018-09-05 Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Морской государственный университет имени адмирала Г.И. Невельского" Система для сбора электроэнергии с железнодорожных путей
RU221818U1 (ru) * 2023-04-06 2023-11-23 Открытое Акционерное Общество "Российские Железные Дороги" Устройство преобразования вибраций элементов железнодорожного полотна в электрическую энергию

Families Citing this family (53)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US7948215B2 (en) * 2007-04-19 2011-05-24 Hadronex, Inc. Methods and apparatuses for power generation in enclosures
EP2221954B1 (en) * 2007-11-13 2015-04-29 Kohei Hayamizu Power generation unit and light emitting tool
US7812508B2 (en) * 2008-02-06 2010-10-12 Innowattech Ltd. Power harvesting from railway; apparatus, system and method
US8310070B2 (en) * 2008-06-16 2012-11-13 General Electric Company Method and system for generating electricity
US8080901B2 (en) * 2009-03-16 2011-12-20 Doraisamy Loganathan Multi-source integrated electricity generation from novel smart roads and pavements
KR101069155B1 (ko) * 2009-09-29 2011-09-30 건국대학교 산학협력단 압전소자가 구비된 탄성교량받침
US20110109102A1 (en) * 2009-10-29 2011-05-12 Mccoy John J Meta-material vibration energy harvester
US20110127090A1 (en) * 2009-12-02 2011-06-02 Krishna Vijayaraghavan Weigh-In-Motion (WIM) Sensor
US20120049692A1 (en) * 2010-06-24 2012-03-01 Boyd Stephen A System for harvesting energy from motor vehicle surfaces and methods thereof
TW201203786A (en) * 2010-07-14 2012-01-16 Hon Hai Prec Ind Co Ltd Container data center and power supply system thereof
WO2012038955A1 (en) 2010-09-20 2012-03-29 Innowattech Ltd. Piezoelectric-based weigh-in-motion system and method for moving vehicles
TW201213638A (en) * 2010-09-24 2012-04-01 Foxsemicon Integrated Tech Inc Rail
US8344529B2 (en) * 2011-01-18 2013-01-01 Energy Intelligence, LLC Method and system for energy harvesting
US8164204B2 (en) * 2011-02-17 2012-04-24 Jack Shihzong Jang Electrical generator apparatus, particularly for use on a vehicle roadway
US9287753B2 (en) 2011-02-17 2016-03-15 Jack Shihzong Jang Electrical generator apparatus, particularly for use on a vehicle roadway
US8928160B2 (en) 2011-02-17 2015-01-06 Jack Shihzong Jang Electrical generator apparatus, particularly for use on a vehicle roadway
US9394876B2 (en) 2011-04-15 2016-07-19 The Research Foundation For The State University Of New York High-efficiency energy generator for harnessing mechanical vibration power
GB201110474D0 (en) * 2011-06-21 2011-08-03 Ritchie Ian Piezoelectric membrane
CO6610229A1 (es) 2011-07-25 2013-02-01 Ramirez Esteban Marin Sistema de membranas piezoelectricas para la generación de energia en sistemas viales
US8952570B2 (en) 2011-08-25 2015-02-10 Hamilton Sundstrand Corporation Active damping with a switched capacitor
US8669743B2 (en) 2011-08-25 2014-03-11 Hamilton Sundstrand Corporation Direct current electric power system with active damping
US8625243B2 (en) 2011-08-25 2014-01-07 Hamilton Sundstrand Corporation Multi-functional solid state power controller
US8829826B2 (en) 2011-08-25 2014-09-09 Hamilton Sundstrand Corporation Regenerative load electric power management systems and methods
US8553373B2 (en) 2011-08-25 2013-10-08 Hamilton Sundstrand Corporation Solid state power controller for high voltage direct current systems
US8890463B2 (en) 2011-08-25 2014-11-18 Hamilton Sundstrand Corporation Direct current bus management controller
WO2013038415A1 (en) * 2011-09-13 2013-03-21 Innowattech Ltd. Modular piezoelectric generators with a mechanical force multiplier
GB2498215B (en) * 2012-01-09 2016-05-04 Abu Al-Rubb Khalil A pavement interlayer
CN103208899B (zh) * 2012-01-16 2016-02-17 曾胜克 发电装置
PT106123A (pt) 2012-01-31 2013-07-31 Waydip En E Ambiente Lda Sistema eletromecânico de geração e armazenamento de energia elétrica a partir do movimento de uma superfície
WO2014051299A1 (ko) * 2012-09-25 2014-04-03 Bae Sang-Cheol 발전용 압전소자 및 이를 이용한 발전장치
TW201416552A (zh) * 2012-10-23 2014-05-01 Jenn-Kun Kuo 軌道車振動能量收集系統
ES2471290B1 (es) * 2012-11-06 2015-04-21 Abccus Soluciones E Innovacion S.L. Conjunto que genera energía eléctrica mediante piezoelectricidad
US9774277B2 (en) * 2012-11-13 2017-09-26 The Board Of Trustees Of The Leland Stanford Junior University Energy harvesting
KR102009992B1 (ko) 2012-11-30 2019-08-12 삼성전자주식회사 에너지 수확 장치
US9913321B2 (en) * 2013-01-25 2018-03-06 Energyield, Llc Energy harvesting container
WO2014133464A1 (en) * 2013-02-28 2014-09-04 Nanyang Technological University A piezoelectric energy harvester
WO2014152889A1 (en) * 2013-03-14 2014-09-25 Erickson Michael J Roadway renewable energy generation system and method
CN104052328A (zh) * 2013-03-16 2014-09-17 申国平 压电能量收集器
CA2945840A1 (en) 2013-04-15 2014-10-23 Kinergypower International Corp. Railroad kinetic energy harnessing apparatus
MX352681B (es) * 2014-03-21 2017-11-23 Jose Humberto Villasenor Aguillon Aparato y metódo para generar, captar, almacenar y utilizar energía eléctrica a partir del estrés mecánico de uno a muchos transductores.
CN103929094A (zh) * 2014-03-24 2014-07-16 中国市政工程西北设计研究院有限公司浙江分院 利用压电技术在轨道交通上产生再生能源的方法
WO2017007359A1 (en) * 2015-07-06 2017-01-12 Siemens Aktiengesellschaft A technique for generating electric power from a rail joint gap
WO2017007360A1 (en) * 2015-07-06 2017-01-12 Siemens Aktiengesellschaft A technique for generating electric power from a rail in a railway track
JP6672817B2 (ja) * 2016-01-15 2020-03-25 株式会社リコー 素子
US10243136B2 (en) * 2016-08-22 2019-03-26 Masoud Ghanbari Piezoelectric energy harvesting system from vehicle's tires
RU2665479C2 (ru) * 2016-09-06 2018-08-30 Петр Тихонович Харитонов Система автономного питания и подзарядки мобильных устройств у остановок автотранспорта
EP3586003A1 (en) 2017-02-27 2020-01-01 Universidade de Coimbra Device for applying in a pavement for collecting mechanical energy from vehicles passing over for generating electricity
CN107086812A (zh) * 2017-05-16 2017-08-22 南京邮电大学 一种基于剪切压电叠堆的微型纳米马达
US11007886B2 (en) 2018-11-19 2021-05-18 King Abdulaziz University Traffic control system using wireless power charging
CN111893835B (zh) * 2020-07-30 2022-01-07 长安大学 一种基于压电效应的装配式智能感知路面结构及系统
CN112681030A (zh) * 2020-12-16 2021-04-20 江苏必得科技股份有限公司 一种轨道交通复合多层压电阵列储能垫板
US20220337124A1 (en) * 2021-04-14 2022-10-20 Virginia Tech Intellectual Properties, Inc. Kinetic energy-harvesting device for powering and charging railway and other applications
WO2023248189A1 (en) * 2022-06-23 2023-12-28 Smart Roads Ltd Sub-surface energy system

Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE2924190A1 (de) * 1979-06-15 1980-12-18 Siemens Ag Einrichtung zum feststellen der anwesenheit und/oder des gewichtes von eisenbahnfahrzeugen
RU2095265C1 (ru) * 1995-08-01 1997-11-10 Пименов Борис Иванович Способ получения разности электрических потенциалов
CN1633009A (zh) * 2005-01-04 2005-06-29 西安交通大学 利用公路系统振动能量压电发电的方法及系统
US20060118678A1 (en) * 2004-12-06 2006-06-08 Wells Kenneth B Ii Self powered railway monitoring system

Family Cites Families (50)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US3105952A (en) * 1960-08-04 1963-10-01 Kidder Warren Benjamin Pressure detecting method and apparatus
US3616682A (en) * 1968-09-23 1971-11-02 Univ Ohio State Ultrasonic nondestructive thickness gauge
US4130064A (en) * 1976-12-20 1978-12-19 Bridwell Phillip P Energy generating system for a roadway or railway
GB2003635B (en) * 1977-07-16 1982-02-17 Plessey Co Ltd Technique for embedding pressure-sensitive cables in a road surface to minimise mechanical resonance
US4330593A (en) * 1980-11-13 1982-05-18 The United States Of America As Represented By The Secretary Of The Navy PZT/Polymer composites and their fabrication
US4412148A (en) * 1981-04-24 1983-10-25 The United States Of America As Represented By The Secretary Of The Navy PZT Composite and a fabrication method thereof
US4404490A (en) * 1983-09-12 1983-09-13 Taylor George W Power generation from waves near the surface of bodies of water
US4712423A (en) * 1985-01-04 1987-12-15 Laboratoire Central Des Ponts Et Chaussees Process and apparatus for measuring the dynamic loads applied to a highway by the road traffic
US4728845A (en) * 1987-06-30 1988-03-01 The United States Of America As Represented By The Secretary Of The Navy 1-3-0 Connectivity piezoelectric composite with void
US4799381A (en) * 1988-02-21 1989-01-24 Cmi International, Inc. Vehicle road sensor
US5065068A (en) * 1989-06-07 1991-11-12 Oakley Clyde G Ferroelectric ceramic transducer
CH683714A5 (de) * 1990-12-19 1994-04-29 Kk Holding Ag Kraftsensoranordnung, insbesondere zur dynamischen Achslast-, Geschwindigkeits-, Achsabstands- und Gesamtgewichtsbestimmung von Fahrzeugen.
JPH06141478A (ja) * 1992-10-27 1994-05-20 Nec Corp 電気エネルギー供給システム
US5334903A (en) * 1992-12-04 1994-08-02 The United States Of America As Represented By The Secretary Of The Navy Composite piezoelectrics utilizing a negative Poisson ratio polymer
US5520056A (en) * 1993-04-01 1996-05-28 Etat Francais Process for conditioning and for placing a traffic sensor
US5340510A (en) * 1993-04-05 1994-08-23 Materials Systems Incorporated Method for making piezoelectric ceramic/polymer composite transducers
CH689599A5 (de) * 1993-11-23 1999-06-30 Kk Holding Ag Aufnehmer-Anordnung zum Einbau in Fahrbahnen zwecks Erfassung der Gewichte und/oder der fahrdynamischen Reaktionen von Fahrzeugrädern.
US5376859A (en) * 1994-02-07 1994-12-27 The United States Of America As Represented By The Secretary Of The Navy Transducers with improved signal transfer
JPH0898564A (ja) * 1994-09-22 1996-04-12 Mitsubishi Heavy Ind Ltd エネルギー回収装置
US5825386A (en) * 1995-03-09 1998-10-20 Brother Kogyo Kabushiki Kaisha Piezoelectric ink-jet device and process for manufacturing the same
US5818149A (en) * 1996-03-25 1998-10-06 Rutgers, The State University Of New Jersey Ceramic composites and methods for producing same
JPH1073073A (ja) * 1996-08-29 1998-03-17 Otsuka Giken Kogyo Kk 発電装置
US5796207A (en) * 1997-04-28 1998-08-18 Rutgers, The State University Of New Jersey Oriented piezo electric ceramics and ceramic/polymer composites
US6277299B1 (en) * 1998-11-25 2001-08-21 General Electric Company High-sensitivity piezocomposite material and ultrasonic transducer made therefrom
US6806622B1 (en) * 1999-10-22 2004-10-19 Materials Systems, Inc. Impact-reinforced piezocomposite transducer array
US6262517B1 (en) * 2000-02-11 2001-07-17 Materials Systems, Inc. Pressure resistant piezoelectric acoustic sensor
GB2361479A (en) * 2000-04-11 2001-10-24 Secr Defence Electric-field structuring of composite materials
JP2002063685A (ja) * 2000-08-23 2002-02-28 Nok Corp 車両センサ及び車両センサの敷設方法
DE10052636B4 (de) * 2000-10-24 2004-07-08 Atlas Elektronik Gmbh Verfahren zur Herstellung eines Ultraschallwandlers
US6769313B2 (en) * 2001-09-14 2004-08-03 Paricon Technologies Corporation Flexible tactile sensor
KR100407377B1 (ko) * 2001-10-30 2003-11-28 전자부품연구원 마이크로 소자의 제조 방법 및 그를 성형하기 위한 금형의제조 방법
GB2389249A (en) * 2002-05-29 2003-12-03 Mark Colin Porter Electricity generating abstract
JP2004100840A (ja) * 2002-09-10 2004-04-02 Takenaka Komuten Co Ltd 振動源支持装置
US7304416B2 (en) * 2003-02-21 2007-12-04 Jeffrey D Mullen Maximizing power generation in and distributing force amongst piezoelectric generators
DE602004025948D1 (de) * 2003-07-30 2010-04-22 Boeing Co Anspannungsenergie-shuttle-vorrichtung und verfahren zur sammlung von vibrationsenergie
US20050127677A1 (en) * 2003-12-03 2005-06-16 Luttrull Jeffrey K. Roadway generating electrical power by incorporating piezoelectric materials
JP2005353015A (ja) * 2004-06-08 2005-12-22 Takuo Kokatsu 未利用エネルギーを抽出・収集・有効活用し、道路情報を一元管理する環境調和型道路エネルギー活用システム。
JP2006032935A (ja) * 2004-06-18 2006-02-02 Yamada Kensetsu Kk 圧電発電装置及びそれを用いた発電システム
US7193332B2 (en) * 2004-10-25 2007-03-20 Omnitek Partners Llc Methods and apparatus for generating power from vehicles
RU2278992C1 (ru) * 2004-11-16 2006-06-27 Александр Викторович Мартьянов Установка для преобразования давления движущегося транспорта в электроэнергию (варианты) и устройство дорожного покрытия для такой установки
CN100336281C (zh) * 2004-11-22 2007-09-05 西安交通大学 车辆轨道振动能量压电发电方法及其系统
CN100336238C (zh) * 2005-01-04 2007-09-05 西安交通大学 利用公路路面振动能量压电发电的方法及其道路灯具系统
JP2006197704A (ja) * 2005-01-13 2006-07-27 Jr Higashi Nippon Consultants Kk 発電システム
DE102005053538A1 (de) * 2005-11-08 2007-05-10 Db Netz Ag Verfahren zur Datenübertragung und zentralen Datenerfassung von Messdaten stationärer Diagnosesysteme
JP2008019329A (ja) * 2006-07-12 2008-01-31 Toyobo Co Ltd 不飽和ポリエステル樹脂および不飽和ポリエステル樹脂組成物とそれらの製造方法
US20080074002A1 (en) * 2006-09-26 2008-03-27 Shashank Priya Piezoelectric energy harvester
JP2008099489A (ja) * 2006-10-13 2008-04-24 Taiheiyo Cement Corp エネルギー変換装置
WO2008127823A1 (en) * 2007-04-12 2008-10-23 Faramarz Frank Ghassemi Electro gravity plates for generating electricity from passage of vehicles over the plates
US7812508B2 (en) * 2008-02-06 2010-10-12 Innowattech Ltd. Power harvesting from railway; apparatus, system and method
US20090195124A1 (en) * 2008-02-06 2009-08-06 Innowattech Ltd. Energy harvesting from airport runway

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE2924190A1 (de) * 1979-06-15 1980-12-18 Siemens Ag Einrichtung zum feststellen der anwesenheit und/oder des gewichtes von eisenbahnfahrzeugen
RU2095265C1 (ru) * 1995-08-01 1997-11-10 Пименов Борис Иванович Способ получения разности электрических потенциалов
US20060118678A1 (en) * 2004-12-06 2006-06-08 Wells Kenneth B Ii Self powered railway monitoring system
CN1633009A (zh) * 2005-01-04 2005-06-29 西安交通大学 利用公路系统振动能量压电发电的方法及系统

Cited By (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2647094C1 (ru) * 2014-03-12 2018-03-13 Сименс Аг Эстеррайх Устройство для распознавания препятствий у рельсовых транспортных средств
US10286936B2 (en) 2014-03-12 2019-05-14 Siemens Ag Österreich Device for detecting obstacles for rail vehicles
RU2666073C1 (ru) * 2017-09-27 2018-09-05 Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Морской государственный университет имени адмирала Г.И. Невельского" Система для сбора электроэнергии с железнодорожных путей
RU221818U1 (ru) * 2023-04-06 2023-11-23 Открытое Акционерное Общество "Российские Железные Дороги" Устройство преобразования вибраций элементов железнодорожного полотна в электрическую энергию

Also Published As

Publication number Publication date
EP2252739A1 (en) 2010-11-24
JP2011511618A (ja) 2011-04-07
RU2010136931A (ru) 2012-03-20
US7812508B2 (en) 2010-10-12
US20090195122A1 (en) 2009-08-06
IL207474A0 (en) 2010-12-30
WO2009098673A1 (en) 2009-08-13
RU2482568C2 (ru) 2013-05-20
CA2715112A1 (en) 2009-08-13
US7830071B2 (en) 2010-11-09
US20090195226A1 (en) 2009-08-06
MX2010008302A (es) 2011-03-04
KR20100130188A (ko) 2010-12-10
BRPI0822372A2 (pt) 2018-12-04
CN102084062A (zh) 2011-06-01
RU2010136930A (ru) 2012-03-20
CA2715112C (en) 2013-08-13

Similar Documents

Publication Publication Date Title
RU2459735C2 (ru) Устройство, система и способ сбора энергии с железнодорожных путей
CA2715129C (en) Energy harvesting from roads and airport runways
US8278800B2 (en) Multi-layer piezoelectric generator
Li et al. A flex-compressive-mode piezoelectric transducer for mechanical vibration/strain energy harvesting
CN102324871B (zh) 一种压电型能量收集单元及其应用
Zhao et al. A comparative analysis of piezoelectric transducers for harvesting energy from asphalt pavement
US20090195124A1 (en) Energy harvesting from airport runway
US20110291526A1 (en) Piezoelectric stack compression generator
JP6327773B1 (ja) 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
Wang et al. Development and application performance of road spring-type piezoelectric transducer for energy harvesting
EP1394868A1 (en) Piezoelectric generator
CN104011889A (zh) 压电能量采集装置或致动器
Dhingra et al. Energy Harvesting using Piezoelectric Materials
CN105720860B (zh) 一种轨载式压电梁振动发电装置
CN108616227B (zh) 一种环形阵列式的压电俘能器装置
CN213213352U (zh) 一种高性能轨道交通压电俘能器
CN102570901A (zh) 压力发电模块
CN108429489B (zh) 建筑物振动能量收集装置
Datta et al. Conceptualizing implementation of piezoelectric materials in transportation to harvest energy
Embuldeniya Harvesting vibration energy by employing piezoelectricity and electromagnetism
Ahmed Mobile charger using piezoelectric effect
CN116356616A (zh) 一种基于柔性压电结构的自俘能轨道扣件
CN102339953B (zh) 能量收集装置
WO2013038415A1 (en) Modular piezoelectric generators with a mechanical force multiplier
WO2010116348A1 (en) Modular piezoelectric generators

Legal Events

Date Code Title Description
MM4A The patent is invalid due to non-payment of fees

Effective date: 20141205