利用公路系统振动能量压电发电的方法及系统技术方案

本发明专利技术公开了一种利用公路系统振动能量压电发电的方法及其系统，将压电装置铺设于路面内或直接用压电材料作为路面组成部分，利用振动能量产生电能，并作为电力供应加以存储和利用。该系统包括：至少一个置于公路路面中的压电装置，用于将振动能量转换为电能；一个电力变换装置，用于调整和转换压电装置产生的电能，并将电能用于储能装置；一个储能装置，用于存储电力变换装置调整后的电能；上述压电装置与电力变换装置连接，电力变换装置与储能装置连接。本发明专利技术将公路系统的振动能量加以利用，具有显著经济价值和社会价值。本发明专利技术还具有半主动减振和降噪的作用，并且在冬季还可用来延缓、减少或消除路面积雪。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及公路系统发电的方法及系统，特别是一种利用公路系统振动能量压电发电的方法及系统。
技术介绍
可用来发电的能源通常包括风力、水力、太阳能、核能和蒸汽能。随着对能量使用效率和保存的要求提高，开发环保无污染的新型能源越来越成为科研的热门课题。车辆在行驶过程中不可避免的给路面带来压力和冲击，这部分能量既产生振动、噪音，又影响乘坐舒适度和路面寿命，为了变废为宝，回收利用路面能量，前人已开发了一些系统和方法。这些系统一般可分为机械系统、气压系统和液压系统等类型。典型的利用车辆行驶时向下的力来发电的机械系统包括齿轮机构和其他的运动部件。如U.S.Pat.No.4,238,687，Martinez公开的一个系统。这个系统通过涡轮利用路上经过的汽车来发电。这个涡轮由与摇杆盘连接的弧形臂的下转运动驱动。摇杆盘安装在路面上。汽车通过它们时，这些摇杆盘被压向下。机械系统的缺点是容易被驱使汽车向下的压力和复位时驱使其往上的压力磨损。典型的气压系统包括一个气压活塞。这个气压活塞由一个安装在路上用来转化汽车经过时的向下的力的作动器来驱动。如U.S.Pat.No.4,173,431，Smith公开了一个道路汽车作动的气压机和系统。这个系统用压缩的空气运转一个电力发生器发电。这个道路汽车作动压缩器包括一个被经过的汽车的轮胎的重量往下推的作动器。作动器驱动气缸的往复式活塞来压缩气缸中的空气。从汽缸中出来的压缩空气驱动一个电力发生器。一些系统利用液压泵来吸收汽车经过时向下的力，并将其转化成有用的功，比如去驱动一个电力发生器。如U.S.Pat.No.4,004,422，Le Van公开了一个利用交通工具的重量来产生有用功的方法和装置。在道路或轨道里置入一些充满了液体的可变形的小室。这样，汽车通过时它的重量会引起其中的液体的位置变化。液体位置变化的势能不断的转化成机械能或电能。又如U.S.Pat.No.4,130,064，Bridwell公开了一个利用运动车辆的运动量和重量来产生便于利用的能量的系统。这个系统包括一个液体位移泵。这个泵也是置于道路里的一个活动板下或是在轨道之间的轨床中。利用这个泵可将汽车通过时的能量转化成便于利用的能量。压电材料，作为一种理想的机电能量转换材料，具有很高的能量密度，其峰值能量密度可达100～10000kW/kg，这就使利用很小体积的压电装置产生相当功率的电能成为可能。压电电源的工作原理是基于正压电效应，压电材料是它们的核心工作物质。20世纪60年代末，中国科学院上海硅酸盐所和上海精密医疗器材厂合作研究压电手提式X光机电源，成功地获得Umax＝60kV，Imax＝3mA的直流高压。Charles G.Triplett申请的美国专利US.No.4504761，题目是“安装在车辆上的压电发生器”，公开了配置在车辆轮胎上的压电发生器，该装置利用车轮转动期间施加到轮胎上的压力产生电能。日本由NEC TOKIN与日本Heardea联合开发、配备采用压电转换元件的发电装置的新型道路标识已于2003年在日本亮相。该标识外围有受风的羽状物，内部配置了压电转换元件和钢球以及6个LED(发光二极管)。可利用汽车驶过时产生的风旋转标识，标识转动时，位于由压电转换元件分隔成的圆形通道中钢球就会在通道中被托起来然后再下落，随着标识的转动这种动作周而复始。其原理就是通过钢球下落时撞击压电转换元件来发电并点亮LED。金东局申请的中国专利技术专利CN 1202014A，题目是“具有连到振动源的压电元件的压电发生器及其制造方法”，公布了一种利用车辆发动机机械振动能产生电的压电发生器。该专利技术包括压电元件和存储压电元件产生的电能的电路。每个压电元件具有压电薄膜和压电薄膜的支持部件。把剩余压力施加到支持部件，以使压电元件向上弯曲。设置DC/AC转换器，把压电元件产生的直流电转换成交流电，设置变压器和二极管，防止从蓄电池放电。以上例子表明利用压电材料的正压电效应制作各种类型的电源是可行的，它特别适用于各种移动设备的电源。这种电源的内阻抗是容性的，通过压电效应的转换，即使在静态和准静态条件下工作，也能转换K2.W机的电能(K是机电耦合系数，K2是衡量机电能量转换的能力)。目前有多种K≥0.7的压电材料已经研制成功并完成产业化，选择其中压电系数d33、g33高，机械强度高，反复加压后性能稳定，介电常数较大的材料，可作为较理想的发电工作物质。利用压电材料作为发电介质来回收利用路面能量也已经有人做过研究。雷良榆申请的中国发技术专利CN 2591264Y，题目是“路面压电式无污染发电装置”，公布了一种路面压电式发电装置。该专利技术包括路面覆盖板、其下方凹坑、坑内纵梁、横梁及装置于纵梁和横梁之间的含有多层叠合压电片的压电发电装置。它利用车辆从路面覆盖板驶过时对覆盖板的压力产生电能。这一专利利用车辆行驶中对路面的压力，使用压电材料发电的思路非常科学。然而由于此专利所保护的技术没能将发电装置与路面结构有机的结合起来，安装他的装置需要先在路面开挖很深的凹坑，这会对公路路基路面结构造成很大的破坏，使得他的系统既无法长距离连续铺设，也有一定的安全隐患。若想大规模地使用路面振动能量发电，所用发电装置必须能够和路面合理地结合起来，在不破坏路面原有结构的同时，成为路面的一部分。这样才能够方便路面施工和改造。本专利技术的目的就是解决这一问题。由于压电材料即是介电体，又是弹性体，具有正、逆压电效应和一般弹性体性质，因而同时有电学和力学性质，其电行为与机械行为是相互耦合的。利用压电材料的这种机电耦合特性，将压电元件与包括电阻元件、电容元件、电感元件和开关器件等在内的电器元件组成的电路并联，可以组成完整的压电阻尼系统。通过选定和压电元件并联的不同电路形式，不同电器元件的组合形式和参数大小，可以设计出不同的可控压电阻尼形式，对结构系统的振动进行被动、半主动和主动-被动杂交的抑制和控制。如将压电元件和电阻并联形成的压电阻尼系统，对结构的减振是通过焦耳热耗散能量来实现，被称为压电黏性阻尼技术。又如将压电元件和电容并联形成的压电阻尼系统，可以改变压电元件的有效刚度，利用这种原理，可以研制具有机械动力吸振器性质的压电阻尼减振系统。又如将压电元件和开关元件并联形成的转换型半主动压电阻尼系统，通过开关元件断开和闭合的转换，可以实现等效刚度的较大改变，从而控制振动能量在结构系统中的流向。压电阻尼减振技术已在若干的体育运动用品中得到应用。例如，美国K2公司的设计者将压电材料嵌入进雪橇中，当雪橇因振动发生变形时，压电材料也随之发生变形，将振动能转化为电能；并使用电阻和压电材料并联形成压电阻尼系统，将这些能量以焦耳热的形式耗散。在路面中应用压电阻尼技术，除了可以减振降噪以外，还有一个非常有前景的用途，就是在冬季下雪时，通过将振动能转化的电能以热能方式耗散的方法来延缓、减少或融化路面积雪。
技术实现思路
本专利技术的目的在于，提出一种利用公路系统振动能量压电发电的方法及系统，本专利技术提出的公路系统振动能量压电发电的方法及系统在不破坏道路原有结构的同时收集耗散的能量用来发电，提供了一个新的电力供应途径，具有显著的经济价值和社会价值。另外，在利用振动能量压电发电的过程中，采用适当的控制方法，可以使本系统起到半本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种利用公路系统振动能量压电发电的方法，其特征在于，将压电装置铺设于公路路面内，对路面上行驶的车辆所产生的振动能量进行收集并转换为电能，并作为一种电力供应加以存储和利用。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：曹秉刚，高振华，宋振平，徐健，康龙云，
申请(专利权)人：西安交通大学，
类型：发明
国别省市：87[中国|西安]