一種壓電式路面振動能量收集系統(tǒng)的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種振動能量收集系統(tǒng)，具體涉及一種壓電式路面振動能量收集系統(tǒng)。
【背景技術(shù)】
[0002]隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和社會的進(jìn)步，新的技術(shù)正在日新月異地改變我們的生活，但隨之帶來的是人類對資源需求的不斷增加。長期以來作為人類主要能源的化石能源在不斷消耗，2012年12月瑞士銀行發(fā)布了全球石油領(lǐng)域現(xiàn)狀的報告，該報告指出，世界已探明石油儲量約有1.8萬億桶，這意味著，按現(xiàn)在的石油消費(fèi)狀況，世界石油儲備僅可供開采46年。隨著化石能源的不斷枯竭，能源危機(jī)將不斷加劇，人類正迫切尋求可替代能源。自然環(huán)境中存在的風(fēng)能、太陽能、地?zé)崮艿瓤稍偕茉词墙陙硌绣车闹攸c。道路設(shè)施中也存在著大量可轉(zhuǎn)換能量，如路面上行駛的車輛所消耗的燃料化學(xué)能只有約17%用來推動汽車行進(jìn)，大部分能量是以發(fā)動機(jī)散熱、噪聲和路面振動形式被周圍環(huán)境吸收。這些能量都是潛在的可利用能量，如果能夠有效收集這些能量，則可以為緩解能源緊張?zhí)峁┮环N可行的途徑。由于混凝土路面屬于大模量特殊結(jié)構(gòu)物，且受載環(huán)境多為低頻、重載條件，如何有效收集路面的機(jī)械能是目前所需要攻克的難題。
[0003]路面壓電式振動能量收集是指通過壓電效應(yīng)將路面振動的機(jī)械能轉(zhuǎn)換為電能，再將產(chǎn)生的電能通過調(diào)壓電路、整流電路、控制電路和儲能電路將電能存儲到蓄電池中或直接利用。
[0004]壓電效應(yīng)是指壓電材料在受到外部作用力下，內(nèi)部正負(fù)電荷發(fā)生有規(guī)律的相對移動，從而導(dǎo)致其表面出現(xiàn)異性極化電荷，形成電位移的現(xiàn)象。壓電發(fā)電研宄自1880年發(fā)現(xiàn)以來就一直沒有間斷，壓電發(fā)電材料也由最初的單晶體材料發(fā)展到現(xiàn)在的到多晶的鐵電體材料和有機(jī)材料，壓電發(fā)電技術(shù)逐漸成熟，相關(guān)能量收集利用的解決方案也在不斷完善。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]為了克服上述現(xiàn)有技術(shù)存在的問題，本發(fā)明的目的在于提供一種壓電式路面振動能量收集系統(tǒng)，適用于路面這種大模量特殊結(jié)構(gòu)物中，并能在低頻、重載環(huán)境條件下有效將路面振動機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電能。
[0006]為了實現(xiàn)上述發(fā)明目的，本發(fā)明采取的技術(shù)方案是:
[0007]一種壓電式路面振動能量收集系統(tǒng)，包括傳荷部件，安裝在傳荷部件內(nèi)的壓電發(fā)電元件和能量收集裝置；所述能量收集裝置包括與壓電發(fā)電元件連接的調(diào)壓電路，與調(diào)壓電路連接的整流電路，與整流電路連接的控制電路，以及與控制電路連接的能量存儲電路。
[0008]所述傳荷部件為方形或者圓形組合式結(jié)構(gòu)，包括帶有凸緣且凸緣相對布置的上底板1-1和下底板1-2，布置在上底板1-1和下底板1-2凸緣間的中板4，布置在上底板1-1和下底板1-2凸緣周圈以及中板4周圈的中框5，所述中板4的中心開有電路安裝孔3，其內(nèi)布置有整流電路、調(diào)壓電路、控制電路和能量存儲電路，所述電路安裝孔的四周均勻的開有三個壓電發(fā)電元件安裝孔，其內(nèi)布置壓電發(fā)電元件2，所述三個壓電發(fā)電元件安裝孔間開有螺栓安裝孔，其內(nèi)插有固定螺栓7固定中板4與上底板1-1和下底板1-2，所述上底板1-1和下底板1_2與三個壓電發(fā)電兀件安裝孔內(nèi)設(shè)置的壓電發(fā)電兀件接觸部位嵌有電極片6 ；所述中框5的邊沿開有引出電線孔8。
[0009]所述壓電式路面振動能量收集系統(tǒng)埋設(shè)在路面以下預(yù)設(shè)深度，產(chǎn)生的電能通過傳荷部件上預(yù)留的引出電線孔8引出。
[0010]所述上底板1-1、下底板1-2和中框5的材料為PA66+GF30尼龍材料；所述中板4的材料為摻有二硫化鉬的MC尼龍材料，所述電極片6的材料為導(dǎo)電用銅或鋁合金材料。
[0011 ] 所述壓電發(fā)電元件2為堆棧式壓電換能器或鈸式壓電換能器，所述堆棧式壓電換能器為由多個兩極粘結(jié)有銅箔電極2-2的圓形壓電陶瓷片2-1堆疊形成的堆棧結(jié)構(gòu)，再通過導(dǎo)線連接成并聯(lián)電路結(jié)構(gòu)；所述鈸式壓電換能器為由多個鈸式壓電換能器單元堆疊，通過導(dǎo)線連接形成并聯(lián)結(jié)構(gòu)，所述鈸式壓電換能器單元包括圓形壓電陶瓷片2-3，置于圓形壓電陶瓷片2-3兩邊的金屬端帽2-4，緊貼圓形壓電陶瓷片2-3和金屬端帽2-4外周圈的外圈固定金屬環(huán)2-5，固定在外圈固定金屬環(huán)2-5上下端的外部承力板2-6 ;所述堆棧式壓電換能器或鈸式壓電換能器的連接方式均為物理串聯(lián)，電學(xué)并聯(lián)。
[0012]所述壓電發(fā)電元件2的壓電陶瓷片材料為鋯鈦酸鉛PZT或聚偏二氟乙烯PVDF。
[0013]所述整流電路采用全橋整流技術(shù)，所述調(diào)壓電路采用微型調(diào)壓貼片，所述控制電路為電源管理電路，所述儲能裝置為電容或者蓄電池。
[0014]本發(fā)明和現(xiàn)有技術(shù)相比，具有如下優(yōu)點:
[0015]現(xiàn)有的壓電發(fā)電裝置多是利用懸臂梁振動模式發(fā)電或者將壓電元件直接埋設(shè)于路面發(fā)電。由于懸臂梁模式并不適用于路面這種模量較大的特殊結(jié)構(gòu)物中，同時由于直接埋設(shè)壓電元件于路面中會使壓電材料與路面材料直接接觸，載荷環(huán)境惡劣，導(dǎo)致輸出的電能小、壓電元件使用壽命短等問題。本裝置通過采用適合路面條件的堆棧式或鈸式壓電換能器作為壓電元件，增設(shè)能夠延長壓電元件使用壽命的傳荷部件來改善壓電元件的受載環(huán)境條件，并通過調(diào)壓電路、整流電路、控制電路和能量存儲電路將收集的電能存儲或直接用于路面供電。本發(fā)明實現(xiàn)了收集路面振動能量發(fā)電，具有結(jié)構(gòu)簡單、制作方便、使用壽命長、輸出電能效率高等優(yōu)點。
【附圖說明】
[0016]圖1-1為本發(fā)明壓電式路面振動能量收集系統(tǒng)剖視圖，圖1-2為傳荷部件實物圖，圖1-3為壓電式路面振動能量收集系統(tǒng)外觀實物圖。
[0017]圖2-1為傳荷部件中框與中板及其內(nèi)設(shè)置的壓電發(fā)電元件和能量收集裝置示意圖，圖2-2-1為傳荷部件上、下底板主視圖，圖2-2-2為傳荷部件上、下底板側(cè)視圖。
[0018]圖3-1-1為堆棧式壓電換能器結(jié)構(gòu)剖視圖，圖3-1-2為堆棧式壓電換能器的堆疊方式爆炸圖，圖3-1-3為堆棧式壓電換能器立體圖；圖3-2-1為鈸式壓電換能器結(jié)構(gòu)剖視圖，圖3-2-2為鈸式壓電換能器單個結(jié)構(gòu)堆疊方式爆炸圖，圖3-2-3為鈸式壓電換能器組合爆炸圖，圖3-2-4為鈸式壓電換能器立體圖。
[0019]圖4為電能收集裝置電路圖，其中LTC3588芯片集成了整流電路、調(diào)壓電路、電源控制電路和能量存儲電路。
[0020]圖5-1為本發(fā)明壓電式路面振動能量收集系統(tǒng)路面埋設(shè)縱斷面圖，圖5-2為本發(fā)明壓電式路面振動能量收集系統(tǒng)路面埋設(shè)示意圖。
[0021]圖6為本發(fā)明工作原理示意圖。
【具體實施方式】
[0022]以下結(jié)合附圖及具體實例對本發(fā)明作進(jìn)一步的詳細(xì)描述。
[0023]本發(fā)明一種壓電式路面振動能量收集系統(tǒng)，包括傳荷部件，安裝在傳荷部件內(nèi)的壓電發(fā)電元件和能量收集裝置；所述能量收集裝置包括與壓電發(fā)電元件連接的調(diào)壓電路，與調(diào)壓電路連接的整流電路，與整流電路連接的控制電路，以及與控制電路連接的能量存儲電路。如圖1-1、圖1-2、圖2-1、圖2-2-1和圖2-2-2所示，所述傳荷部件為方形或者圓形組合式結(jié)構(gòu)，包括帶有凸緣且凸緣相對布置的上底板1-1和下底板1-2，布置在上底板1-1和下底板1-2凸緣間的中板4，布置在上底板1-1和下底板1-2凸緣周圈以及中板4周圈的中框5，所述中板4的中心開有電路安裝孔3，其內(nèi)布置有整流電路、調(diào)壓電路、控制電路和能量存儲電路，所述電路安裝孔的四周均勻的開有三個壓電發(fā)電元件安裝孔，其內(nèi)布置壓電發(fā)電元件2，所述三個壓電發(fā)電元件安裝孔間開有螺栓安裝孔，其內(nèi)插有固定螺栓7固定中板4與上底板1-1和下底板1-2，所述上底板1-1和下底板1-2與三個壓電發(fā)電元件安裝孔內(nèi)設(shè)置的壓電發(fā)電元件接觸部位嵌有電極片6 ;所述中框5的邊沿開有引出電線孔8。傳荷部件整體尺寸為Φ 100*55πιπι，為降低加工及安裝難度，將上下底板設(shè)計成尺寸完全相同結(jié)構(gòu)，上底板1-1和下底板1-2上均勾分布有三個Φ6ι?πι的固定螺栓安裝孔，螺栓孔在上底板1-1和下底板1-2表面預(yù)留5_沉頭。所述壓電式路面振動能量收集系統(tǒng)埋設(shè)在路面以下預(yù)設(shè)深度，產(chǎn)生的電能通過傳荷部件上預(yù)留的引出電線孔8引出。