一種壓電式節(jié)能道路照明系統(tǒng)的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本實(shí)用新型涉及一種基于壓電材料提供電能的道路節(jié)能照明系統(tǒng)，可以感應(yīng)車(chē)輛 自動(dòng)開(kāi)啟關(guān)閉并自動(dòng)供能的照明系統(tǒng)，車(chē)輛離開(kāi)后自動(dòng)關(guān)閉。
【背景技術(shù)】
[0002] 目前，全球能源的日益緊張。我國(guó)道路上普遍使用的是太陽(yáng)能路燈照明系統(tǒng)。該 系統(tǒng)利用太陽(yáng)能電池板，在白天將太陽(yáng)能轉(zhuǎn)化為電能作為唯一的供電源。但是，在太陽(yáng)輻照 不足的天氣里以及某些地方?jīng)]有足夠的太陽(yáng)照射的情況下，太陽(yáng)能難以保證供電系統(tǒng)的正 常運(yùn)行。并且，該系統(tǒng)同樣需要監(jiān)控路燈控制系統(tǒng)，需要人為開(kāi)啟和關(guān)閉路燈，在某些公路 上若長(zhǎng)時(shí)間沒(méi)有車(chē)輛經(jīng)過(guò)，造成能源浪費(fèi)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003] 為了避免路燈因早開(kāi)或晚關(guān)，以及沒(méi)有車(chē)輛經(jīng)過(guò)而亮燈造成的能源浪費(fèi)，本實(shí)用 新型提供一種新型照明系統(tǒng)，該照明系統(tǒng)不僅可以保證路燈的能源供給自給自足，而且不 需要人為控制照明系統(tǒng)，達(dá)到自動(dòng)感應(yīng)開(kāi)關(guān)燈的效果。車(chē)輛駛來(lái)是自動(dòng)開(kāi)燈，車(chē)輛離開(kāi)自動(dòng) 關(guān)閉。
[0004] 本實(shí)用新型的技術(shù)方案是：設(shè)計(jì)一種壓電式節(jié)能道路照明系統(tǒng)，其特征在于，包括 若干組壓電換能結(jié)構(gòu)1、兩級(jí)能量降壓式DC-DC變換電路3、光學(xué)傳感器7、穩(wěn)壓整流系統(tǒng)8 和變壓輸出系統(tǒng)9 ;所述壓電換能結(jié)構(gòu)1包括兩個(gè)鈸型金屬帽11和兩個(gè)陶瓷片10 ;陶瓷片 10與鈸型金屬帽11開(kāi)口端相連接，且兩片陶瓷片10未接觸；若干組壓電換能結(jié)構(gòu)1相互 并聯(lián)，且兩端的鈸型金屬帽11上各設(shè)有一導(dǎo)電片，作為電極；壓電換能結(jié)構(gòu)1將所受到的擠 壓力變?yōu)殡娔芎?，通過(guò)兩級(jí)能量降壓式DC-DC變換電路3將交流電轉(zhuǎn)變?yōu)橹绷麟?，?jīng)過(guò)光學(xué) 傳感器7傳入穩(wěn)壓整流電路8 ;經(jīng)過(guò)穩(wěn)壓整流電路8穩(wěn)壓整流后，傳入變壓輸出電路9,經(jīng)過(guò) 變壓輸出電路9調(diào)節(jié)輸出電壓后，傳給路燈。
[0005] 本實(shí)用新型的進(jìn)一步技術(shù)方案是：所述兩級(jí)能量降壓式DC-DC變換電路3包括若 干二極管、放大電路T、動(dòng)態(tài)電容Cr、靜態(tài)電容Cf、儲(chǔ)存電容D、電感L、負(fù)載&和電源P;電源 P與整個(gè)電路串聯(lián)，其中若干二極管組成整流橋后，與儲(chǔ)存電容D、動(dòng)態(tài)電容Cr、靜態(tài)電容Cf、 負(fù)載&相互并聯(lián)；動(dòng)態(tài)電容Cr與儲(chǔ)存電容D之間串聯(lián)有放大電路T，儲(chǔ)存電容D與靜態(tài)電 容Cf之間串聯(lián)有電感L。
[0006] 本實(shí)用新型的進(jìn)一步技術(shù)方案是：所述負(fù)載為穩(wěn)壓整流電路，所述電源P為壓電 換能系統(tǒng)。
[0007] 發(fā)明效果
[0008] 本實(shí)用新型的技術(shù)效果在于：將行駛車(chē)輛的機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電能提供給照明系統(tǒng)， 不需要其他能源的供給；沒(méi)有車(chē)輛及行人經(jīng)過(guò)時(shí)，照明系統(tǒng)自動(dòng)關(guān)閉，避免浪費(fèi)多余的照明 電能；不需要人工控制系統(tǒng)，該照明系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)開(kāi)啟關(guān)閉的功能。
【附圖說(shuō)明】
[0009] 圖1 :是本實(shí)用新型應(yīng)用在實(shí)際中的總體效果圖。
[0010] 圖2 :是外力作用于壓電式能量轉(zhuǎn)換系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0011] 圖3 :是鈸型壓電換能結(jié)構(gòu)示意圖。
[0012] 圖4 :是本實(shí)用新型結(jié)構(gòu)示意圖。
[0013] 圖5 :是壓電式兩級(jí)能量降壓式DC-DC變換電路的電路圖。
[0014] 附圖1標(biāo)記說(shuō)明：1_壓電換能結(jié)構(gòu)；2-路燈；3-兩級(jí)能量降壓式DC-DC變換電路； 4-電路回路；5-車(chē)輪載荷；6-路面；7-光學(xué)傳感器；8-穩(wěn)壓整流電路；9-變壓輸出電路； 10-陶瓷片；11-鈸型金屬帽。
【具體實(shí)施方式】
[0015] 下面結(jié)合具體實(shí)施實(shí)例，對(duì)本實(shí)用新型技術(shù)方案進(jìn)一步說(shuō)明。
[0016] 1、在圖1中，埋在道路表面以下lcm-5cm范圍內(nèi)的壓電式節(jié)能道路照明系統(tǒng)包括 壓電換能結(jié)構(gòu)1，兩級(jí)能量降壓式DC-DC變換電路3,光學(xué)傳感器7,穩(wěn)壓整流電路8,以及變 壓輸出電路9五個(gè)部分組成。該系統(tǒng)通過(guò)電路回路4與道路兩旁的路燈2相連接，且每一 組的壓電換能結(jié)構(gòu)1僅供能于相距前方0_50m的路燈2。光學(xué)傳感器7主要用于對(duì)光照強(qiáng) 度的感應(yīng)，當(dāng)光照低于設(shè)定值時(shí)，則導(dǎo)通壓電式能量轉(zhuǎn)換系統(tǒng)，使其為照明系統(tǒng)供電。穩(wěn)壓 整流電路8主要用于對(duì)壓電換能系統(tǒng)的輸出電壓進(jìn)行穩(wěn)壓整流。變壓輸出電路9主要用于 根據(jù)負(fù)載照明系統(tǒng)所需的電壓進(jìn)行調(diào)節(jié)輸出電壓。當(dāng)車(chē)輛以40km/h的速度行駛過(guò)道路時(shí)， 壓電換能系統(tǒng)會(huì)立即對(duì)車(chē)輛前方的照明系統(tǒng)提供電能，使得前方50m范圍的燈可以自動(dòng)開(kāi) 啟，當(dāng)車(chē)輛及行人離去后，照明系統(tǒng)自動(dòng)關(guān)閉。燈亮可持續(xù)3. 5s，車(chē)輛可以在3. 5s內(nèi)到達(dá)下 一個(gè)壓電系統(tǒng)，此時(shí)該路燈關(guān)閉，下一個(gè)路燈開(kāi)啟。
[0017] 2、在圖2中，車(chē)輪載荷5作用到路面6表面，使得壓電換能結(jié)構(gòu)1受到垂直路面的 擠壓應(yīng)力，產(chǎn)生應(yīng)變變形，繼而產(chǎn)生變形能。高效率的壓電換能結(jié)構(gòu)1將應(yīng)變能轉(zhuǎn)換為可利 用的電能，電流分辨通過(guò)光學(xué)傳感器7,穩(wěn)壓整流電路8,以及變壓輸出電路9流向路燈，從 而實(shí)現(xiàn)對(duì)照明系統(tǒng)電能的供應(yīng)。
[0018] 3、在圖3中，表示壓電換能結(jié)構(gòu)1，即由兩片鈸型金屬帽11，及它們之間夾的壓電 陶瓷片10粘接組成。選取PZT-82為壓電陶瓷材料，采用厚度為2mm;選取厚度為0. 5mm的 H62黃銅片制備鈸型金屬帽；粘銅萬(wàn)能膠為制作壓電換能器的粘膠劑。鈸型金屬帽側(cè)壁厚 度為0? 5mm，內(nèi)腔高度為3mm，頂圓半徑為2mm，帽端小圓半徑為4mm。通過(guò)并聯(lián)方式連接3 組壓電換能結(jié)構(gòu)1，兩端口的鈸型金屬帽11各粘接一導(dǎo)電片，作為電極。
[0019] 同時(shí)，通過(guò)電路回路4將壓電換能系統(tǒng)，光學(xué)傳感器7,穩(wěn)壓整流電路8,以及變壓 輸出電路9相串聯(lián)。兩級(jí)能量降壓式DC-DC變換電路是能量接口電路，是連接鈸式換能結(jié) 構(gòu)和穩(wěn)壓整流電路的，串聯(lián)于系統(tǒng)中。其作用是將鈸式換能結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的交變電流轉(zhuǎn)變?yōu)橹?流電，并給儲(chǔ)存電容充電供負(fù)載使用，這里的負(fù)載是穩(wěn)壓整流電路，即將其電流進(jìn)行整流， 穩(wěn)壓。以及后續(xù)的放大。光學(xué)傳感器相當(dāng)于一個(gè)開(kāi)關(guān)，用于開(kāi)啟和關(guān)閉整個(gè)系統(tǒng)，串聯(lián)在整 個(gè)系統(tǒng)中。
[0020] 4、在圖4中，兩級(jí)能量降壓式DC-DC變換電路3由二極管串聯(lián)組成的整流橋與儲(chǔ) 存電容并聯(lián)，在整流橋和儲(chǔ)存電容之間串聯(lián)放大電路T，以及在動(dòng)態(tài)電容Cr和靜態(tài)電容Cf 之間串聯(lián)電感L，同時(shí)將負(fù)載與動(dòng)態(tài)電容，靜態(tài)電容相并聯(lián)，從而可以延長(zhǎng)充電時(shí)間，提高能 量轉(zhuǎn)換效率。當(dāng)機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電能時(shí)，儲(chǔ)存電容Cr充電，收集電量，通過(guò)電路供電到負(fù)載Rl 上。
[0021] 實(shí)際應(yīng)用中，在道路表面下鋪設(shè)壓電式能量轉(zhuǎn)換系統(tǒng)，并且將其與路燈照明系統(tǒng) 相連接。依據(jù)壓電材料的性能和壓電效應(yīng)的原理，即在外力作用下，壓電換能器的核心材料 壓電陶瓷內(nèi)部的正負(fù)電荷發(fā)生規(guī)律性相對(duì)位移，從而導(dǎo)致其表面出現(xiàn)異性極化電荷，形成 電位移，從而將機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電能。當(dāng)車(chē)輛和行人在路面上經(jīng)過(guò)時(shí)，交通荷載垂直于路面的 部分力作用于道路中的壓電式能量轉(zhuǎn)換系統(tǒng)中，轉(zhuǎn)換為電能。產(chǎn)生的電能可以立即傳送給 路燈照明系統(tǒng)，使得道路兩旁的路燈自動(dòng)開(kāi)啟，當(dāng)車(chē)輛離開(kāi)后，沒(méi)有電能輸入，路燈自動(dòng)關(guān) 閉。
[0022] 當(dāng)載荷直接作用于該縱向極化的壓電材料時(shí)，通過(guò)正壓電效應(yīng)使兩端電極面極化 出現(xiàn)電荷，由于兩級(jí)斷路，電荷聚集形成高壓，此時(shí)兩個(gè)級(jí)面間產(chǎn)生的電壓值為：
[0024] 其中：V-F作用下壓電材料產(chǎn)生的電壓
[0025] g-壓電電壓常數(shù)
[0026] d-壓電應(yīng)變常數(shù)
[0027] t-壓電材料厚度
[0028] A-壓電材料面積
[0029] 針對(duì)高頻率，以及動(dòng)態(tài)載荷作用，壓電式能量轉(zhuǎn)換系統(tǒng)由鈸型（Cymbal)壓電換 能結(jié)構(gòu)，兩級(jí)能量降壓式DC-DC變換電路，光學(xué)傳感器，穩(wěn)壓整流系統(tǒng)，以及變壓輸出系統(tǒng) 組成。其中，鈸型（Cymbal)壓電換能結(jié)構(gòu)可以在頻帶范圍為OHz~20Hz的環(huán)境中有效的 將振動(dòng)機(jī)械能轉(zhuǎn)換為電能，在頻帶范圍內(nèi)輸出功率為155. 71uW左右。針對(duì)道路車(chē)載頻率 1HZ-20HZ，應(yīng)力幅值為0. 5Mpa的半正弦載荷作用下，可以產(chǎn)生378. 5-282. 2V的開(kāi)路電壓， 在7.8N，IOOHz的載荷作用下可以收集到30mW的電量。
[0030] 因此，將鈸型壓電換能結(jié)構(gòu)進(jìn)行并聯(lián)，可以提供給照明系統(tǒng)220V的電壓，以及4KJ 的電能，每個(gè)路燈功率為250W，因此可以提供3-4個(gè)路燈的電能，照明時(shí)間可持續(xù)3. 5s。
[0031] 根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)接口電路最大輸出功率理論，采用降壓式DC-DC變換電路與鈸型壓電換 能結(jié)構(gòu)相并聯(lián)，可將壓電式換能器中的交變電流轉(zhuǎn)換為直流電流，并給存儲(chǔ)電容充電供負(fù) 載使用。同時(shí)，該電路通過(guò)自適應(yīng)調(diào)節(jié)占空比，使其與照明系統(tǒng)阻抗匹配。
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種壓電式節(jié)能道路照明系統(tǒng)，其特征在于，包括若干組壓電換能結(jié)構(gòu)（I)、兩級(jí)能 量降壓式DC-DC變換電路（3)、光學(xué)傳感器（7)、穩(wěn)壓整流電路（8)和變壓輸出電路（9);所 述壓電換能結(jié)構(gòu)（1)包括兩個(gè)鈸型金屬帽（11)和兩個(gè)陶瓷片（10);陶瓷片（10)與鈸型金 屬帽（11)開(kāi)口端相連接，且兩片陶瓷片（10)未接觸；若干組壓電換能結(jié)構(gòu)（1)相互并聯(lián)， 且并聯(lián)后，兩端的鈸型金屬帽（11)上各設(shè)有一導(dǎo)電片，作為電極；壓電換能結(jié)構(gòu)（1)將其所 受到的擠壓力變?yōu)殡娔芎?，通過(guò)兩級(jí)能量降壓式DC-DC變換電路（3)將交流電轉(zhuǎn)變?yōu)橹绷?電，經(jīng)過(guò)光學(xué)傳感器（7)傳入穩(wěn)壓整流電路（8);經(jīng)過(guò)穩(wěn)壓整流電路（8)穩(wěn)壓整流后，傳入 變壓輸出電路（9)，經(jīng)過(guò)變壓輸出電路（9)調(diào)節(jié)輸出電壓后，通過(guò)電路回路傳給路燈。2. 如權(quán)利要求1所述的一種壓電式節(jié)能道路照明系統(tǒng)，其特征在于，所述兩級(jí)能量降 壓式DC-DC變換電路（3)包括若干二極管、放大電路T、動(dòng)態(tài)電容Cr、靜態(tài)電容Cf、儲(chǔ)存電容 D、電感匕負(fù)載&和電源P;電源P與整個(gè)電路串聯(lián)，其中若干二極管組成整流橋后，與儲(chǔ)存 電容D、動(dòng)態(tài)電容Cr、靜態(tài)電容Cf、負(fù)載&相互并聯(lián)；動(dòng)態(tài)電容CR與儲(chǔ)存電容D之間串聯(lián)有 放大電路T，儲(chǔ)存電容D與靜態(tài)電容Cf之間串聯(lián)有電感L。3. 如權(quán)利要求2所述的一種壓電式節(jié)能道路照明系統(tǒng)，其特征在于，所述負(fù)載為穩(wěn)壓 整流電路，所述電源P為壓電換能系統(tǒng)。
【專(zhuān)利摘要】本實(shí)用新型涉及一種壓電式節(jié)能道路照明系統(tǒng)，其技術(shù)方案是包括若干組壓電換能結(jié)構(gòu)、兩級(jí)能量降壓式DC-DC變換電路、光學(xué)傳感器、穩(wěn)壓整流電路和變壓輸出電路；壓電換能結(jié)構(gòu)將所受到的擠壓力變?yōu)殡娔芎?，通過(guò)兩級(jí)能量降壓式DC-DC變換電路將交流電轉(zhuǎn)變?yōu)橹绷麟姡?jīng)過(guò)光學(xué)傳感器傳入穩(wěn)壓整流電路；經(jīng)過(guò)穩(wěn)壓整流電路穩(wěn)壓整流后，傳入變壓輸出電路，經(jīng)過(guò)變壓輸出電路調(diào)節(jié)輸出電壓后，傳給路燈將行駛車(chē)輛的機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電能提供給照明系統(tǒng)，不需要其他能源的供給；沒(méi)有車(chē)輛及行人經(jīng)過(guò)時(shí)，照明系統(tǒng)自動(dòng)關(guān)閉，避免浪費(fèi)多余的照明電能；不需要人工控制系統(tǒng)，該照明系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)開(kāi)啟關(guān)閉的功能。
【IPC分類(lèi)】F21S9/04, H05B37/02, F21W131/103
【公開(kāi)號(hào)】CN204901643
【申請(qǐng)?zhí)枴緾N201520346825
【發(fā)明人】朱相宇, 趙天, 張永杰
【申請(qǐng)人】西北工業(yè)大學(xué)
【公開(kāi)日】2015年12月23日
【申請(qǐng)日】2015年5月26日