專利名稱：一種基于城市道路用的壓電發(fā)電裝置的制作方法
技術領域：
本發(fā)明屬于新能源領域，涉及利用壓電材料來產(chǎn)生電，具體是一種在城市道路中利用汽車或行人對路面的沖擊能產(chǎn)生電能并加以充分利用的裝置。
背景技術：
目前，城市及郊區(qū)道路所使用的路燈、信號燈等路政設施一般均是使用交流電網(wǎng)或者直流電網(wǎng)提供能源，因為現(xiàn)有的路政電網(wǎng)以中低壓電為主，長距離低壓電網(wǎng)的電力損耗是驚人的，且路政設施安裝、使用及維修等工程繁雜，投資巨大，在能源日漸缺乏的今天顯得尤為突出。傳統(tǒng)可用來發(fā)電的風力、水力、太陽能、核能和蒸汽能等能源由于自身的不足已不能完全滿足對能量使用效率和儲存的要求。所以尋找一種節(jié)能而又不受地域限制的能量收集方法就成了當今研究重點。機械能在日常環(huán)境中普遍存在，與其它能量相比便于利用。隨著經(jīng)濟的發(fā)展，人民生活水平的提高，汽車的保有量逐年大幅增加，而汽車的增加不僅會對環(huán)境造成污染，而且對能源的需求大為增加，再加上城市人口的急劇膨脹，迫切需要改善人們的居住環(huán)境。本發(fā)明就是對城市道路進行簡單的改造，利用壓電材料將行駛在道路上的汽車載荷轉(zhuǎn)變成道路兩側(cè)、甚至更遠地方居民生活用電，是一種利用公路路面振動能量壓力發(fā)電的方法，這在倡導和諧社會、節(jié)約資源、尋找可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略的今天顯得更有社會意義和經(jīng)濟價值。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種城市道路用的壓電發(fā)電裝置，通過該裝置收集城市道路上行人和車輛的沖擊振動能量，利用壓電材料的正壓電效應進行機電轉(zhuǎn)換來得到所需電能。本壓電裝置的壓電元件由一定類型、結(jié)構和尺寸的壓電材料以特定方式和結(jié)構連接，并加以輔助機械支持部件，構成完整的壓電裝置的核心部件。通過行人和車輛產(chǎn)生的沖擊振動壓力作用在壓電裝置上，利用材料本身的正壓電效應將機械能轉(zhuǎn)變?yōu)橐欢ù笮〉碾妷汉碗娏鞯碾娔?。電器控制部分由具有檢測、轉(zhuǎn)換、儲能、指示的電路組成，電路同時具備調(diào)節(jié)、傳輸、控制和收集電能的功能，最終產(chǎn)生的電能將會存儲到可隨時使用的儲能裝置加以利用，可作為道路燈具和其他路政設施的工作電源。裝置的關鍵在于提高受載單元、壓電元件、電器控制部分的發(fā)電效率。本發(fā)明的壓電發(fā)電裝置，具體包括受載單元，由于行人和車輛的沖擊振動，使該受載單元受力產(chǎn)生振動，從而輸出持續(xù)減小的脈沖式?jīng)_擊力，同時將沖擊壓力傳遞給壓電元件。壓電元件，用于接收支持部件所傳遞的沖擊壓力，由正壓電效應輸出電壓、電流信號到電器控制部分，電器控制部分包括壓電材料組、彈性板、保護圈、電極引線。電器控制部分，與壓電元件的電極引線相連，用于對壓電元件中輸出的電壓電流進行檢測、轉(zhuǎn)換、儲能、指示控制。
所述受載單元包括與底板垂直固定連接的支撐桿，與上彈簧和下彈簧連接的滑動板。支撐桿頂部與螺帽固定限制滑動板的移動；滑動板直角邊至少有4個供與支撐桿通過且緊密配合的孔；下彈簧和上彈簧由彈簧鋼制成并繞在支撐桿上，下彈簧下端與底板焊接，上端與滑動板自由接觸，起緩沖作用；上彈簧與支撐桿上端螺帽焊接，下端與滑動板自由接觸，控制滑動板的上下移動。所述壓電元件包括壓電材料組、彈性板、保護圈和電極引線。其中壓電材料組由多個二維壓電材料通過極性相對、電學上并聯(lián)的方式連接，并從兩極連出正負電極引線；彈性板可以是銅板或是其它金屬板加一層絕緣層構成；保護圈為聚合物絕緣材料，包裹在壓電材料組外部。壓電材料組的高度與直徑或長度與寬度的比值小于1. 5。二維壓電材料是機電耦合系數(shù)K33大于0. 7的壓電陶瓷、K33大于0. 2的壓電聚合物或其復合材料、壓電石英晶體。壓電陶瓷采用鋯鈦酸鉛壓電陶瓷。所述電器控制部分可以是橋式整流電路、降壓增流電路、倍壓增流電路及其他組合電路，用于對正負電極引線輸出的電壓電流進行檢測、轉(zhuǎn)換、儲能、指示控制。


圖1是本發(fā)明壓電發(fā)電裝置的組成示意圖。圖2是本發(fā)明受載單元的示意圖。圖3a是本發(fā)明壓電元件的示意圖之一。圖北是本發(fā)明壓電元件的示意圖之二。圖如和圖4b是壓電裝置鋪設示意圖。圖5是電能收集和釋放示意圖。圖6是不同加載速率的應力應變曲線。
具體實施例方式圖中，1.受載單元，2.壓電元件，3.電器控制部分，4.底板，5.滑動板，6.支撐桿， 7.下彈簧，8.上彈簧，10.壓電材料組，11.彈性板，12.保護圈，13.電極引線。下面結(jié)合附圖和具體實施方式
對本發(fā)明進行詳細說明。如圖1所示，本發(fā)明的壓電發(fā)電裝置，包括受載單元1、壓電元件2、電器控制3三部分。由于行人和車輛的沖擊振動，使受載單元1受力產(chǎn)生振動，從而輸出持續(xù)減小的脈沖式?jīng)_擊力，同時將沖擊壓力傳遞給壓電元件2，壓電元件2用于接收支持部件所傳遞的沖擊壓力，由正壓電效應輸出電壓、電流信號到電器控制部分3 ；電器控制部分3與壓電元件的電極引線13相連，用于對壓電元件中輸出的電壓電流進行檢測、轉(zhuǎn)換、儲能、指示控制。 由于壓電部件在外加沖擊力的作用下產(chǎn)生交流變化的電荷信號，電壓電流的變化很大且持續(xù)時間短，電能存儲效率較低，為了提高電能存儲效率，電器控制部分可以采用橋式整流電路、降壓增流電路、倍壓增流電路及其他組合電路。本發(fā)明受載單元1如圖2所示，包括底板4，滑動板5，支撐桿6，下彈簧7，上彈簧8五部分組成。支撐桿6和底板4構成支持部分，用于支持整個裝置結(jié)構；底板4和滑動板5厚度為3-8mm的普通碳素結(jié)構鋼，起固定支撐的作用，防止壓電部件彎曲變形，滑動板 5直角邊至少有4個供與支撐桿6通過且緊密配合的孔；支撐桿6要求光滑筆直，直徑最小 IOmm,上端加螺帽，下端與底板4焊接固定，至少有4個支撐桿6均勻分布在底板4的四角及棱邊；下彈簧7和上彈簧8材料為彈性模量高的彈簧鋼，套在支撐桿6上，下彈簧7下端與底板4焊接，上端與滑動板5自由接觸，起緩沖作用；上彈簧8與支撐桿6上端螺帽焊接， 下端與滑動板5自由接觸，控制滑動板5的上下移動。當支持部分受到來自路面和行人的沖擊式振動力時，滑動板5向下移動，對壓電材料組10施加壓力，壓電材料由正壓電效應產(chǎn)生電壓電流信號，經(jīng)電極引線13輸出到電器控制部分3。同時，下彈簧7受力壓縮儲存一定的彈性能，上彈簧8受力伸長；當撤去沖擊力時，滑動板5向上移動，經(jīng)下彈簧7作用釋放彈性能，滑動板5做往復運動，持續(xù)對壓電材料組10施加壓力產(chǎn)生電信號，壓電材料組10 受到持續(xù)壓力產(chǎn)生時間相對較長的電壓電流輸出到電路控制部分3，直至彈性能釋放完全。 由于裝置所受的力是隨即的、不確定的，即不能同時作用在裝置上，裝置會有受力不均的現(xiàn)象，此外，壓電材料具有很高的抗壓強度但抗彎強度相對較低，所以設計時要充分考慮裝置中壓電材料組10的受力情況，要求支撐桿6與滑動板5接觸緊密，保證滑動板5均勻受力并傳遞到壓電元件2上。本發(fā)明壓電元件結(jié)構如圖3所示，壓電元件2包括壓電材料組10、彈性板11、保護圈12、電極引線13。壓電材料組10的材料可以是機電耦合系數(shù)I^3大于0.7的壓電陶瓷、 I^3大于0.2的壓電聚合物或其復合材料、壓電石英晶體等壓電材料。壓電材料組10可以由多層二維膜狀壓電材料通過極性相對、電學上并聯(lián)的方式連接成塊狀如圖3a或柱狀壓電堆如圖北，也可以是單個塊狀或柱狀壓電材料的形式，通過兩極連出正負電極引線13，壓電材料可以是方形或圓形，壓電材料組10要求其高度與直徑(長度與寬度)比值小于1. 5， 防止受壓失穩(wěn)。彈性板11是銅板或是其它金屬板與一層絕緣層構成，起到保護壓電材料水平受沖擊力而不被壓壞，保護圈12為聚合物絕緣材料，包裹在壓電材料組10外部，防止道路上水及塵土進入壓電材料而產(chǎn)生漏電現(xiàn)象。壓電裝置鋪設示意圖如圖如和圖4b所示，根據(jù)汽車行駛過程中的輪胎運動軌跡分布，以一個方形壓電裝置為單位，在雙向四車道的單一車道兩側(cè)條帶狀區(qū)域、路基以上、 浙青層以下鋪設壓電裝置，道路兩側(cè)人行道則以矩陣形式、路基以上、地板以下鋪設，通過電極引線13將一定區(qū)域內(nèi)所有裝置連接到隔離帶或綠化帶中的電器控制部分3，通過電器控制部分3將電能供給路燈或輸送到其他負載及遠處居民用電。電能收集和釋放示意圖如圖5所示，壓電元件2由多個方形或圓形壓電材料組10 組成，保護圈12分布在壓電材料組10之間的間隙處，通過電極引線13將所有壓電裝置連接到總線上。汽車在行駛過程中由于自身振動和重力作用，以及行人在行走過程中對路面產(chǎn)生沖擊振動，通過力傳遞到壓電裝置上引起應變，由壓電材料組輸出初始電信號并由總線傳遞到電器控制部分3，根據(jù)初始電壓電流信號對電能進行檢測、轉(zhuǎn)換、儲存、指示控制， 轉(zhuǎn)換控制可以由橋式整流電路、降壓增流電路、倍壓增流電路及其他組合電路實現(xiàn)，電能可以由電池、超級電容等儲能器件儲存，最后輸出電能點亮路燈或供給其他負載。壓電材料是壓電裝置的核心部件，基于其正壓電效應進行壓電發(fā)電。選擇其中壓電系數(shù)d33，g33高，機械強度高，反復加壓后性能穩(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)。通過理論公式進行計算，選出產(chǎn)生電信號最強的壓電材料作為本設計的壓電材料組的元件。對于一個只有軸向位移能力的d33型壓電元件，假設壓電元件在外界應力作用下上下表面產(chǎn)生電荷，壓電元件相當于一個電容，電容在兩極產(chǎn)生電荷后就存儲了
一定的能量。流過壓電片厚度方向的電流強度可以表示為
權利要求
1.一種基于城市道路用的壓電發(fā)電裝置，其特征在于所述裝置包括受載單元(1)，將城市道路上行人和汽車對裝置的沖擊壓力傳遞給壓電元件O)；壓電元件0)，用于接收受載單元(1)所傳遞的壓力，由正壓電效應輸出電壓、電流信號到電器控制部分(3)；電器控制部分(3)，與壓電元件⑵的電極引線(13)相連，用于檢測、調(diào)節(jié)壓電元件 (2)中輸出電壓、電流的大小，儲存電能或直接供給用電負載使用。
2.如權利要求1所述的壓電發(fā)電裝置，其特征在于所述受載單元(1)包括與底板(4) 垂直固定連接的支撐桿(6)，與上彈簧(8)和下彈簧(7)連接的滑動板(5)。
3.如權利要求2所述的壓電發(fā)電裝置，其特征在于支撐桿(6)頂部與螺帽固定限制滑動板( 的移動；滑動板( 直角邊至少有4個供與支撐桿(6)通過且緊密配合的孔；下彈簧(7)和上彈簧⑶由彈簧鋼制成并繞在支撐桿(6)上，下彈簧(7)下端與底板⑷焊接， 上端與滑動板(5)自由接觸，起緩沖作用；上彈簧(8)與支撐桿(6)上端螺帽焊接，下端與滑動板(5)自由接觸，控制滑動板(5)的上下移動。
4.如權利要求1所述的壓電發(fā)電裝置，其特征在于所述壓電元件(2)包括壓電材料組 (10)、彈性板(11)、保護圈(12)、電極引線(13)。
5.如權利要求4所述的壓電發(fā)電裝置，其特征在于壓電材料組(10)由多個二維壓電材料通過極性相對、電學上并聯(lián)的方式連接，并從兩極連出正負電極引線(13)；彈性板(11) 可以是銅板或是其他金屬板加一層絕緣層構成；保護圈(1 為聚合物絕緣材料，包裹在壓電材料組(10)外部。
6.如權利要求4所述的壓電發(fā)電裝置，其特征在于壓電材料組(10)的高度與直徑或長度與寬度的比值小于1.5。
7.如權利要求4所述的壓電發(fā)電裝置，其特征在于二維壓電材料是機電耦合系數(shù)K33大于0. 7的壓電陶瓷、K33大于0. 2的壓電聚合物或其復合材料、壓電石英晶體。
8.如權利要求7所述的壓電發(fā)電裝置，其特征在于壓電陶瓷采用鋯鈦酸鉛壓電陶瓷。
9.如權利要求1所述的壓電發(fā)電裝置，其特征在于所述電器控制部分可以是橋式整流電路、降壓增流電路、倍壓增流電路及其他組合電路，用于對正負電極引線(13)輸出的電壓電流進行檢測、轉(zhuǎn)換、儲能、指示控制。
全文摘要
本發(fā)明公開的一種基于城市道路用的壓電發(fā)電裝置，包括受載單元、壓電元件、電器控制三部分。其中由于行人和車輛的沖擊振動，使受載單元受力振動，從而輸出持續(xù)減小的脈沖式?jīng)_擊力，同時將沖擊壓力傳遞給壓電元件；壓電元件用于接收支持部件所傳遞的沖擊壓力，由正壓電效應輸出電壓、電流信號到電器控制部分，電器控制部分包括壓電材料組、彈性板、保護圈、電極引線；電器控制部分與壓電元件的電極引線相連，用于對壓電元件中輸出的電壓電流進行檢測、轉(zhuǎn)換、儲能、指示控制。
文檔編號H02N2/18GK102299664SQ20101021052
公開日2011年12月28日 申請日期2010年6月25日 優(yōu)先權日2010年6月25日
發(fā)明者何超, 劉明會, 陳文革 申請人:西安三瑞科技有限公司