用於瀝青混凝土路面的壓電自發電能量採集與照明裝置的製作方法
2023-06-07 06:38:51 1
專利名稱：用於瀝青混凝土路面的壓電自發電能量採集與照明裝置的製作方法
技術領域：
本發明涉及了一種用於瀝青混凝土路面的壓電自發電能量採集與照明裝置，通過
將壓電自發電單元鋪設於瀝青混凝土路面下或直接用壓電材料作為路面組成部分，利用車輛振動或壓擠能量產生電能。
背景技術：
目前，一方面煤炭、石油等傳統能源在不斷匱乏，另一方面隨著能源價格的不斷上漲，電能十分寶貴。而通常公路使用的路燈，信號燈以及其他照明燈具採用交流電網供電。由於電網採用中低壓為主，對於長距離低壓電網而言電力損耗驚人。 潛在可用的環境能源有太陽能、風能等。豐富的太陽能是取之不盡、無汙染、廉價、人類能夠自由利用的能源。但目前存在所需光照要求複雜、佔地面積大、光電轉化率低、光伏發電成本高的不足。至於風能發電，風能發電優勢突出，風能資源量大質優，但不穩定性大，連續性、可靠性差；且時空分布不均。壓電自發電相對傳統電能生產模式有相當明顯的優勢。首先它是真正的可再生性清潔能源，具有完全無汙染的生產方式，確保了它在國家法律法規上的重要地位。其次壓電自發電產生能量的獲取不受地域的限制，凡是有車輪駛過的地方，即將壓電自發電單元鋪設於公路混凝土路面下或直接用壓電材料作為路面組成部分，就可以產生清潔的電能；最後由於電能的產生是相對小範圍的，所以電能在利用的時候可以不受輸電網絡的影響。特別適合於交通信號燈、路燈等公共用電設施的使用。
當汽車在公路上行駛時，會擠壓壓電自發電單元，使其產生少量電量。除了用在公路上，也可用於鐵路以及機場自動人行道的類似系統，在實踐中具有重要應用價值。
壓電陶瓷作為壓電發電裝置的機械-電能換能元件，是壓電發電裝置的核心元件，極化後的壓電陶瓷對外呈壓電性，壓電發電裝置利用壓電陶瓷的正壓電效應產生電壓和電荷，它的性能直接影響著壓電發電裝置的性能優劣。由於壓電發電裝置相對於其他發電裝置，具有結構簡單、不發熱、無電磁幹擾等優點，使其成為自供能系統研究領域中的焦點，在實際應用中有廣闊的發展前途。
發明內容
本發明的目的通過將壓電自發電單元鋪設於公路混凝土路面下或直接用壓電材料作為路面組成部分，利用車輛振動或壓擠能量產生電能，給公路上所使用的路燈，信號燈以及其他照明裝置提供電能。 本發明的用於瀝青混凝土路面的壓電自發電能量採集與照明裝置(參見附圖1-7)，由壓電自發電單元1、能量採集裝置2、 DC-DC變換裝置3、能量存儲裝置4、電源監測與管理系統5以及道路照明裝置6組成，並且所述的單元、裝置和系統依次導線相連；在外部車輛振動或壓擠下產生的機械能通過壓電自發電單元1轉化為交流電能，再經過能量採集裝置2進行電量收集，經過整流、濾波能量存儲和限幅後，得到直流的供電電壓，提供給DC-DC變換裝置3 ;經DC-DC變換裝置3的輸出提供給能量存儲裝置4足夠的充電電壓和電流，由電源監測與管理系統5實時監控，根據監測的能量存儲裝置工作狀態進行調節，從而提供合適的電壓與電流給道路照明裝置6。 其中壓電自發電單元1由疊堆式結構的壓電陶瓷片組成，以高性能壓電陶瓷材料通過金屬導電材料進行串並聯組合，其串並聯的數量由電壓和電流的大小決定，按照獨立單元模塊的形式，被置於瀝青混凝土路面下。 壓電自發電單元1轉化的電能，再經過能量採集裝置2收集電量，即經過橋式整流電路7整流、電容濾波能量存儲電路8濾波能量存儲，最後經穩壓二極體9限幅後，得到直流的供電電壓，提供給DC-DC變換裝置3。 DC/DC變換裝置3將得到直流的供電電壓經DC-DC變換裝置3後輸出給能量存儲裝置4如可充電電池等，其充電電壓和電流由電源監測與管理系統5實時監控，根據監測的電源模塊工作參數，調節控制開關，使可充電電池能提供合適的電壓與電流給道路照明裝置6。 本發明中，所述用於公路的壓電自發電能量採集與照明裝置的壓電自發電單元l，其材料為f丐鈦礦(Peerovskite)結構的鋯鈦酸鉛(Lead Zirconate-titanate ;PZT)。可根據壓電自發電單元1發電能力的強弱，選擇壓電自發電單元1內壓電陶瓷片的數量和串並聯連接方式，使能量採集裝置2的輸出電流、電壓與DC/DC變換裝置3的輸入電流、電壓相匹配。 本發明中，考慮到壓電自發電單元l發出的是毫安級的交流電流，所述用於公路的壓電自發電能量採集裝置2中橋式整流電路7用到的整流二極體採用正向壓降電壓較小的二極體，型號為1N57系列；電容濾波能量存儲電路8用到的鉭電容AVX100uF/16V，型號為D型；其限幅用穩壓二極體電路用到的穩壓二極體型號為IN47系列。該型號穩壓二極體功率為1W，當工作電壓遠小於穩定電壓值時，該穩壓二極體不起作用；只有大於穩定電壓值時，才起到保護DC-DC變換裝置3的作用，防止因DC-DC變換裝置3輸入電壓過高而損壞DC-DC變換器。DC-DC變換裝置3中DC-DC變換的選型是根據能量存儲裝置4的電壓和電流的需要進行選擇。 本發明中，能量存儲裝置4採用可充電電池如鎳氫電池和鋰離子電池等。電源監測與管理系統5，由低功耗微處理器和含電壓、電流檢測單元模塊電路共同構成的裝置組成，對能量存儲裝置4的工作參數進行監測，調節控制開關，使可充電電池能提供合適的電壓與電流給道路照明裝置6。 本發明中，道路照明裝置6是直流電壓供電的LED節能燈，它由能量存儲裝置4根據LED節能燈正常工作所需電壓、電流的大小經過適當的聯結後提供給道路照明裝置6。
採集與照明裝置的實物模擬圖。
採集與照明裝置的結構框圖。
採集裝置的原理圖。
採集裝置電路原理圖。
對鎳氫電池充電的電路原理圖。
對鋰離子電池充電的電路原理圖。
圖1是用於公路的壓電自發電能量 圖2是用於公路的壓電自發電能量 圖3是用於公路的壓電自發電能量 圖4是用於公路的壓電自發電能量 圖5是用於公路的壓電自發電能量 圖6是用於公路的壓電自發電能量
圖7是用於公路的壓電自發電能量電源監測與管理系統單元原理圖。
具體實施例方式
用於公路的壓電自發電能量採集與照明裝置的實物模擬圖如圖1所示。圖1中1是壓電自發電單元，2是能量採集裝置，3是DC-DC變換裝置，4是能量存儲裝置，5是電源監測與管理系統，6是道路照明裝置。 用於公路的壓電自發電能量採集與照明裝置的具體實施方式
如圖2-圖7所示。如圖2所示，壓電自發電單元1的工作方式是通過車輛振動或壓擠壓電陶瓷，利用壓電陶瓷的正壓電效應，產生電能，通過導線將電能引出給壓電自發電能量採集裝置2進行電量收集，再經DC-DC變換裝置3的輸出提供給能量存儲裝置4足夠的充電電壓和電流，由電源監測與管理系統5實時監控，根據監測的能量存儲裝置工作狀態進行調節，提供合適的電壓與電流給道路照明裝置6。如圖3所示，該實施方式中的壓電自發電能量採集裝置2包括橋式整流電路7、電容濾波能量存儲電路8和，穩壓二極體限幅9。如圖4所示中，整流二極體要求其正嚮導通壓降儘可能小，因此在本專利中二極體採用型號為1N5711。 1N5711二極體的最大反向電壓VM = 60V，小電流時正嚮導通壓降VF = 0.41V，最大整流電流IF = 15mA，反向電流IK = 200nA，反向恢復時間t = l.Ons，結電容C。 = 2. OpF。由於鉭電容具有體積小、使用溼度範圍寬、壽命長、絕緣電阻高、漏電流小、阻抗頻率特性好、可靠性高等優點；本專利中採用鉭電解電容AVX100uF/16V，型號為D型。壓電自發電能量採集裝置2的工作方式是壓電自發電單元1轉化的交流電能，經過橋式整流電路7整流、電容濾波能量存儲電路8濾波，最後經穩壓二極體9限幅，穩壓二極體型號為IN4735，該穩壓二極體具有6. 2V的穩壓效果，但工作電壓遠小於6. 2V時，該穩壓二極體不起作用；只有大於6. 2V時，才起到保護DC-DC變換裝置3的作用。DC/DC變換裝置3的工作方式是採用降壓型DC-DC變換器，能量採集裝置2的輸出的直流電壓通過DC-DC變換裝置3的DC-DC變換器的Vin埠 ， DC-DC變換器選擇依據是根據能量存儲裝置4即可充電電池如鎳氫電池和鋰離子電池等的所需充電電壓、電流大小進行適當選取。實施時，如圖5所示，如果能量存儲裝置4選用鎳氫電池組，則DC-DC變換器的輸出電壓要求是5. 2V左右，最大不超過6V。圖5中DC-DC轉換器選用了 MAXM公司的MAX1896晶片，其輸入電壓範圍是2. 6V-5. 5V，輸出最大可調電壓為13V。如果能量存儲裝置4選用鋰離子電池，前述壓電自發電能量採集裝置2經DC-DC變換裝置3變換後，還需通過由鋰離子電池充電專用晶片LTC1733構成的模塊電路，對鋰離子電池充電，輸出電壓要求是4. IV，如圖6所示中，LTC1733的輸入電壓範圍是4. 5V-6. 5V，輸出電壓是4. IV或4. 2V可調，專用來給鋰離子電池充電。 同時，由低功耗微處理器和含電壓、電流傳感器檢測模塊電路共同構成的裝置組成的電源監測與管理系統5，對電源模塊工作狀態實時監控並通過控制相應的開關進行調節，用於公路的壓電自發電能量電源監測與管理系統單元原理圖如圖7所示。
具體實施時，採用的是超低功耗的MSP430F14X系列，MSP430F14x單片機具有極低的功耗、強大的處理能力、豐富的片上外圍模塊，方便高效的開發方式。本發明主要採用的MSP430F14x單片機，是F14x系列中功能最強大的一款。它具有一個硬體乘法器、6個I/O埠 (每個有8個I/O 口 ) 、1個精確的模擬比較器、2個具有捕捉/比較寄存器的定時器、8路12位A/D轉換器、片內看門狗定時器、2個串行通信接口和60KB的FlashROM， 2KB RAM。F14x還具有強大的擴展功能，其具有48個I/0引腳，每個I/O 口分別對應輸入、輸出、功能選擇、中斷等多個寄存器，使得功能口和通用I/O 口可以復用，大大增強了埠功能和靈活性，提高了對外圍設備的開發能力。 低功耗微處理器採集的信號有電壓信號和電流信號，對鋰離子電池還需採集溫度信號，電壓的測量採用電阻分壓取樣測量電壓，通過測量分壓電阻的電壓值來測量電池組端電壓，電阻分壓比l : 7，電阻精度±0.5% ;其中分壓電阻的電壓值採樣通過微處理器內部ADC完成。電流的測量採用精密電流採樣電阻測量電流。在電池的負極串聯一個20毫歐精密電阻，通過測量這個電阻的電壓降來測量工作電流，電阻精度為0. 5% ;精密電阻兩端電壓的測量也是通過微處理器內部的ADC採樣完成。溫度的測量採用負溫度係數的熱敏電阻測量溫度，通過測量熱敏電阻的阻值來測量電池溫度，熱敏電阻阻值精度為1% ;熱敏電阻應緊貼電池表面。也可以採用專用的電池工作狀態晶片來完成電池工作狀態監測與管理。 照明裝置主要選用直流電壓供電的LED節能燈，規格種類較多，可以根據能量存儲裝置種類進行選擇，比如能量存儲裝置是鎳氫電池，可選擇鎳氫電池組對6V或12V等多種規格LED節能燈供電，如果能量存儲裝置是鋰離子電池，可對3. 7V左右規格的LED節能燈進行供電等。
權利要求
一種用於瀝青混凝土路面的壓電自發電能量採集與照明裝置，其特徵在於，該裝置主要由壓電自發電單元(1)、能量採集裝置(2)、DC-DC變換裝置(3)、能量存儲裝置(4)、電源監測與管理系統(5)和道路照明裝置(6)組成，並且所述的單元、裝置和系統依次導線相連；壓電自發電單元(1)通過車輛振動或壓擠壓電陶瓷產生電能，通過導線將電能引出給壓電自發電能量採集裝置(2)進行電量收集，再經DC-DC變換裝置(3)的輸出提供給能量存儲裝置(4)足夠的充電電壓和電流，由電源監測與管理系統(5)實時監控，根據監測的能量存儲裝置工作狀態進行調節，提供合適的電壓與電流給道路照明裝置(6)。
2. 根據權利要求1所述的用於瀝青混凝土路面的壓電自發電能量採集與照明裝置，其特徵是壓電自發電單元(1)由疊堆式結構的壓電陶瓷片組成，以高性能壓電陶瓷材料通過金屬導電材料進行串並聯組合，其串並聯的數量由電壓和電流的大小決定，按照獨立單元模塊的形式，被置於瀝青混凝土路面下。
3. 根據權利要求1所述的用於瀝青混凝土路面的壓電自發電能量採集與照明裝置，其特徵是能量採集裝置(2)包括橋式整流電路(7)、電容濾波能量存儲電路(8)和穩壓二極體(9);通過壓電自發電單元(1)轉化的電能，為毫安級的交流電流，經過能量採集裝置(2)中的橋式整流電路(7)整流、電容濾波能量存儲電路(8)濾波能量存儲，最後經穩壓二極體(9)限幅，得到直流的供電電壓，提供給DC-DC變換裝置(3)。
4. 根據權利要求3所述的用於瀝青混凝土路面的壓電自發電能量採集與照明裝置，其特徵是橋式整流電路(7)用到的整流二極體主要選用正向壓降電壓較小的二極體。
5. 根據權利要求3所述的用於瀝青混凝土路面的壓電自發電能量採集與照明裝置，其特徵是電容濾波能量存儲電路(8)用到的電容主要選用鉭電容AVX100uF/16V，型號為D型。
6. 根據權利要求3所述的用於瀝青混凝土路面的壓電自發電能量採集與照明裝置，其特徵是穩壓二極體(9)根據DC-DC變換裝置(3)所需輸入電壓選用相應的穩壓二極體，型號為IN47系列。
7. 根據權利要求1所述的用於瀝青混凝土路面的壓電自發電能量採集與照明裝置，其特徵是DC/DC轉換器(3)輸入為經電容濾波電路(8)濾波，再經穩壓二極體(9)限幅後得到直流的供電電壓，DC/DC變換裝置(3)的輸出給能量存儲裝置(4)， DC-DC變換裝置主要用於調整和轉換壓電裝置產生的電能，並將電能提供給能量存儲裝置(4)。
8. 根據權利要求1所述的用於瀝青混凝土路面的壓電自發電能量採集與照明裝置，其特徵是能量存儲裝置(4)採用可充電鎳氫電池或和鋰離子電池。
9. 根據權利要求1所述的用於瀝青混凝土路面的壓電自發電能量採集與照明裝置，其特徵是電源監測與管理系統(5)，由低功耗微處理器和含電壓、電流檢測單元模塊電路共同構成的裝置組成，對能量存儲裝置(4)工作狀態實時監控並進行調節。
10. 根據權利要求9所述的用於瀝青混凝土路面的壓電自發電能量採集與照明裝置，其特徵是所述的電源監測與管理系統(5)根據監測的電源模塊工作狀態進行調節，調節控制開關，從而提供合適的電壓與電流給道路照明裝置(6)。
11. 根據權利要求1所述的用於瀝青混凝土路面的壓電自發電能量採集與照明裝置，其特徵是照明裝置(6)是可充電電池組供電的LED節能型照明裝置。
全文摘要
本發明公開了一種用於瀝青混凝土路面的壓電自發電能量採集與照明裝置。將壓電自發電單元鋪設於瀝青混凝土路面下，利用車輛振動或壓擠能量產生電能，提供給能量存儲裝置存儲和利用，最後經電源管理系統，提供給道路照明裝置作為工作能源。該裝置包括壓電自發電單元(1)、能量採集裝置(2)、DC-DC變換裝置(3)、能量存儲裝置(4)、電源監測與管理系統(5)和道路照明裝置(6)，並且上述的單元、裝置和系統依次導線相連，能量存儲裝置由電源監測與管理系統實時監控，根據監測的能量存儲裝置工作狀態進行調節，從而提供合適的電壓與電流給道路照明裝置。本發明不僅可以有效解決城鄉公路燈具供電不便的難題，而且既節能，又環保。
文檔編號E01C7/00GK101783616SQ201010028909
公開日2010年7月21日 申請日期2010年1月4日 優先權日2010年1月4日
發明者卿輝, 吳少鵬, 周靜, 唐寧, 孫華君, 李哲, 林偉, 陳軍, 陳文 申請人:武漢理工大學