基於壓電懸臂梁和超級電容的軌道振動能量回收系統的製作方法

2023-05-05 01:18:46 5

專利名稱：基於壓電懸臂梁和超級電容的軌道振動能量回收系統的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種基於壓電懸臂梁和超級電容的軌道振動能量回收系統，屬於能量回收技術領域。
背景技術：
能源危機是當今世界最為關注的問題之一，各國科技工作者一直在努力尋找和開發新型能源來解決能源缺乏和使用傳統能源時存在的問題，這其中，將工作和生活環境中的潛在能源加以利用也一直是一個熱門課題。環境中潛在可用的能源有太陽能、振動或噪聲、溫差等等，其中振動或噪聲能幾乎無處不在且具有較高的能量密度。以地鐵系統為例，地鐵在運行過程中產生很大的振動能量，並通過輪軌噪聲向外界輻射，造成大量的能量損失。而隨著經濟社會的發展和人口的增長，地鐵正逐步成為世界各國大中城市的主要交通工具，若能將地鐵在運行過程中產生的振動能量回收利用，用於照明、行車信息和廣告顯示，則可達到節能環保及降低噪聲之雙重目的。

發明內容
本發明的目的是為了解決軌道振動能量由於不能回收利用而造成能量損失的問題，提供一種基於壓電懸臂梁和超級電容的軌道振動能量回收系統。本發明所述基於壓電懸臂梁和超級電容的軌道振動能量回收系統，它由一組懸臂梁式壓電振子和整流匯流儲能電路組成，整流匯流儲能電路由一組橋式整流器、齊納二極體、第一超級電容和第二超級電容組成，每個橋式整流器的兩個直流輸出端均並聯在齊納二極體的兩端，齊納二極體的陰極端連接整流匯流儲能電路的VCC端，齊納二極體的陽極端連接整流匯流儲能電路的GND 端，第一超級電容的一端連接整流匯流儲能電路的VCC端，第一超級電容的另一端連接第二超級電容的一端，第二超級電容的另一端連接整流匯流儲能電路的GND端；每個懸臂梁式壓電振子的首端固定於列車鋼軌懸空段的軌道底面上，一組懸臂梁式壓電振子在每段列車鋼軌懸空段內均勻分布，每個懸臂梁式壓電振子的兩個引出電極對應連接一個橋式整流器的兩個交流輸入端。本發明的優點是本發明針對軌道振動頻率的特點，採用多個壓電振子作為能量回收裝置，並由於各壓電振子諧振頻率不盡相同，為實現高效匯集多個壓電振子產生的電能，設計了多路整流匯流儲能電路，它實現了對軌道振動能量的回收，本發明實現了將軌道車輛運行過程中產生的振動能量回收利用，可用於照明、行車信息和廣告顯示，達到了節能環保及降低噪聲之雙重目的。本發明可作為以地鐵為代表的軌道車輛輪軌振動能量回收系統。隨著我國城市基礎設施的不斷完善，地鐵必將更加普及，因此輪軌振動所導致的能量損耗將十分巨大。由於能量回收是節能環保的重要手段，因此本發明符合節能減排的重大戰略要求，具有十分重要的現實意義和長遠的經濟乃至戰略意義。


圖1為本發明的電路結構示意圖；圖2為雙晶懸臂梁式壓電振子的結構示意圖；圖3為懸臂梁式壓電振子在軌道上的安裝示意圖；圖4為採用本發明進行驅動的儲能型IXD顯示電路圖；圖5為採用本發明進行驅動的直接驅動型LED顯示電路圖；圖6為模擬軌道振動的振動裝置示意圖；圖7為懸臂梁式壓電振子的有限元模型圖。
具體實施例方式具體實施方式
一下面結合圖1至圖3說明本實施方式，本實施方式由一組懸臂梁式壓電振子和整流匯流儲能電路組成，整流匯流儲能電路由一組橋式整流器2-1、齊納二極體2-2、第一超級電容Cl和第二超級電容C2組成，每個橋式整流器2-1的兩個直流輸出端均並聯在齊納二極體2-2的兩端，齊納二極體2-2的陰極端連接整流匯流儲能電路的VCC端，齊納二極體2-2的陽極端連接整流匯流儲能電路的GND端，第一超級電容Cl的一端連接整流匯流儲能電路的VCC端，第一超級電容Cl的另一端連接第二超級電容C2的一端，第二超級電容C2的另一端連接整流匯流儲能電路的GND端；每個懸臂梁式壓電振子1的首端固定於列車鋼軌懸空段的軌道底面上，一組懸臂梁式壓電振子在每段列車鋼軌懸空段內均勻分布，每個懸臂梁式壓電振子1的兩個引出電極對應連接一個橋式整流器2-1的兩個交流輸入端。採用壓電俘能技術能夠將環境振動能轉換成電能，本實施方式採用懸臂梁式壓電振子1來實現將軌道振動能量轉換成電能，實現了對軌道振動能量的回收。以地鐵為例，地鐵軌道振動是列車運行時車輪與鋼軌相互撞擊產生的，該振動經鋼軌傳到軌道扣件和道床，再傳遞到隧道或高架橋梁和巖土，引發隧道附近地面及建築物的振動，從而影響地面建築物各項功能的正常使用。在振動的傳播過程中，高頻部分比低頻部分衰減得快，振動的頻率隨距離而改變，水平向振動比鉛垂向振動衰減得快。由於地鐵振動是橫波、縱波、表面波合成的複雜波動現象，受各種複雜因素的影響，其振動機理、傳播形態變化不定，因此只有通過對大量實測數據進行統計分析來考慮各種不同因素的綜合影響。北京交通大學的劉衛豐教授針對地鐵列車運行時引起的振動問題，提出了一個數值預測模型。數值預測模型的建模過程及具體形式該模型根據移動荷載作用下的動力響應，把地鐵列車運行引起的振動問題歸結到計算頻率-波數域內的傳遞函數和頻域內移動軸荷載的問題上。傳遞函數採用三維周期性有限元-邊界元耦合的數值模型來計算，移動軸荷載主要考慮為頻域內軌道不平順激勵下簡化的輪軌接觸力，具體形式如下
地鐵列車運行可以看成一組移動軸荷載。設η個列車軸荷載沿y軸(水平)方向以速度ν移動，其作用方向為ζ軸(垂直)方向，第k個移動軸荷載可以表示為用來確定荷載位置的Dirac函數和第k個軸荷載幅值&(t)的乘積，而η個列車軸荷載可以表示為
權利要求
1.一種基於壓電懸臂梁和超級電容的軌道振動能量回收系統，其特徵在於它由一組懸臂梁式壓電振子和整流匯流儲能電路組成，整流匯流儲能電路由一組橋式整流器0-1)、齊納二極體0-2)、第一超級電容(Cl)和第二超級電容(以)組成，每個橋式整流器的兩個直流輸出端均並聯在齊納二極體0-2)的兩端，齊納二極體0-2)的陰極端連接整流匯流儲能電路的VCC端，齊納二極體0-2)的陽極端連接整流匯流儲能電路的GND端，第一超級電容(Cl)的一端連接整流匯流儲能電路的VCC端，第一超級電容(Cl)的另一端連接第二超級電容(以)的一端，第二超級電容(以)的另一端連接整流匯流儲能電路的GND端；每個懸臂梁式壓電振子(1)的首端固定於列車鋼軌懸空段的軌道底面上，一組懸臂梁式壓電振子在每段列車鋼軌懸空段內均勻分布，每個懸臂梁式壓電振子(1)的兩個引出電極對應連接一個橋式整流器的兩個交流輸入端。
2.根據權利要求1所述的基於壓電懸臂梁和超級電容的軌道振動能量回收系統，其特徵在於所述每個橋式整流器由四個整流二極體連接組成。
3.根據權利要求1或2所述的基於壓電懸臂梁和超級電容的軌道振動能量回收系統， 其特徵在於所述懸臂梁式壓電振子為雙晶懸臂梁式壓電振子。
4.根據權利要求3所述的基於壓電懸臂梁和超級電容的軌道振動能量回收系統，其特徵在於所述每個雙晶懸臂梁式壓電振子由彈性體(1-1)、上壓電晶體(1-2)和下壓電晶體(1-3)組成，上壓電晶體(1-2)和下壓電晶體(1-3)對稱粘貼在彈性體(1-1)的上、下表面上，上壓電晶體(1- 的上表面鍍有上層電極，下壓電晶體(1- 的下表面鍍有下層電極，上層電極和下層電極連接在一起作為懸臂梁式壓電振子(1)的一個引出電極，彈性體 (1-1)作為該懸臂梁式壓電振子(1)的另一個引出電極。
5.根據權利要求4所述的基於壓電懸臂梁和超級電容的軌道振動能量回收系統，其特徵在於上層電極和下層電極均為金屬薄膜。
6.根據權利要求4所述的基於壓電懸臂梁和超級電容的軌道振動能量回收系統，其特徵在於所述每個雙晶懸臂梁式壓電振子還包括質量塊(1-4)，質量塊(1-4)固定連接於每個雙晶懸臂梁式壓電振子的末端。
7.根據權利要求4所述的基於壓電懸臂梁和超級電容的軌道振動能量回收系統，其特徵在於所述雙晶懸臂梁式壓電振子的彈性體(1-1)的材質為磷青銅，彈性體(1-1)的厚度為 0. 8mmο
8.根據權利要求4所述的基於壓電懸臂梁和超級電容的軌道振動能量回收系統，其特徵在於所述雙晶懸臂梁式壓電振子的楊氏模量E為113GPa。
9.根據權利要求4所述的基於壓電懸臂梁和超級電容的軌道振動能量回收系統，其特徵在於所述雙晶懸臂梁式壓電振子的泊松比μ為0.35。
10.根據權利要求4所述的基於壓電懸臂梁和超級電容的軌道振動能量回收系統，其特徵在於所述雙晶懸臂梁式壓電振子的密度P為8920kg/m3。
全文摘要
基於壓電懸臂梁和超級電容的軌道振動能量回收系統，屬於能量回收技術領域。它解決了軌道振動能量由於不能回收利用而造成能量損失的問題。本發明由一組懸臂梁式壓電振子和整流匯流儲能電路組成，整流匯流儲能電路由一組橋式整流器、齊納二極體、第一超級電容和第二超級電容組成，每個懸臂梁式壓電振子的首端固定於列車鋼軌懸空段的軌道底面上，一組懸臂梁式壓電振子在每段列車鋼軌懸空段內均勻分布，每個懸臂梁式壓電振子的兩個引出電極對應連接一個橋式整流器的兩個交流輸入端。本發明用於軌道振動能量的回收。
文檔編號H02J15/00GK102355064SQ20111017342
公開日2012年2月15日 申請日期2011年6月24日 優先權日2011年6月24日
發明者吳麗君, 武劍, 齊冀 申請人:齊冀