专利名称：大功率磁致伸缩铁轨压力发电模块及系统集成技术的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种发电技术，尤其涉及一种大功率磁致伸缩铁轨压力发电模块及系 统集成技术。
背景技术：
能源危机是本世纪最为严重的问题之一，以煤、石油、水力发电为代表的现代能源 由于人类的过渡开采利用而日益枯竭，并且还带来日益严重的环境污染，我们在获得巨大 能源的同时，亦遭受生态、环境危机，威胁着我们的生存和发展。为此，新能源成为世界各国 迫切关心、开发、应用的当务之急，这就是太阳能、风能、核能等新能源近几年迅猛发展、得 到世界各国投以巨资开发的重要原因。然而，太阳能、风能、核能等新能源要取代煤、石油和 水力的统治地位为时尚早。首先，太阳能只能白天太阳照射的国家和地区才有可能；风能在 风力较大的地区才能利用，我国大部分城市都无法采用风力发电；核能尽管潜力巨大，也号 称“安全”，但核泄漏、核污染要求极其严格的安全技术和措施，切不可掉以轻心；水力发电 在我国由于有长江、雅鲁藏布江及其支流得天独厚的天然资源，可以获得取之不尽的水力 电能，然而，除了它的修建时间很长之外，修建期间需要大量水泥、钢材等高耗能、高污染原 料，本以开发能源的初衷却提前消耗现有的能源，使当前的能源危机进一步恶化。继三峡大 坝修建成之后，长江支流大渡河有22座梯级大坝、金沙江、怒江、澜沧江计划将有上百座梯 级大坝修建，目前已经把规划的触角伸向了雅鲁藏布江，它们像无数个梯级大坝横亘在我 国仅有的几条大江、大河上，以牺牲西部资源换取经济的持续发展。不难想象，若这么多的 大坝修成功之后，我国的自然资源、生态平衡会将是如何的格局，它们所带来的后果当代人 可能很难估计！生态危机与能源危机同样是我们不得不反思和选择的，因此，提出生态能源才是 我们解决生态和能源之间的矛盾，是可持续发展的明智之举。本发明利用现有高新技术和材料产生的高新技术新能源，它利用无处不在的压 力，使可以受压力而产生电能的材料发电的，即，利用巨大压力能量通过特殊电子元器件转 化为电能。目前能够受压力发电的材料有1、压电材料及其系列，如压电陶瓷、有机压电 材料、复合压电材料、半导体压电材料…等；2、磁致伸缩材料及其系列，如普通磁致伸缩 材料、稀土磁致伸缩材料…等两大类。在应用方面，当属铁轨压力发电最为显著，成本最低、最能够成功。因为，一节列车 的重量达50-90吨，是汽车的几倍、几十倍以上；其次，它可以只利用铁轨下面极小的空间 安装，不必像公路汽车发电模块必须铺满公路，成本大大降低；第三，它不会影响铁路的正 常运行，安装、拆卸发电模块十分方便，不必像公路压电模块必须挖开路面才能安装、拆卸， 影响车辆的正常运行。以上的基本要素决定了铁轨压力发电的独立优势地位。
发明内容
本发明提供一种大功率磁致伸缩铁轨压力发电模块及系统集成技术，它可以运用
3在地上铁路和地下铁路。它利用铁路列车运行时所产生的巨大动能，使安装在铁轨下面的 大功率磁致伸缩模块发电，将机械压力动能转化为电能；所有模块的电能汇集到中、小车 站或专门电站储存使用，或与更大的车站、电站联网，或经逆变与市电联网；该发电模块具 有防雨、防列车运行冲击力的能力，由于模块安装在两根枕木之间、两条铁轨的下面的空隙 处，因而不必拆下铁轨就能方便地安装、维修和拆卸模块，不会影响铁路的正常运行和铁轨 的承载。本发明的技术方案是1、用多根磁致伸缩材料并列在一起，每一根磁致伸缩材料外绕有线圈，各个磁致 伸缩材料之间电气相互串联或并联相接，以提高发电电压和电流即功率。磁致伸缩材料的 上、下面有固定的夹板，上夹板下面有减震弹簧作为压力缓冲，保护磁致伸缩材料；磁致伸 缩材料安装在减震弹簧和下夹板之间，磁致伸缩材料的电力输出引线穿出外壳。2、模块的上外壳与铁轨的下端面接触，底座固定在地基的面上，上外壳与底座之 间有一间隙，由于模块内的缓冲弹簧使间隙始终保持在一个相对固定的间隙尺寸，列车的 正常压力不会使间隙闭合；只有当列车压力异常或突发过压力时这一间隙才闭合，以限制 更大的压力损坏壳内的磁致伸缩材料，从而保护了磁致伸缩材料及其内部电气线路。上外 壳包含并盖住下面的底座，以防止雨渗入壳内。3、磁致伸缩材料和外壳组合成一个发电模块，在两条铁轨的下面、每两根枕木之 间各分别安装一个发电模块，两个发电模块根据具体系统的设计要求并联或者串联，然后 所有枕木之间安装的发电模块的电力输出线全部并联为两根电力线，通过地下电缆送入中 小车站的电力储存室。4、和任何电气设备一样，都存在安装、维修、拆卸、更换的工作过程，为不影响列车 日常的正常运行采取如下措施a)发电模块不直接安装在铁轨与枕木之间，而是安装在两 条铁轨下面、两根枕木的空挡之间，这样，安装、更换模块时不会变动铁轨和枕木的位置及 固定连接部件，并且模块安装在两根枕木之间相当于在轨道中间加上一个第三支点，于轨 道的支撑稳定和列车的平稳运行更为有利；b)在发电模块的底座与地基面之间，插入一对 楔型插销，安装时用螺栓把模块、楔形插销一起固定在地基上；拆卸时松开螺栓，取出一对 楔形插销即可卸下模块；c)或者在下外壳的下面再安装稳定缓冲弹簧，该弹簧受固定螺栓 控制，可以上下调节弹簧的受压、放开高度尺寸，当弹簧尺寸调小时，可以平移地推进、拆卸 发电模块，而放松弹簧及其尺寸时，模块即抬高与轨道啮合，拆卸、安装极为方便，而且该弹 簧又进一步减缓了轨道在列车经过时对模块的冲击，保护模块。5、防噪声装置在铁轨与模块的上外壳之间加垫一减震防噪声薄型垫片，因为铁 轨与上外壳之间经长期运行后总有可能存在间隙，当几十吨重的列车车厢经过时将随时会 产生剧烈的打击、发出极强的噪声，垫片将大大减缓打击、降低噪声的发生。6、电力的储存/平稳装置由于列车的载重变化极大，时常有空载、满载、超载等 多种情况，那么发电的电压起伏变化、电力的输出起伏变化可能相当大，是一种剧烈波动的 发电方式。因而除了蓄电池的不断充电外，还应该配备足够的大容量电力电容使电力波动 平滑，以及过压保护装置。7、磁致伸缩材料的选择在目前众多的磁致伸缩材料中，最具有潜力的是稀土大 磁致伸缩材料，它已经可以制作出数千瓦级的超大功率换能器，是压电陶瓷发电的几倍，并可以在200°C高温区工作，承受更高的压力及冲击力。本发明的有用效果是1、相对于太阳能、风能。太阳能只能白天太阳照射的国家和地区才有可能；风能在 风力较大的地区才能利用，我国大部分城市都无法采用风力发电；2、相对于核能、水力发电、火力发电。核能发电尽管潜力巨大，但核泄漏、核污染所 要求严格的安全技术和措施切不可掉以轻心；水力发电在我国由于有长江、雅鲁藏布江及其支流得天独厚的天然资源，可以获 得取之不尽的水力电能，除了它成本高、修建时间很长之外，修建期间需要大量水泥、钢材 等高耗能、高污染材料，本以开发能源的初衷却大量提前消耗现有的能源，使当前的能源危 机进一步恶化。修建大坝给船舶运输造成不便，还会带来当地地质结构和生态变化，泥石垃 圾堆积，形成地震诱因。特别是梯级大坝，人为地给大江大河造成“肠梗阻”和“胆结石”，对 生态平衡带来极大破坏。不可忽视的是还要变更沿岸居民的生活、居住和生存环境，拆迁安 置工作也不是容易的事情，附加成本很高。火力发电所需要的煤或燃油都是不可再生能源，经过人类长期开采现在已经日益 枯竭。煤和石油又给环境带来破坏和污染，它们产生的二氧化碳使环球气温升高，自然灾害 频发。煤的开采常常造成煤矿塌方、瓦斯暴炸，每年因矿难所造成的死亡和财产损失无计其 数。利用铁轨压力发电则完全不消耗自然资源，完全不造成环境污染，以及瓦斯暴炸、 人员伤亡、核污染等问题，它能够大大减少、减缓我国几大河流的过渡开发，保护我国西部 地区的巨大自然资源留给子孙后代，维护全国的生态平衡和长久的可持续发展，它利用现 有的或新建铁路的路面而不另外占用土地资源，不消耗大量水泥，钢材等及所付出的高耗 能、高污染的代价，利用高新技术、高科技材料，利用列车运行时的巨大动能发电，建设周期 极大地缩短。我国铁路网、线片布全国各地，总长居世界第四，城市地铁的发展也非常快，其 发电量将不可估量，初步估算不亚于若干个三峡大坝的发电量！3、与同类公路发电、人流发电相比。第一，公路发电技术必须挖开公路路面埋入发 电模块，维修、拆卸时还要再次挖开地面，此外还要把硬性的水泥路面改成弹性的专用浙青 路面，影响汽车的高速运行，所以利用公路发电实际应用的难度极大！铁轨本身就在路面之上，发电模块的安装、维护和更换也在路面之上，它不会影响 到列车日常正常运行，这就从根本上保证铁路运输与发电之间互不干扰。第二，公路发电必须大面积铺设发电模块，成本很高，铁轨发电仅仅利用铁轨下 面、枕木之间的空隙，占用极小的空间。还有，一列火车的重量和载重量相当于上百俩汽车 的重量和载重量，火车对于铁轨的压力远远超过汽车轮胎对路面的压力，它产生的压力发 电电能也远远超过公路的压力发电电能；因此，铁路发电的成本远远低于公路发电，发电量 却是公路发电的若干倍。第三，安全性方面，公路一旦发生车祸，汽油流出到地面，交警和救护人员只要一 靠近出事现场，就可能使地下的压电材料发电，任何一个电火花都将引起汽车连环爆炸！ 而铁轨发电则只要按照铁路交通安全操作规程进行就可以了。4、铁轨压力发电是一年365天全天候发电方式，特别对于我国在节假日更是铁路 运行高峰期；而太阳能、风能、公路发电都要受地区、气候、白天及夜晚的限制，它们的发电量毕竟有限。5、标准化。为了实现产业化，批量化，必须制定铁轨压力发电模块、设备及系统的 新标准——国内新标准，国际新标准。
图1是磁致伸缩模块结构图，其中，1——磁致伸缩体，2——线圈，3——缓冲弹簧， 4——上夹板，5——下夹板，6——保护、显示电路，7——底座，8——外壳；图2是发电模块与铁轨的安装图，其中，1——磁致伸缩体，2——线圈，3——缓 冲弹簧，4——上夹板，5——下夹板，7——底座，8——外壳；9——减震垫片，10——压块， 11——螺栓1，12——铁轨，13——螺栓2，14——楔形插块，15——保护间隙，16——地基， 20——模块总成。图3是发电模块与铁轨、枕木装配的剖视图，其中，12——铁轨，16——地基， 17——枕木，20——模块总成。图4是发电模块与铁轨、枕木安装俯视示意图，其中，12——铁轨，17——枕木， 20——模块总成。图5是铁轨压力发电系统集成示意图，其中，20——模块总成，21——电缆通道， 22——蓄电池组，23——平滑电力电容器组，24——直流配电系统，25——直-交逆变电源 系统，26——直流输电系统，27——交流输电系统，19——地线。
具体实施例方式图1中，磁致伸缩体⑴固定在底座(7)上面，发电的线圈(2)绕在磁致伸缩体 (1)的外围层，缓冲弹簧(3)固定在上夹板(4)，下夹板(5)之间，保护、显示电路(6)也固 定在底座(7)上，外壳(8)罩住内部器件，形成发电模块整体。图2中，磁致伸缩体⑴固定在底座(7)上面，发电的线圈(2)绕在磁致伸缩体 (1)的外围层，缓冲弹簧(3)固定在上夹板(4)，下夹板(5)之间，保护、显示电路(6)也固 定在底座(7)上，外壳⑶罩住内部器件，成为模块总成(20)，外壳⑶与底座(7)之间有 一间隙(15)，一般列车在正常压力下不会使间隙闭合，只有当列车压力异常或突发过压力 时这一间隙才闭合，以限制更大的压力损坏壳内的压电材料，从而保护了磁致伸缩发电材 料及其内部机电部件，模块总成(20)与铁轨(12)由压块(10)，螺栓1(11)安装固定，模块 总成(20)与铁轨(12)之间加有减震垫片(9)以减缓列车经过时对模块的硬冲击和噪声；螺栓2(13)将模块(20)固定在地基(16)上，其间有2只楔形插块(14)互相对 插，安装时由螺栓2(13)将其固定，拆卸时只要松开螺栓2(13)，取出楔形插块(14)就可以 卸下模块(20)。图3中，模块总成(20)安装在两条铁轨(12)的下面，固定在地基(16)上面。图4中，模块总成(20)安装在两条铁轨(12)的下面，两根枕木(17)之间，与枕木 不接触。图5中，安装在铁轨下面的所有发电模块总成(20)的电力输出端并联，电力输 出线一端接地线(19)，并联后通过电缆通道(21)输送至车站的电气室内，接入蓄电池组 (22)和平滑电力电容器组(23)储存，平滑的电能根据需要分成两路一路到直流配电系统
6(24)，再到直流输电系统(26)输送出去；另一路到直-交逆变电源系统(25)，将直流逆变 为交流送入交流输电系统(27)与市电联网。
权利要求
一种大功率磁致伸缩铁轨压力发电模块及系统集成技术，磁致伸缩体(1)固定在底座(7)上面，发电的线圈(2)绕在磁致伸缩体(1)的外围层，缓冲弹簧(3)固定在上夹板(4)，下夹板(5)之间，保护、显示电路(6)也固定在底座(7)上，外壳(8)罩住内部器件，成为模块总成(20)；外壳(8)与底座(7)之间有一间隙(15)，一般列车在正常压力下不会使间隙闭合，只有当列车压力异常或突发过压力时这一间隙才闭合，以限制更大的压力损坏壳内的压电材料，从而保护了磁致伸缩发电材料及其内部机电部件，模块总成(20)与铁轨(12)由压块(10)，螺栓1(11)安装固定，模块总成(20)与铁轨(12)之间加有减震垫片(9)以减缓列车经过时对模块的硬冲击和噪声；螺栓2(13)将模块(20)固定在地基(16)上，其间有2只楔形插块(14)互相对插，安装时由螺栓2(13)将其固定，拆卸时只要松开螺栓2(13)，取出楔形插块(14)就可以卸下模块(20)。
2.根据权利要求1所述的大功率磁致伸缩铁轨压力发电模块及系统集成技术，其特征 在于，模块总成(20)安装在两条铁轨(12)的下面，两根枕木(17)之间，固定在地基(16) 上面，与枕木不接触。
3.根据权利要求1所述的大功率磁致伸缩铁轨压力发电模块及系统集成技术，其特征 在于，安装在铁轨下面的所有发电模块总成(20)的电力输出端并联，其中模块总成(20)的 电力输出线一端接地线(19)；并联后通过电缆通道(21)输送至车站的电气室内，接入蓄电 池组(22)和平滑电力电容器组(23)储存，平滑的电能根据需要分成两路一路到直流配电 系统(24)，再到直流输电系统(26)输送出去；另一路到直-交逆变电源系统(25)，将直流 逆变为交流送入交流输电系统(27)与市电联网。
全文摘要
一种大功率磁致伸缩铁轨压力发电模块及系统集成技术，它可以运用在地上铁路和地下铁路；它利用铁路列车运行时所产生的巨大动能，使安装在铁轨下面的大功率磁致伸缩模块发电，将机械压力动能转化为电能；所有模块的电能汇集到中、小车站或专门电站储存使用，或与更大的车站、电站联网，或经逆变与市电联网；该发电模块具有防雨、防列车运行冲击力的能力，由于模块安装在两根枕木之间、两条铁轨的下面的空隙处，因而不必拆下铁轨就能方便地安装、维修和拆卸模块，不会影响铁路的正常运行和铁轨的承载。
文档编号F03G7/00GK101882887SQ20091005916
公开日2010年11月10日 申请日期2009年5月4日 优先权日2009年5月4日
发明者陈友余 申请人:陈友余