專利名稱：車輛軌道振動能量壓電發(fā)電方法及其系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及車輛軌道發(fā)電的方法及系統(tǒng)，特別是一種車輛軌道振動能量壓電發(fā)電方法及其系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
可用來發(fā)電的能源通常包括風(fēng)力、水力、太陽能、核能和蒸汽能。隨著對能量使用效率和保存的不斷要求，人們花了很大的力氣來開發(fā)那些沒有用過的新能量源。人們已開發(fā)了一些系統(tǒng)和方法來利用車輛在行駛過程中它們的輪子帶給路面或軌道的能量。
這些系統(tǒng)一般可分為機械系統(tǒng)、氣壓系統(tǒng)和液壓系統(tǒng)。
典型的利用車輛行駛時向下的力來發(fā)電的機械系統(tǒng)包括齒輪機構(gòu)和其他的運動部件。機械系統(tǒng)容易被驅(qū)使汽車向下的壓力和復(fù)位時驅(qū)使其往上的壓力磨損。如U.S.Pat.No.4,238,687，Martinez公開的一個系統(tǒng)。這個系統(tǒng)通過渦輪利用路上經(jīng)過的汽車來發(fā)電。這個渦輪由與搖桿盤連接的弧形臂的下轉(zhuǎn)運動驅(qū)動。搖桿盤安裝在路面上。汽車通過它們時，這些搖桿盤被壓向下。
典型的氣壓系統(tǒng)包括一個氣壓活塞。這個氣壓活塞由一個安裝在路上用來轉(zhuǎn)化汽車經(jīng)過時的向下的力的作動器來驅(qū)動。如U.S.Pat.No.4,173,431，Smith公開了一個道路汽車作動的氣壓機和系統(tǒng)。這個系統(tǒng)用壓縮的空氣運轉(zhuǎn)一個電力發(fā)生器發(fā)電。這個道路汽車作動壓縮器包括一個被經(jīng)過的汽車的輪胎的重量往下推的作動器。作動器驅(qū)動氣缸的往復(fù)式活塞來壓縮氣缸中的空氣。從汽缸中出來的壓縮空氣驅(qū)動一個電力發(fā)生器。
一些系統(tǒng)利用液壓泵來吸收汽車經(jīng)過時向下的力，并將其轉(zhuǎn)化成有用的功，比如去驅(qū)動一個電力發(fā)生器。如U.S.Pat.No.4,004,422，Le Van公開了一個利用交通工具的重量來產(chǎn)生有用功的方法和裝置。在道路或軌道里置入一些充滿了液體的可變形的小室。這樣，汽車通過時它的重量會引起其中的液體的位置變化。液體位置變化的勢能不斷的轉(zhuǎn)化成機械能或電能。又如U.S.Pat.No.4,130,064，Bridwell公開了一個利用運動車輛的運動量和重量來產(chǎn)生便于利用的能量的系統(tǒng)。這個系統(tǒng)包括一個液體位移泵。這個泵也是置于道路里的一個活動板下或是在軌道之間的軌床中。利用這個泵可將汽車通過時的能量轉(zhuǎn)化成便于利用的能量。
壓電材料，作為一種理想的機電能量轉(zhuǎn)換材料，具有很高的能量密度，其峰值能量密度可達100～10000kW/kg，這就使利用很小體積的壓電裝置產(chǎn)生相當(dāng)功率的電能成為可能。壓電電源的工作原理是基于正壓電效應(yīng)，壓電材料是它們的核心工作物質(zhì)。
20世紀60年代末，中國科學(xué)院上海硅酸鹽所和上海精密醫(yī)療器材廠合作研究壓電手提式X光機電源，成功地獲得Umax＝60kV，Imax＝3mA的直流高壓。
Charles G.Triplett申請的美國專利US.No.4504761，題目是“安裝在車輛上的壓電發(fā)生器”，公開了配置在車輛輪胎上的壓電發(fā)生器，該裝置利用車輪轉(zhuǎn)動期間施加到輪胎上的壓力產(chǎn)生電能。
金東局申請的中國發(fā)明專利CN 1202014A，題目是“具有連到振動源的壓電元件的壓電發(fā)生器及其制造方法”，公布了一種利用車輛發(fā)動機機械振動能產(chǎn)生電的壓電發(fā)生器。該發(fā)明包括壓電元件和存儲壓電元件產(chǎn)生的電能的電路。每個壓電元件具有壓電薄膜和壓電薄膜的支持部件。把剩余壓力施加到支持部件，以使壓電元件向上彎曲。設(shè)置DC/AC轉(zhuǎn)換器，把壓電元件產(chǎn)生的直流電轉(zhuǎn)換成交流電，設(shè)置變壓器和二極管，防止從蓄電池放電。
以上例子表明利用壓電材料的正壓電效應(yīng)制作各種類型的電源是可行的，它特別適用于各種移動設(shè)備的電源。這種電源的內(nèi)阻抗是容性的，通過壓電效應(yīng)的轉(zhuǎn)換，即使在靜態(tài)和準靜態(tài)條件下工作，也能轉(zhuǎn)換K2.W機的電能(K是機電耦合系數(shù)，K2是衡量機電能量轉(zhuǎn)換的能力)。目前有多種K≥0.7的壓電材料已經(jīng)研制成功并完成產(chǎn)業(yè)化，選擇其中壓電系數(shù)d33、g33高，機械強度高，反復(fù)加壓后性能穩(wěn)定，介電常數(shù)較大的材料，可作為較理想的發(fā)電工作物質(zhì)。
由于壓電材料即是介電體，又是彈性體，具有正、逆壓電效應(yīng)和一般彈性體性質(zhì)，因而同時有電學(xué)和力學(xué)性質(zhì)，其電行為與機械行為是相互耦合的。利用壓電材料的這種機電耦合特性，將壓電元件與包括電阻元件、電容元件、電感元件和開關(guān)器件等在內(nèi)的電器元件組成的電路并聯(lián)，可以組成完整的壓電阻尼系統(tǒng)。通過選定和壓電元件并聯(lián)的不同電路形式，不同電器元件的組合形式和參數(shù)大小，可以設(shè)計出不同的可控壓電阻尼形式，對結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的振動進行被動、半主動和主動-被動雜交的抑制和控制。
如將壓電元件和電阻并聯(lián)形成的壓電阻尼系統(tǒng)，對結(jié)構(gòu)的減振是通過焦耳熱耗散能量來實現(xiàn)，被稱為壓電黏性阻尼技術(shù)。
又如將壓電元件和電容并聯(lián)形成的壓電阻尼系統(tǒng)，可以改變壓電元件的有效剛度，利用這種原理，可以研制具有機械動力吸振器性質(zhì)的壓電阻尼減振系統(tǒng)。
又如將壓電元件和開關(guān)元件并聯(lián)形成的轉(zhuǎn)換型半主動壓電阻尼系統(tǒng)，通過開關(guān)元件斷開和閉合的轉(zhuǎn)換，可以實現(xiàn)等效剛度的較大改變，從而控制振動能量在結(jié)構(gòu)系統(tǒng)中的流向。
壓電阻尼減振技術(shù)已在若干的體育運動用品中得到應(yīng)用。例如，美國K2公司的設(shè)計者將壓電材料嵌入進雪橇中，當(dāng)雪橇因振動發(fā)生變形時，壓電材料也隨之發(fā)生變形，將振動能轉(zhuǎn)化為電能；并使用電阻和壓電材料并聯(lián)形成壓電阻尼系統(tǒng)，將這些能量以焦耳熱的形式耗散。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于，提出一種車輛軌道振動能量壓電發(fā)電的方法及系統(tǒng)，將壓電裝置置于車輛軌道減振層中，利用振動能量產(chǎn)生電能，并作為一種電力供應(yīng)加以存儲和利用。本發(fā)明提出的車輛軌道振動能量壓電發(fā)電的方法及系統(tǒng)是一種收集耗散能量的新型發(fā)電方法及系統(tǒng)，提供了新的能量來源，具有顯著的經(jīng)濟價值和社會價值。
另外，在利用振動能量壓電發(fā)電的過程中，采用適當(dāng)?shù)目刂品椒?，可以使本系統(tǒng)起到半主動減振的作用。這是本發(fā)明的又一目的。
為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用如下技術(shù)措施一種利用車輛軌道振動能量壓電發(fā)電的方法，將壓電裝置置于車輛軌道減振層中，將車輛軌道振動能量轉(zhuǎn)化成電能并作為電力供應(yīng)加以存儲或利用；該方法包括以下步驟a.在車輛軌道減振層中加入至少一個壓電裝置，用于接收車輛軌道減振層的振動能量，該壓電裝置中的壓電材料作為工作介質(zhì)，并利用正壓電效應(yīng)將振動能量轉(zhuǎn)化成電能；b.將壓電裝置產(chǎn)生的電能送至一個電力變換裝置中，由該電力變換裝置對電能進行調(diào)整和變換；c.電力變換裝置調(diào)整和變換后的電能由儲能裝置或最終用電負載接收，并對電能進行存儲或利用。
本發(fā)明的方法的其它特點是，所述的電力變換裝置包括控制模塊和功率模塊，由控制模塊發(fā)出指令，功率模塊接收并執(zhí)行指令，對電能的產(chǎn)生、存儲和利用加以控制。
所述的電力變換裝置調(diào)整和變換后的電能由儲能裝置接收時，電力變換裝置對儲能裝置的充電電壓和電流進行控制。
所述的電力變換裝置調(diào)整和變換后的電能由最終用電負載接收時，電力變換裝置對最終用電負載的供電電壓和電流進行控制。
所述的電力變換裝置對電能的調(diào)整和變換包括以下步驟1)整流過程，將壓電材料產(chǎn)生的交流電變?yōu)橹绷麟姡?)DC/DC變換過程，對步驟1)產(chǎn)生的直流電進行電壓和電流變換。
所述的電力變換裝置中含有以控制器為核心的控制模塊，并安裝檢測車身運動的傳感器，由控制器執(zhí)行控制策略，在利用車輛軌道振動能量發(fā)電的同時，對車輛軌道振動和噪聲進行半主動減振控制，實現(xiàn)顯著的控制效果。
實現(xiàn)上述方法的車輛軌道的振動能量壓電發(fā)電系統(tǒng)，其特征在于，該系統(tǒng)包括至少一個置于車輛軌道減振層中的壓電裝置，該壓電裝置與車輛軌道減振層串聯(lián)，用于將振動能量轉(zhuǎn)換為電能；一個電力變換裝置，由功率模塊和控制模塊組成，功率模塊用于調(diào)整和轉(zhuǎn)換壓電裝置產(chǎn)生的電能，并將電能用于儲能裝置或最終用電負載；控制模塊通過對功率模塊的功率元件進行控制，使振動能量轉(zhuǎn)化成電能，并為儲能裝置存儲或最終用電負載利用；一個儲能裝置或最終用電負載，用于存儲和利用電力變換裝置調(diào)整后的電能；上述壓電裝置與電力變換裝置連接，電力變換裝置分別與儲能裝置或最終用電負載相連。
上述系統(tǒng)的其它特點是，所述壓電裝置插入在軌道彈性層和基礎(chǔ)之間，或在彈性層中；壓電裝置包含有壓電元件。
所述的壓電元件可以由單片或多層壓電薄片組成，包括積層式壓電堆結(jié)構(gòu)。
所述的壓電元件為壓電陶瓷或鐵電性壓電材料或壓電復(fù)合材料。
所述壓電裝置與軌道垂向減振層串聯(lián)；所述壓電裝置與軌道側(cè)向減振層串聯(lián)。
所述電力變換裝置的功率模塊包括全橋整流裝置和DC/DC變換器，全橋整流裝置和壓電元件的電能輸出端子相連，用于將壓電元件產(chǎn)生的交流電轉(zhuǎn)換成直流電；DC/DC變換器和全橋整流裝置連接，用于調(diào)整全橋整流裝置輸出的電壓和電流；功率開關(guān)器件在DC/DC變換器中，用來執(zhí)行控制信號傳達的指令。
所述電力變換裝置的控制模塊包括傳感器、濾波電路、控制器和光電隔離電路；傳感器置于壓電裝置、電力變換裝置的功率模塊上，用于獲得微處理器所需的信號；控制器通過濾波電路與傳感器相連，獲得傳感器得到的信號，并輸出控制信號；控制信號經(jīng)光電隔離電路，送至功率模塊的功率開關(guān)器件的控制端。
所述軌道包括無碴軌道和有碴軌道；無碴軌道包括彈性支撐式軌道、枕式軌道、板式軌道、整體道床軌道；彈性支撐式軌道包括鋼彈簧支撐浮置板式軌道、橡膠支撐浮置板式軌道、或目前公開的其它無碴軌道的一種。
本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比，具有如下優(yōu)點1)提供了新的能量來源，將以往未加以利用的車輛軌道振動能量加以利用；2)由于壓電發(fā)電是一種介質(zhì)發(fā)電方式，與采用普通發(fā)電機方式發(fā)電相比，具有結(jié)構(gòu)簡單，響應(yīng)快，特別適合交變動力驅(qū)動方式。
3)由于壓電材料具有很高的能量密度，因此壓電裝置體積小、重量輕，便于安裝和對現(xiàn)有懸掛系統(tǒng)進行改造；4)本系統(tǒng)應(yīng)用廣泛，可用于多種車輛軌道；5)在利用振動能量壓電發(fā)電的過程中，采用適當(dāng)?shù)目刂品椒?，可以使本系統(tǒng)在發(fā)電同時起到半主動減振和降噪的作用。


圖1是本發(fā)明的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖；圖2是本發(fā)明第一實施壓例中壓電裝置的安裝位置示意圖；圖3是第一實施例中壓電裝置的原理圖；圖4是第一實施例中電力變換裝置中功率模塊的電路原理圖；圖5是本發(fā)明電力變換裝置的控制原理圖；圖6是本發(fā)明第二實施壓例中壓電裝置的安裝位置示意圖；圖7是第二實施例中電力變換裝置中功率模塊的電路原理圖。
圖8是本發(fā)明第三實施壓例中壓電裝置的安裝位置示意圖；以下結(jié)合附圖和發(fā)明人給出的實施例，對本發(fā)明作進一步的詳細描述。
具體實施例方式
參見圖1～7，依照本發(fā)明的技術(shù)方案，第一實施例的技術(shù)路線是對于鋼彈簧支撐浮置板式軌道，在浮置板的支撐鋼彈簧下面插入一個壓電裝置，該裝置與彈簧串聯(lián)，如圖2所示。圖2中由上之下各層依次為鋼軌1，浮置板2，鋼彈簧3，壓電裝置4和路基5。
圖3給出了第一實施例中壓電裝置的結(jié)構(gòu)。該裝置由外活塞34、內(nèi)活塞32、液壓缸33和壓電堆31組成。外活塞34和液壓缸33受到軌道車輛振動的直接作用，外活塞34相對液壓缸33移動產(chǎn)生壓強變化，通過油液壓強傳遞給了內(nèi)活塞32。由于外活塞34和內(nèi)活塞32存在一個面積比例，力被放大了一個比例系數(shù)。內(nèi)活塞32上放置著壓電堆31，被放大的振動力傳遞給了壓電堆31，在壓電堆31上產(chǎn)生一個應(yīng)變。
根據(jù)壓應(yīng)力作用下的壓電材料產(chǎn)生的電壓和一次儲能公式U＝Q/C(1)W=12QU---(2)]]>
可以看到一次受壓儲能的能力是跟壓電材料受壓后的電壓的平方成正比的。壓電材料產(chǎn)生電壓的公式為U=g33tlWF---(3)]]>Q＝d33F (4)其中g(shù)33是壓電縱向電壓常數(shù)，l，W和t分別是壓電材料的長、寬和厚度。從公式(3)可知，壓電材料受應(yīng)力產(chǎn)生的電壓與其所受的力F成正比。振動力傳遞給了壓電堆31，在壓電堆31上產(chǎn)生一個應(yīng)變。根據(jù)正壓電效應(yīng)原理，壓電材料表面會產(chǎn)生電荷，從而形成公式(1)中的電勢。由公式(3)，這個電壓與壓電材料的厚度t成正比。為了降低該電壓，采用多層壓電薄片制成的積層式壓電堆。這種設(shè)計可以保證既可以提供足夠體積的工作物質(zhì)，又能使壓電材料產(chǎn)生的電壓不至于過高，便于電力變換裝置對電能進行轉(zhuǎn)換和回收。壓電堆31采用壓電陶瓷材料PZT，根據(jù)所選材料型號的不同，其機電耦合系數(shù)K33為0.7～0.92，具有較高的機電轉(zhuǎn)換效率。對于車輛軌道所處的工況，采用上述壓電裝置，壓電材料的能量密度較容易達到0.6kW/kg以上。
壓電堆31也可以為單片式壓電元件所代替；當(dāng)壓電元件產(chǎn)生的電壓過高時，應(yīng)先將所產(chǎn)生的電能經(jīng)變壓器處理降低電壓，再與電力變換裝置相連接。
電力變換裝置包括功率模塊和控制模塊。圖4給出了第一實施例中電力變換裝置的功率模塊的電路原理圖。該電路由整流器和DC/DC變換器兩大部分組成。整流器采用全橋整流電路，由4個二極管D1、D2、D3和D4構(gòu)成。DC/DC變換器由電感L1、電容C、功率開關(guān)器件K1和續(xù)流二極管D5組成，實現(xiàn)按斬波方式工作的降壓電路。功率開關(guān)器件K1采用IGBT IPM智能功率模塊，模塊內(nèi)含有IGBT必需的驅(qū)動和保護電路。在第一實施例中，電力變換裝置向儲能裝置充電，儲能裝置為鉛酸蓄電池。
電力變換裝置對電能的調(diào)整和變換包括以下步驟整流過程，將壓電材料產(chǎn)生的交流電變?yōu)橹绷麟姡籇C/DC變換過程，對整流過程產(chǎn)生的直流電進行電壓和電流變換。
變壓過程，當(dāng)壓電材料產(chǎn)生的電壓過高時，先進行降壓處理，將電壓降低，為其后的整流過程做好準備。
圖5給出了本發(fā)明電力變換裝置的控制原理圖，控制模塊由電流電壓傳感器、濾波電路、微處理器和光電隔離電路組成。
電力變換裝置的功率模塊包括全橋整流裝置和DC/DC變換器。全橋整流裝置的輸入端和壓電元件的電能輸出端子相連，用于將壓電元件產(chǎn)生的交流電轉(zhuǎn)換成直流電；DC/DC變換器和全橋整流裝置連接，用于調(diào)整由全橋整流裝置輸出的電壓和電流；功率開關(guān)器件在DC/DC變換器中，用來執(zhí)行控制信號傳達的指令。
微處理器采用TI公司DSP芯片TMS320LF2407。電壓傳感器采用電流型500V電壓傳感器，電流傳感器采用電流型200A電流傳感器。電流電壓傳感器用來采集DC/DC變換器輸出端的電壓和電流信號，經(jīng)濾波電路處理，送至DSP的A/D端口進行數(shù)據(jù)采集，采集結(jié)果經(jīng)DSP處理后，以PWM的形式輸出控制信號。PWM信號經(jīng)由光電隔離電路，送至功率開關(guān)器件的驅(qū)動電路，對功率管K1的開關(guān)狀態(tài)進行控制。信號采集和控制周期為1ms；PWM調(diào)制頻率范圍為10kHz～20kHz。濾波器采用典型的由運算放大器搭建的濾波電路，光電隔離電路由光電耦合器實現(xiàn)?？刂颇K所需的各種電平由車載蓄電池經(jīng)普通DC/DC開關(guān)電源提供。
所述儲能裝置或為各種蓄電池、超級電容和飛輪；最終用電負載可以為電阻性負載、電感性負載、電容性負載和它們的組合。
本發(fā)明的具體工作原理是
軌道列車運行過程中，由于浮置板振動的作用，放置在浮置板的支撐彈簧下面的壓電裝置不斷受到變化的應(yīng)力作用。數(shù)噸的應(yīng)力被加載在壓電裝置中的壓電元件上，在壓電元件的兩極產(chǎn)生了電荷和電壓，根據(jù)設(shè)計，開路最高電壓被限定在500V以下。當(dāng)電壓的絕對值高于整流器右側(cè)的電容器C電壓時，壓電元件向電容C充電；否則，壓電元件為開路。在電力變換裝置中，控制模塊通過對傳感器信號的采樣值，進行對PWM信號占空比的調(diào)節(jié)。當(dāng)占空比增大，功率管導(dǎo)通時間增長，即充電時間增長，電容C的端點壓下降，壓電元件向電容C充電的導(dǎo)通電壓降低；當(dāng)占空比減小，功率管導(dǎo)通時間減少，即充電時間減少，電容C的端點壓上升，壓電元件向電容C充電的導(dǎo)通電壓升高。通過PI控制算法，可以讓電池兩端的充電電壓維持在某一設(shè)定值，而該設(shè)定值可以通過試驗或自適應(yīng)算法加以設(shè)定。設(shè)定該值的原則是使更多的振動能量轉(zhuǎn)化為電能。電感L1和D5可以在功率管K1斷開時和蓄電池構(gòu)成續(xù)流回路，繼續(xù)向電池充電。通過傳感器對蓄電池充電電壓和充電電流進行的檢測，當(dāng)蓄電池已充滿時，控制器停止對蓄電池進行充電。
下面給出第二實施例，用以說明系統(tǒng)在實現(xiàn)振動能量發(fā)電的同時，還對車體的振動和噪聲進行半主動控制。第二實施例是和第一實施例的區(qū)別在于，壓電裝置安裝于橡膠塊支撐浮置板式軌道，安裝位置如圖6所示。圖6中由上之下各層依次為鋼軌1，浮置板2，橡膠塊支撐63，壓電層64和路基5。在一些應(yīng)用中，當(dāng)壓電層64具有足夠的減振效果時，橡膠塊支撐63可以省去。
第二實施例中壓電裝置為壓電層64，由多層壓電復(fù)合材料直接構(gòu)成，各層間為并聯(lián)，并在其中置入檢測浮置板運動速度的速度傳感器；電力變換裝置的功率模塊采用圖7所示的原理圖，同時采用了在發(fā)電同時實施半主動減振的控制策略。
以1-0-3型壓電復(fù)合材料為例，在上述的工況下，較容易實現(xiàn)1kW/kg以上的能量密度。
圖7給出了第二實施例中電力變換裝置的電路原理圖。它和圖5的區(qū)別在于增加了一個受DSP芯片控制的IGBT IPM智能功率模塊K2，它被置于全橋整流電路的正輸出端和電容C的正極之間。
下面分析電路的工作原理。電路的控制系統(tǒng)根據(jù)速度傳感器信號判斷浮置板的運動速度。當(dāng)速度為向上時，控制器給出控制信號，使功率器件K1斷開，K2導(dǎo)通，并且當(dāng)壓電元件產(chǎn)生的電壓絕對值也高于電容C兩端的電壓時，整流器導(dǎo)通，壓電元件的等效剛度減少，減緩浮置板的向上運動，壓電元件向電容C充電；當(dāng)速度為向下時，控制器給出控制信號，使功率器件K2斷開，壓電元件的等效剛度增大，抑制浮置板的向下運動，壓電元件的變形能由機械剛度和壓電電容存儲，同時K1由PWM波控制，按一定的占空比，電容C對蓄電池進行充電。通過對K1占空比的調(diào)節(jié)，可使蓄電池獲得合理的充電電壓和充電時間。從上面論述可以看出，電容C充電過程和蓄電池充電過程在時間上交替進行，電容C充電過程對應(yīng)于浮置板向上運動過程，蓄電池充電過程對應(yīng)于浮置板向下運動過程。同時，由于壓電元件產(chǎn)生的電壓遠高于蓄電池的電壓，所以整個系統(tǒng)的死區(qū)很小，保證系統(tǒng)具有較高的發(fā)電和減振降噪效率。
下面給出第三實施例，與前兩個實施例不同，第三實施例用以說明如何在有碴軌道中置入壓電裝置，安裝位置如圖8所示。圖8中由上之下各層依次為鋼軌1，軌下壓電層82，壓電水泥軌枕83，道碴道床84和路基5。在一些應(yīng)用中，軌下壓電層82和壓電水泥軌枕83可以單獨使用。
第三實施例中的壓電裝置包括軌下壓電層82和壓電水泥軌枕83。軌下壓電層82采用壓電復(fù)合材料制成；壓電水泥軌枕采用壓電水泥材料制成，制備完成后，進行極化和表面絕緣處理，引出電極。所有壓電裝置通過其上的電極和電力變換裝置連接。第三實施例中的的壓電裝置可采用第一或第二實施例所示方式與電力變換裝置相連接。
雖然已經(jīng)參照以上三個實施例討論了用于車軌振動能量壓電發(fā)電系統(tǒng)，但應(yīng)理解，車軌振動能量壓電發(fā)電系統(tǒng)的構(gòu)造細節(jié)和各部件與元件的配置不限于實施例中所述情形，因而在不背離本發(fā)明的技術(shù)原理的原則下，可作出各種改變和變形。
如第一實施例中也可采用第二實施例中電力變換裝置的功率模塊的電路和相應(yīng)的控制方法；如第二實施例中也可采用第一實施例中電力變換裝置的功率模塊的電路和相應(yīng)的控制方法。
如電力變換裝置的功率模塊包括整流裝置，DC/DC變換器和相關(guān)接口電路和必要的變壓裝置。
如電力變換裝置的功率器件采用各種廣泛使用的器件，包括但不限于功率晶體管GTR、金屬-氧化物-半導(dǎo)體型場效應(yīng)晶體管MOSFET、絕緣柵雙極型晶體管IGBT和門極關(guān)斷晶閘管GTO。
如控制器采用模擬控制器、數(shù)字控制器和模擬數(shù)字混合控制器，模擬控制器包括分立元件構(gòu)成的模擬控制器或可編程模擬器件構(gòu)成的控制器，數(shù)字控制器包括微處理器、單片機、DSP、CPLD和FPGA其中的一種；如傳感器采用電壓傳感器或電流傳感器或機械傳感器。
如儲能裝置為各種蓄電池、超級電容和飛輪。
如最終用電負載為電阻性負載或電感性負載或電容性負載或它們的組合。
雖然已經(jīng)展示并描述了本實施例的壓電式振動能量變換系統(tǒng)，其中，壓電裝置與浮置板的支撐彈簧和橡膠片串聯(lián)，用于將振動能量轉(zhuǎn)換為電能，但應(yīng)理解，利用壓電效應(yīng)來實現(xiàn)能量的回收，壓電裝置的安裝可不限于與彈簧、橡膠片串聯(lián)。壓電裝置也可安裝于浮置板彈簧系統(tǒng)或浮置板橡膠系統(tǒng)的其它位置，并以串聯(lián)或并聯(lián)方式與浮置板彈簧系統(tǒng)或浮置板橡膠系統(tǒng)或其部件進行連接。
上述實施例中所述的軌道，還包括有碴軌道或無碴軌道；其中無碴軌道包括彈性支撐式軌道、枕式軌道、板式軌道、整體道床軌道以及目前公開的其它無碴軌道；要實現(xiàn)本發(fā)明的發(fā)電方法，只需在上述軌道的鋼軌下方直接加入壓電層，即可得到軌道振動能量。
雖然以上文已參照特定的實施例和本發(fā)明的例子描述了本發(fā)明，但本發(fā)明不限于以上所描述的實施例。按照本發(fā)明的技術(shù)原理，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員按照上述技術(shù)原理對上述實施例進行修改和變形均屬于本發(fā)明的保護范圍。
權(quán)利要求
1.一種利用車輛軌道振動能量壓電發(fā)電的方法，其特征在于，將壓電裝置置于軌道減振層中，利用振動能量產(chǎn)生電能，并作為一種電力供應(yīng)加以存儲和利用。
2.如權(quán)利要求1所述的利用車輛軌道振動能量壓電發(fā)電的方法，其特征在于，該方法包括以下步驟a.在軌道減振層中加入至少一個壓電裝置，用于吸收軌道減振層中的振動能量，該壓電裝置中的壓電材料作為工作介質(zhì)，在壓電效應(yīng)作用下將振動能量轉(zhuǎn)化成電能；b.將壓電裝置產(chǎn)生的電能送至一個電力變換裝置中，由該電力變換裝置對電能進行調(diào)整和變換；c.電力變換裝置調(diào)整和變換后的電能供給儲能裝置或最終用電負載，進行電能的存儲或利用。
3.如權(quán)利要求2所述的利用車輛軌道振動能量壓電發(fā)電的方法，其特征在于，所述的電力變換裝置調(diào)整和變換后的電能由儲能裝置接收時，電力變換裝置對儲能裝置的充電電壓和電流進行控制；所述的電力變換裝置調(diào)整和變換后的電能由最終用電負載接收時，電力變換裝置對最終用電負載的供電電壓和電流進行控制。
4.如權(quán)利要求2所述的利用車輛軌道振動能量壓電發(fā)電的方法，其特征在于，所述的電力變換裝置對電能的調(diào)整和變換包括以下步驟1)整流過程，將壓電材料產(chǎn)生的交流電變?yōu)橹绷麟姡?)DC/DC變換過程，對步驟1)產(chǎn)生的直流電進行電壓和電流變換。
5.如權(quán)利要求2所述的利用車輛軌道振動能量壓電發(fā)電的方法，其特征在于，所述的電力變換裝置中含有以控制器為核心的控制模塊，并安裝檢測軌道振動的傳感器，由控制器執(zhí)行控制策略，在利用軌道振動能量發(fā)電的同時，對軌道振動進行半主動減振和降噪控制。
6.一種車輛軌道振動能量壓電發(fā)電系統(tǒng)，其特征在于，該系統(tǒng)包括至少一個置于軌道減振層中的壓電裝置，該壓電裝置與軌道減振層的彈簧串聯(lián)，用于將振動能量轉(zhuǎn)換為電能；一個電力變換裝置，由功率模塊和控制模塊組成，功率模塊用于調(diào)整和轉(zhuǎn)換壓電裝置產(chǎn)生的電能，并將電能用于儲能裝置或最終用電負載；控制模塊通過對功率模塊的功率元件進行控制，使振動能量轉(zhuǎn)化成電能，并為儲能裝置存儲或最終用電負載利用；至少一個儲能裝置或最終用電負載，用于存儲和利用電力變換裝置調(diào)整后的電能；上述壓電裝置與電力變換裝置連接，電力變換裝置分別與儲能裝置或最終用電負載相連。
7.如權(quán)利要求6中所述的車輛軌道振動能量壓電發(fā)電系統(tǒng)，其特征在于所述壓電裝置插入在軌道彈性層和基礎(chǔ)之間，或在彈性層中；壓電裝置包含有壓電元件；所述的壓電元件由單片或多層壓電薄片組成，包括積層式壓電堆結(jié)構(gòu)。
8.如權(quán)利要求6所述的車輛軌道振動能量壓電發(fā)電系統(tǒng)，其特征在于，所述壓電裝置與軌道垂向減振層串聯(lián)；所述壓電裝置與軌道側(cè)向減振層串聯(lián)。
9.如權(quán)利要求7或8所述的車輛軌道振動能量壓電發(fā)電系統(tǒng)，其特征在于所述的壓電裝置中的壓電元件包括壓電陶瓷，鐵電性壓電材料，壓電聚合物和壓電復(fù)合材料其中之一或其組合。
10.如權(quán)利要求6所述的車輛振動能量壓電發(fā)電系統(tǒng)，其特征在于，所述電力變換裝置的功率模塊包括全橋整流裝置和DC/DC變換器，全橋整流裝置和壓電元件的電能輸出端子相連，用于將壓電元件產(chǎn)生的交流電轉(zhuǎn)換成直流電；DC/DC變換器和全橋整流裝置連接，用于調(diào)整脈全橋整流裝置輸出的電壓和電流；功率開關(guān)器件在DC/DC變換器中，用來執(zhí)行控制信號傳達的指令。
11.如權(quán)利要求6所述的車輛軌道振動能量壓電發(fā)電系統(tǒng)，其特征在于，所述電力變換裝置的控制模塊包括傳感器、濾波電路、控制器和光電隔離電路；傳感器置于壓電裝置和電力變換裝置的功率模塊上，用于獲得控制器所需的信號；控制器通過濾波電路與傳感器相連，獲得傳感器得到的信號，并輸出控制信號；控制信號經(jīng)光電隔離電路，送至功率模塊的功率開關(guān)器件的控制端。
12.如權(quán)利要求6所述的車輛軌道振動能量壓電發(fā)電系統(tǒng)，其特征在于，所述軌道包括有碴軌道或無碴軌道；上述無碴軌道包括彈性支撐式軌道、枕式軌道、板式軌道、整體道床軌道以及目前公開的其它無碴軌道的一種；上述彈性支撐式軌道是鋼彈簧支撐浮置板式軌道或橡膠支撐浮置板式軌道。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種利用車輛軌道振動能量壓電發(fā)電的方法及其系統(tǒng)，將壓電裝置置于軌道減振層中，利用振動能量產(chǎn)生電能，并作為電力供應(yīng)加以存儲和利用。該系統(tǒng)包括至少一個置于軌道減振層中的壓電裝置，用于將振動能量轉(zhuǎn)換為電能；一個電力變換裝置，用于調(diào)整和轉(zhuǎn)換壓電裝置產(chǎn)生的電能，并將電能用于儲能裝置；一個儲能裝置，用于存儲電力變換裝置調(diào)整后的電能；上述壓電裝置與電力變換裝置連接，電力變換裝置與儲能裝置連接。本發(fā)明將車輛軌道振動能量加以利用，具有顯著經(jīng)濟價值和社會價值。本發(fā)明還具有半主動減振和降噪的作用。
文檔編號H02J7/00GK1610210SQ20041007330
公開日2005年4月27日 申請日期2004年11月22日 優(yōu)先權(quán)日2004年11月22日
發(fā)明者曹秉剛, 左賀, 王麗, 張政 申請人:西安交通大學(xué)