专利名称：基于压电悬臂梁和超级电容的轨道振动能量回收系统的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及一种基于压电悬臂梁和超级电容的轨道振动能量回收系统，属于能量回收技术领域。
背景技术：
能源危机是当今世界最为关注的问题之一，各国科技工作者一直在努力寻找和开发新型能源来解决能源缺乏和使用传统能源时存在的问题，这其中，将工作和生活环境中的潜在能源加以利用也一直是一个热门课题。环境中潜在可用的能源有太阳能、振动或噪声、温差等等，其中振动或噪声能几乎无处不在且具有较高的能量密度。以地铁系统为例，地铁在运行过程中产生很大的振动能量，并通过轮轨噪声向外界辐射，造成大量的能量损失。而随着经济社会的发展和人口的增长，地铁正逐步成为世界各国大中城市的主要交通工具，若能将地铁在运行过程中产生的振动能量回收利用，用于照明、行车信息和广告显示，则可达到节能环保及降低噪声之双重目的。
发明内容本实用新型的目的是为了解决轨道振动能量由于不能回收利用而造成能量损失的问题，提供一种基于压电悬臂梁和超级电容的轨道振动能量回收系统。本实用新型所述基于压电悬臂梁和超级电容的轨道振动能量回收系统，它由一组悬臂梁式压电振子和整流汇流储能电路组成，整流汇流储能电路由一组桥式整流器、齐纳二极管、第一超级电容和第二超级电容组成，每个桥式整流器的两个直流输出端均并联在齐纳二极管的两端，齐纳二极管的阴极端连接整流汇流储能电路的VCC端，齐纳二极管的阳极端连接整流汇流储能电路的GND 端，第一超级电容的一端连接整流汇流储能电路的VCC端，第一超级电容的另一端连接第二超级电容的一端，第二超级电容的另一端连接整流汇流储能电路的GND端；每个悬臂梁式压电振子的首端固定于列车钢轨悬空段的轨道底面上，一组悬臂梁式压电振子在每段列车钢轨悬空段内均勻分布，每个悬臂梁式压电振子的两个引出电极对应连接一个桥式整流器的两个交流输入端。本实用新型的优点是本实用新型针对轨道振动频率的特点，采用多个压电振子作为能量回收装置，并由于各压电振子谐振频率不尽相同，为实现高效汇集多个压电振子产生的电能，设计了多路整流汇流储能电路，它实现了对轨道振动能量的回收，本实用新型实现了将轨道车辆运行过程中产生的振动能量回收利用，可用于照明、行车信息和广告显示，达到了节能环保及降低噪声之双重目的。本实用新型可作为以地铁为代表的轨道车辆轮轨振动能量回收系统。随着我国城市基础设施的不断完善，地铁必将更加普及，因此轮轨振动所导致的能量损耗将十分巨大。 由于能量回收是节能环保的重要手段，因此本实用新型符合节能减排的重大战略要求，具有十分重要的现实意义和长远的经济乃至战略意义。
图1为本实用新型的电路结构示意图；图2为双晶悬臂梁式压电振子的结构示意图；图3为悬臂梁式压电振子在轨道上的安装示意图；图4为采用本实用新型进行驱动的储能型LCD显示电路图；图5为采用本实用新型进行驱动的直接驱动型LED显示电路图；图6为模拟轨道振动的振动装置示意图；图7为悬臂梁式压电振子的有限元模型图。
具体实施方式
具体实施方式
一下面结合图1至图3说明本实施方式，本实施方式由一组悬臂梁式压电振子和整流汇流储能电路组成，整流汇流储能电路由一组桥式整流器2-1、齐纳二极管2-2、第一超级电容Cl和第二超级电容C2组成，每个桥式整流器2-1的两个直流输出端均并联在齐纳二极管2-2的两端，齐纳二极管2-2的阴极端连接整流汇流储能电路的VCC端，齐纳二极管2-2的阳极端连接整流汇流储能电路的GND端，第一超级电容Cl的一端连接整流汇流储能电路的VCC端，第一超级电容Cl的另一端连接第二超级电容C2的一端，第二超级电容C2的另一端连接整流汇流储能电路的GND端；每个悬臂梁式压电振子1的首端固定于列车钢轨悬空段的轨道底面上，一组悬臂梁式压电振子在每段列车钢轨悬空段内均勻分布，每个悬臂梁式压电振子1的两个引出电极对应连接一个桥式整流器2-1的两个交流输入端。采用压电俘能技术能够将环境振动能转换成电能，本实施方式采用悬臂梁式压电振子1来实现将轨道振动能量转换成电能，实现了对轨道振动能量的回收。以地铁为例，地铁轨道振动是列车运行时车轮与钢轨相互撞击产生的，该振动经钢轨传到轨道扣件和道床，再传递到隧道或高架桥梁和岩土，引发隧道附近地面及建筑物的振动，从而影响地面建筑物各项功能的正常使用。在振动的传播过程中，高频部分比低频部分衰减得快，振动的频率随距离而改变，水平向振动比铅垂向振动衰减得快。由于地铁振动是横波、纵波、表面波合成的复杂波动现象，受各种复杂因素的影响，其振动机理、传播形态变化不定，因此只有通过对大量实测数据进行统计分析来考虑各种不同因素的综合影响。北京交通大学的刘卫丰教授针对地铁列车运行时引起的振动问题，提出了一个数值预测模型。数值预测模型的建模过程及具体形式该模型根据移动荷载作用下的动力响应，把地铁列车运行引起的振动问题归结到计算频率-波数域内的传递函数和频域内移动轴荷载的问题上。传递函数采用三维周期性有限元-边界元耦合的数值模型来计算，移动轴荷载主要考虑为频域内轨道不平顺激励下简化的轮轨接触力，具体形式如下[0026]地铁列车运行可以看成一组移动轴荷载。设η个列车轴荷载沿y轴(水平)方向以速度ν移动，其作用方向为ζ轴(垂直)方向，第k个移动轴荷载可以表示为用来确定荷载位置的Dirac函数和第k个轴荷载幅值&(t)的乘积，而η个列车轴荷载可以表示为
ηFz (x,/) = ^S(X-Xk)S (y-yk-vt) · δ (z-zk)gk(t)ez,
众二 1式中{xk，yk，、}τ为第k个轴荷载的初始位置，{xk, yk+vt, 为第k个轴荷载在 t时刻的位置，^为ζ轴方向上的单位向量。在频域区，在η个移动轴荷载的作用下，轨道或地表的任意一拾振点在ξ在力(1 =X或y或ζ)方向上的位移可以表示为
广 ΛΛμ ,=( ξ, ω) = J Fz(X, m)hzi(x, ξ, m)dy，这是Duhamel积分在频域内的表示。式中，为传递函数，表示在点χ的向上施加单位荷载，而在点ξ的&方向上产生的位移。一个无限的周期性结构可以
利用Floquet变换来分析。利用Floquet变换，上式可以写成
1MOO①Ll 2μ[\ξΧω)=-~ 艺仏(6/).exp| +j- yk· f exp -j-γ ·
2πω JνJν
K~l-L/2r (y ,ξ,Κω) γ ω ,从式中可以看出，只要计算出传递函数和移动轴荷载，那么任意一点的位移响应 (振幅及频率)就可以得到。刘卫丰教授等利用此模型计算了北京地铁1号线东单站至建国门站区间地铁列车运行引起的振动响应。刘卫丰教授等利用此模型计算了北京地铁1号线东单站至建国门站区间地铁列车运行引起的振动响应，结果表明地铁钢轨的振动频率一般小于100Hz，在50-70HZ之间振幅最大。根据钢轨的振动频率特点，本实用新型对悬臂梁式压电振子进行了结构设计。由压电材料制成的压电俘能装置具有结构简单、不发热、无污染、易于加工制作等诸多优点。 目前研究较多的结构形式有悬臂梁式和圆盘式，其中悬臂梁式能量转化效率高、谐振频率低，更容易在低频环境下产生谐振，俘获振动能量多，更符合地铁钢轨的振动频率特点，也易于在轨道系统中安装。因此，本实用新型采用悬臂梁式压电振子回收地铁钢轨的振动能量，在实际应用时，将悬臂梁式压电振子安装在钢轨的轨底。
具体实施方式
二 下面结合图1说明本实施方式，本实施方式为对实施方式一的进一步说明，本实施方式所述每个桥式整流器2-1由四个整流二极管连接组成。
具体实施方式
三下面结合图2说明本实施方式，本实施方式为对实施方式一或二的进一步说明，本实施方式所述悬臂梁式压电振子为双晶悬臂梁式压电振子。
具体实施方式
四下面结合图2说明本实施方式，本实施方式为对实施方式三的进一步说明，本实施方式所述每个双晶悬臂梁式压电振子由弹性体1-1、上压电晶体1-2和下压电晶体1-3组成，上压电晶体1-2和下压电晶体1-3对称粘贴在弹性体1-1的上、下表面上，上压电晶体1-2的上表面镀有上层电极，下压电晶体1-3的下表面镀有下层电极，上层电极和下层电极连接在一起作为悬臂梁式压电振子1的一个引出电极，弹性体1-1作为该悬臂梁式压电振子1的另一个引出电极。弹性体1-1为上压电晶体1-2和下压电晶体1-3的共用电极，弹性体1_1采用导电材料制成。[0039]具体实施方式
五本实施方式为对实施方式四的进一步说明，上层电极和下层电极均为金属薄膜。
具体实施方式
六下面结合图2说明本实施方式，本实施方式为对实施方式四或五的进一步说明，所述每个双晶悬臂梁式压电振子还包括质量块1-4，质量块1-4固定连接于每个双晶悬臂梁式压电振子的末端。研究表明，在双晶并联悬臂梁式压电振子末端增加质量块1-4可有效地降低双晶悬臂梁式压电振子的谐振频率，并提高输出功率。
具体实施方式
七本实施方式为对实施方式三、四、五或六的进一步说明，所述双晶悬臂梁式压电振子的弹性体1-1的材质为磷青铜，弹性体1-1的厚度为0. 8mm。
具体实施方式
八本实施方式为对实施方式三、四、五、六或七的进一步说明，所述双晶悬臂梁式压电振子的杨氏模量E为113GPa。
具体实施方式
九本实施方式为对实施方式三、四、五、六、七或八的进一步说明， 所述双晶悬臂梁式压电振子的泊松比μ为0.35。
具体实施方式
十下面结合图1到图7说明本实施方式，本实施方式为对实施方式三、四、五、六、七、八或九的进一步说明，所述双晶悬臂梁式压电振子的密度P为8920kg/
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m ο本实用新型中选用双晶悬臂梁式压电振子来回收轨道振动能量，根据对压电振子的仿真分析结果，确定了压电振子的结构参数。由于单个压电振子输出功率相对较小，难以为通用显示电路供电，为此采用多个压电振子作为能量回收装置。由于各压电振子谐振频率不尽相同，综合考虑各路输出电压和相位不完全一致，直接将其并联会导致电中和，为实现高效汇集多个压电振子产生的电能，设计了整流汇流储能电路。为验证本实用新型系统的性能，设计了储能型LCD显示电路，如图4所示，实验结果表明系统在频率60-70HZ范围内，储能和供电过程稳定，能够点亮液晶显示板。同时，对系统进行了直接驱动LED实验，如图5所示，结果表明本实用新型系统可以持续点亮8个直径Φ为5mm的红色LED。可以看出，若保证压电振子的数量，优化系统设计并减小能量损耗，本实用新型系统能够实现用于地铁运行信息显示的目标。实验结果表明，在相同激励下，双晶并联压电振子输出的电流明显高于单晶与双晶串联的输出电流，本实用新型选用了双晶并联悬臂梁式压电振子，并通过仿真分析确定了双晶悬臂梁式压电振子的结构参数如表1所示。表1双晶并联悬臂梁式压电振子的基本参数[0049]
权利要求1.一种基于压电悬臂梁和超级电容的轨道振动能量回收系统，其特征在于它由一组悬臂梁式压电振子和整流汇流储能电路组成，整流汇流储能电路由一组桥式整流器0-1)、齐纳二极管0-2)、第一超级电容(Cl)和第二超级电容(以)组成，每个桥式整流器的两个直流输出端均并联在齐纳二极管0-2)的两端，齐纳二极管0-2)的阴极端连接整流汇流储能电路的VCC端，齐纳二极管0-2)的阳极端连接整流汇流储能电路的GND端，第一超级电容(Cl)的一端连接整流汇流储能电路的VCC端，第一超级电容(Cl)的另一端连接第二超级电容(以)的一端，第二超级电容(以)的另一端连接整流汇流储能电路的GND端；每个悬臂梁式压电振子(1)的首端固定于列车钢轨悬空段的轨道底面上，一组悬臂梁式压电振子在每段列车钢轨悬空段内均勻分布，每个悬臂梁式压电振子(1)的两个引出电极对应连接一个桥式整流器的两个交流输入端。
2.根据权利要求1所述的基于压电悬臂梁和超级电容的轨道振动能量回收系统，其特征在于所述每个桥式整流器由四个整流二极管连接组成。
3.根据权利要求1或2所述的基于压电悬臂梁和超级电容的轨道振动能量回收系统， 其特征在于所述悬臂梁式压电振子为双晶悬臂梁式压电振子。
4.根据权利要求3所述的基于压电悬臂梁和超级电容的轨道振动能量回收系统，其特征在于所述每个双晶悬臂梁式压电振子由弹性体(1-1)、上压电晶体(1-2)和下压电晶体(1-3)组成，上压电晶体(1-2)和下压电晶体(1-3)对称粘贴在弹性体(1-1)的上、下表面上，上压电晶体(1- 的上表面镀有上层电极，下压电晶体(1- 的下表面镀有下层电极，上层电极和下层电极连接在一起作为悬臂梁式压电振子(1)的一个引出电极，弹性体 (1-1)作为该悬臂梁式压电振子(1)的另一个引出电极。
5.根据权利要求4所述的基于压电悬臂梁和超级电容的轨道振动能量回收系统，其特征在于上层电极和下层电极均为金属薄膜。
6.根据权利要求4所述的基于压电悬臂梁和超级电容的轨道振动能量回收系统，其特征在于所述每个双晶悬臂梁式压电振子还包括质量块(1-4)，质量块(1-4)固定连接于每个双晶悬臂梁式压电振子的末端。
7.根据权利要求4所述的基于压电悬臂梁和超级电容的轨道振动能量回收系统，其特征在于所述双晶悬臂梁式压电振子的弹性体(1-1)的材质为磷青铜，弹性体(1-1)的厚度为 0. 8mmο
8.根据权利要求4所述的基于压电悬臂梁和超级电容的轨道振动能量回收系统，其特征在于所述双晶悬臂梁式压电振子的杨氏模量E为113GPa。
9.根据权利要求4所述的基于压电悬臂梁和超级电容的轨道振动能量回收系统，其特征在于所述双晶悬臂梁式压电振子的泊松比μ为0.35。
10.根据权利要求4所述的基于压电悬臂梁和超级电容的轨道振动能量回收系统，其特征在于所述双晶悬臂梁式压电振子的密度P为8920kg/m3。
专利摘要基于压电悬臂梁和超级电容的轨道振动能量回收系统，属于能量回收技术领域。它解决了轨道振动能量由于不能回收利用而造成能量损失的问题。本实用新型由一组悬臂梁式压电振子和整流汇流储能电路组成，整流汇流储能电路由一组桥式整流器、齐纳二极管、第一超级电容和第二超级电容组成，每个悬臂梁式压电振子的首端固定于列车钢轨悬空段的轨道底面上，一组悬臂梁式压电振子在每段列车钢轨悬空段内均匀分布，每个悬臂梁式压电振子的两个引出电极对应连接一个桥式整流器的两个交流输入端。本实用新型用于轨道振动能量的回收。
文档编号H02N2/18GK202121523SQ20112021827
公开日2012年1月18日 申请日期2011年6月24日 优先权日2011年6月24日
发明者吴丽君, 武剑, 齐冀 申请人:齐冀