本发明专利技术公开了一种基于三维超材料的路面振动能量回收发电装置及方法，包括多悬臂梁环形结构、上半球壳和下半球壳；上半球壳和下半球壳的材料为三维超材料，多悬臂梁环形结构设置在上半球壳和下半球壳组成的中空球体内部；本发明专利技术的三维超材料球壳能实现全向性的振动波汇聚，能最大化地回收路面振动波能量，多悬臂梁环形结构能够最有效的转化电能；在减少频繁振动对路面损伤的同时还能将其转化为电能，从而实现了能量的有效利用。
【技术实现步骤摘要】
基于三维超材料的路面振动能量回收发电装置及方法
本专利技术涉及道路振动能量及超材料
，特别涉及一种基于三维超材料的路面振动能量回收发电装置及方法。
技术介绍
超材料是最近非常热门的一类自然界没有的具有特殊性质的用于声学的人造材料。超材料的波汇聚特性在振动能量吸收方面展现了极大的应用前景。而超材料又分为一维、二维和三维，其中三维超材料由于能实现全向性振动波汇聚，应用前景更加广阔。现代社会的噪声主要是低频噪声，包括交通低频噪声和电气低频噪声。其中道路车辆行走中产生的振动能量作为一种新型的新能源引起人们极大的关注，一经提出便很快在道路振动能量中被转化利用。截止2013年，我国公路里程达到423万公里，汽车保有量达到1.37亿辆，形成了全国高速公路日机动车平均交通量21305辆，汽车保有量年增长率14％，科技部规划2020-2030年混合动力汽车和纯电动汽车占50％的背景下，如果把我国车辆-道路形成的动载荷循环产生的振动能量有效的收集起来转化为电能，其应用前景将大为广阔，可真正实现能源的替代。2012年Climente等在《AppliedPhysicsLetters》上设计出全向性声学超材料，并对其进行了仿真研究；同年，ScientificAmericanOnline也在线报道了构建声波超材料无线充电的前景，超材料的波汇聚特性在电能转化方面展现了极大的应用前景。沥青路面的轴向振动及结构振动的频率通常在0-50Hz，要满足沥青路面振动能量高效率回收，还要匹配路面沥青厚度尺寸，同时振动回收系统还要具有封装性及压实抵抗力，而近几年出现的超材料能够实现全向性声波汇聚使上述问题迎刃而解。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种基于三维超材料的路面振动能量回收发电装置及方法，以解决交通路面的噪音震动能量回收的问题。为实现上述目的，本专利技术采用以下技术方案：一种基于三维超材料的路面振动能量回收发电装置，包括多悬臂梁环形结构、上半球壳和下半球壳；上半球壳和下半球壳的材料为三维超材料，多悬臂梁环形结构设置在上半球壳和下半球壳组成的中空球体内部；多悬臂梁环形结构包括主体和压电悬臂梁；主体包括横杆和半圆盘，压电悬臂梁包括悬臂梁固定端、压电陶瓷和基板；横杆的一端固定平行设置在下半球壳的上表面，横杆的另一端垂直固定在半圆盘的一侧，且指向下半球壳上表面的圆心；半圆盘的另一侧沿着半圆盘弧等间距设置有若干个悬臂梁固定端，每个悬臂梁固定端上垂直设置有基板，每个基板的上下表面均固定设置有压电陶瓷。进一步的，基板的型号为SUS301，其杨氏模量为193GPa。进一步的，每个基板的固定方向均不相同；每个基板的厚度均不相同，基板长度范围为0.1-0.5mm。进一步的，压电陶瓷为PZT-5H。进一步的，每个压电陶瓷的长度均不相同，厚度为0.2mm。进一步的，悬臂梁固定端内设置有全桥整流电路；悬臂梁固定端上还连接有导线；上半球壳上设置有贯穿上半球壳的导线槽，悬臂梁固定端上的导线从导线槽中引出。进一步的，一种基于三维超材料的路面振动能量回收发电装置的能量回收发电方法，所述基于三维超材料的路面振动能量回收发电装置包括多悬臂梁环形结构、上半球壳和下半球壳；上半球壳和下半球壳的材料为三维超材料，多悬臂梁环形结构设置在上半球壳和下半球壳组成的中空球体内部；多悬臂梁环形结构包括主体和压电悬臂梁；主体包括横杆和半圆盘，压电悬臂梁包括悬臂梁固定端、压电陶瓷和基板；横杆的一端固定平行设置在下半球壳的上表面，横杆的另一端垂直固定在半圆盘的一侧，且指向下半球壳上表面的圆心；半圆盘的另一侧沿着半圆盘弧等间距设置有若干个悬臂梁固定端，每个悬臂梁固定端上垂直设置有基板，每个基板的上下表面均固定设置有压电陶瓷；悬臂梁固定端内设置有全桥整流电路；悬臂梁固定端上还连接有导线；上半球壳上设置有贯穿上半球壳的导线槽，悬臂梁固定端上的导线从导线槽中引出；所述基于三维超材料的路面振动能量回收发电装置的能量回收发电方法，包括以下步骤：1)将若干个该装置并排放置在沥青路面下，通过导线将若干个该装置并联连接起来；2)当有车辆压过埋设有该装置的沥青路面时，不同频段的振动波入射，上半球壳和下半球壳会将各个方向的不同频段的振动波汇聚到球内，汇聚到一起的振动波使球内的每个压电悬臂梁产生振动，根据正压电效应，产生电流；3)产生的电流通过悬臂梁固定端内的全桥整流电路将交流电转变为直流电，然后通过导线并联将各个压电悬臂梁上产生的电流汇聚在一起。与现有技术相比，本专利技术有以下技术效果：本专利技术的三维超材料球壳能实现全向性的振动波汇聚，能最大化地回收路面振动波能量，多悬臂梁环形结构能够最有效的转化电能；在减少频繁振动对路面损伤的同时还能将其转化为电能，从而实现了能量的有效利用。三维超材料结构的尺寸、承受压力能够匹配沥青路面厚度，对多悬臂梁环形结构具有保护性；同时能起到隔振作用，减小了沥青路面内部的振动传播，延缓了沥青路面的疲劳损坏。附图说明图1为本专利技术基于三维超材料的路面振动能量回收发电装置的主视图；图2为本专利技术基于三维超材料的路面振动能量回收发电装置的俯视图；图3为本专利技术路面下安装示意图。其中：1-上半球壳；2-下半球壳；3-多悬臂梁环形结构；4-压电悬臂梁；5-全桥整流电路；6-压电陶瓷；7-基板；8-导线槽；具体实施方式以下结合附图，对本专利技术进一步说明：请参阅图1和图2，一种基于三维超材料的路面振动能量回收发电装置，包括多悬臂梁环形结构3、上半球壳1和下半球壳2；上半球壳1和下半球壳2的材料为三维超材料，多悬臂梁环形结构3设置在上半球壳1和下半球壳2组成的中空球体内部；多悬臂梁环形结构3包括主体和压电悬臂梁4；主体包括横杆和半圆盘，压电悬臂梁4包括悬臂梁固定端、压电陶瓷6和基板7；横杆的一端固定平行设置在下半球壳2的上表面，横杆的另一端垂直固定在半圆盘的一侧，且指向下半球壳2上表面的圆心；半圆盘的另一侧沿着半圆盘弧等间距设置有若干个悬臂梁固定端，每个悬臂梁固定端上垂直设置有基板7，每个基板7的上下表面均固定设置有压电陶瓷6。基板7的型号为SUS301，其杨氏模量为193GPa。每个基板7的固定方向均不相同；每个基板7的厚度均不相同，基板7长度范围为0.1-0.5mm。压电陶瓷6为PZT-5H。每个压电陶瓷6的长度均不相同，厚度为0.2mm。悬臂梁固定端内设置有全桥整流电路5；悬臂梁固定端上还连接有导线；上半球壳1上设置有贯穿上半球壳1的导线槽，悬臂梁固定端上的导线从导线槽中引出。请参阅图3，若干个该装置并排放置在沥青路面下，通过导线将若干个该装置并联连接起来；工作原理包括以下步骤：1)将若干个该装置并排放置在沥青路面下，通过导线将若干个该装置并联连接起来；2)当有车辆压过埋设有该装置的沥青路面时，不同频段的振动波入射，上半球壳1和下半球壳2会将各个方向的不同频段的振动波汇聚到球内，汇聚到一起的振动波使球内的每个压电悬臂梁4产生振动，根据正压电效应，产生电流；3)产生的电流通过悬臂梁固定端内的全桥整流电路将交流电转变为直流电，然后通过导线并联将各个压电悬臂梁4上产生的电流汇聚在一起。本文档来自技高网...
【技术保护点】
一种基于三维超材料的路面振动能量回收发电装置，其特征在于，包括多悬臂梁环形结构(3)、上半球壳(1)和下半球壳(2)；上半球壳(1)和下半球壳(2)的材料为三维超材料，多悬臂梁环形结构(3)设置在上半球壳(1)和下半球壳(2)组成的中空球体内部；多悬臂梁环形结构(3)包括主体和压电悬臂梁(4)；主体包括横杆和半圆盘，压电悬臂梁(4)包括悬臂梁固定端、压电陶瓷(6)和基板(7)；横杆的一端固定平行设置在下半球壳(2)的上表面，横杆的另一端垂直固定在半圆盘的一侧，且指向下半球壳(2)上表面的圆心；半圆盘的另一侧沿着半圆盘弧等间距设置有若干个悬臂梁固定端，每个悬臂梁固定端上垂直设置有基板(7)，每个基板(7)的上下表面均固定设置有压电陶瓷(6)。
【技术特征摘要】
1.一种基于三维超材料的路面振动能量回收发电装置，其特征在于，包括多悬臂梁环形结构(3)、上半球壳(1)和下半球壳(2)；上半球壳(1)和下半球壳(2)的材料为三维超材料，多悬臂梁环形结构(3)设置在上半球壳(1)和下半球壳(2)组成的中空球体内部；多悬臂梁环形结构(3)包括主体和压电悬臂梁(4)；主体包括横杆和半圆盘，压电悬臂梁(4)包括悬臂梁固定端、压电陶瓷(6)和基板(7)；横杆的一端固定平行设置在下半球壳(2)的上表面，横杆的另一端垂直固定在半圆盘的一侧，且指向下半球壳(2)上表面的圆心；半圆盘的另一侧沿着半圆盘弧等间距设置有若干个悬臂梁固定端，每个悬臂梁固定端上垂直设置有基板(7)，每个基板(7)的上下表面均固定设置有压电陶瓷(6)。2.根据权利要求1所述的一种基于三维超材料的路面振动能量回收发电装置，其特征在于，基板(7)的型号为SUS301，其杨氏模量为193GPa。3.根据权利要求2所述的一种基于三维超材料的路面振动能量回收发电装置，其特征在于，每个基板(7)的固定方向均不相同；每个基板(7)的厚度均不相同，基板(7)长度范围为0.1-0.5mm。4.根据权利要求1所述的一种基于三维超材料的路面振动能量回收发电装置，其特征在于，压电陶瓷(6)为PZT-5H。5.根据权利要求4所述的一种基于三维超材料的路面振动能量回收发电装置，其特征在于，每个压电陶瓷(6)的长度均不相同，厚度为0.2mm。6.根据权利要求1所述的一种基于三维超材料的路面振动能量回收发电装置，其特征在于，悬臂梁固定端内设置有全桥整流电路(5)；悬臂梁固定端上还连接有导线；上半球壳(1)上设置有贯穿上半球壳(1)...
【专利技术属性】
技术研发人员：陈世斌，刘鑫，杨双建，马景存，余娜，赵轩，
申请(专利权)人：长安大学，
类型：发明
国别省市：陕西,61
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