一种轨道垂向振动能量回收装置制造方法
【专利摘要】本发明涉及一种轨道垂向振动能量回收装置，安装在轨道的轨枕与道床之间，其特征在于，该回收装置包括依次连接的垂向振动能量采集模块、同步提取接口电路和超级电容储能模块，所述的垂向振动能量采集模块设置在轨枕与道床之间；垂向振动能量采集模块将轨道垂向振动的机械能转换为电能，同步提取接口电路对垂向振动能量采集模块输出的电能进行转换，并将转换后的电能存储至超级电容储能模块中。与现有技术相比，本发明具有结构简单、可靠性高、节能环保等优点。
【专利说明】一种轨道垂向振动能量回收装置
【技术领域】
[0001]本发明涉及振动能量回收【技术领域】，尤其是涉及一种轨道垂向振动能量回收装置。
【背景技术】
[0002]轨道车辆的运行引起了轨道系统的强烈振动，这些振动所产生的能量大部分被轨道本身、轨枕和路基所吸收并消耗。这些振动不但对环境产生不利的影响，其中一部分还转化为噪声向周围辐射，所以在当今能源短缺的背景下，对轨道振动的能量进行回收是有意义的。将轨道振动的机械振动能量转换为电能主要通过压电转换的方法。压电转换结构简单、可靠性高、且转换电压较高、无需变压器，并可达到相对较高的功率密度。目前的压电轨道振动能量回收方法，难以承受轨道垂向振动的巨大能量，特别是对于短暂(瞬间)集中载荷作用下的振动能量尚无更好的回收方法，现有的技术中，缺乏从全局的高度对轨道振动能量回收系统进行优化设计，达到高效回收振动能量的目的有效方法。
【发明内容】
[0003]本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种简单可靠、节能环保的轨道垂向振动能量回收装置。
[0004]本发明的目的可以通过以下技术方案来实现:
[0005]一种轨道垂向振动能量回收装置，安装在轨道的轨枕与道床之间，该回收装置包括依次连接的垂向振动能量采集模块、同步提取接口电路和超级电容储能模块，所述的垂向振动能量采集模块设置在轨枕与道床之间；
[0006]垂向振动能量采集模块将轨道垂向振动的机械能转换为电能，同步提取接口电路对垂向振动能量采集模块输出的电能进行转换，并将转换后的电能存储至超级电容储能模块中。
[0007]所述的垂向振动能量采集模块包括承载板、鼓型压电振子、导向孔板和基座板，所述的基座板安装在道床上，所述的导向孔板设在基座板上，所述的鼓型压电振子嵌入导向孔板内，所述的承载板设在鼓型压电振子上，并安装在轨枕下方，所述的鼓型压电振子与同步提取接口电路连接；
[0008]承载板在受到轨枕的垂向作用力之后，向下压迫鼓型压电振子，鼓型压电振子产生弯曲变形，利用压电效应将机械形变的能量转换电能输出给同步提取接口电路，导向孔板提供垂向导向作用，防止鼓型压电振子扭曲。
[0009]所述的鼓型压电振子设有多个，各鼓型压电振子并联连接。
[0010]所述的鼓型压电振子由支撑环、铜基板双面压电陶瓷和连接导线组成，所述的铜基板双面压电陶瓷设在支撑环上，所述的连接导线与铜基板双面压电陶瓷连接。
[0011]所述的承载板和基座板，与鼓型压电振子相接触的面上均设有突起，所述的突起的高度为3?4mm。
[0012]所述的同步提取接口电路包括二极管桥式整流子电路、同步电感、电子开关、续流二极管和电容器，所述的二极管桥式整流子电路的输入侧与鼓型压电振子连接，输出侧的一个端子依次连接同步电感、电子开关和输出侧的另一个端子，所述的续流二极管和电容器串联后与同步电感并联；
[0013]二极管桥式整流子电路将鼓型压电振子输出的交流电整流为直流，电子开关闭合，鼓型压电振子中的电能转移至同步电感中，当电荷从鼓型压电振子中全部转移，电子开关打开，同步电感中的电荷通过续流二极管转移至电容器中。
[0014]所述的超级电容储能模块连接在电容器两端。
[0015]所述的超级电容储能模块由多个并联连接的超级电容阵列组成，所述的超级电容阵列由多个串联连接的电容储能单元组成。
[0016]所述的电容储能单元包括超级电容单体和均压电阻，所述的均压电阻与超级电容单体并联。
[0017]所述的垂向振动能量采集模块设有多个，每个垂向振动能量采集模块对应一个同步提取接口电路。
[0018]与现有技术相比，本发明具有以下有益效果:
[0019]I)本发明利用垂向振动能量采集模块对轨道垂向振动能量进行采集，同时通过同步提取接口电路和超级电容储能模块回收和存储电能，达到高效回收轨道振动能量的目的；
[0020]2)本发明结构简单、可靠性高，在节能减排方面有积极意义；
[0021]3)本发明采用的超级电容充放电迅速可靠，寿命长且内阻小。
【专利附图】
【附图说明】
[0022]图1为本发明的结构示意图；
[0023]图2为本发明中同步提取接口电路的结构示意图；
[0024]图3为本发明中超级电容储能模块的结构示意图。
【具体实施方式】
[0025]下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。本实施例以本发明技术方案为前提进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。
[0026]如图1所示，一种轨道垂向振动能量回收装置，安装在轨道的轨枕6与道床5之间，铁轨7设在轨枕6上，该回收装置包括依次连接的垂向振动能量采集模块、同步提取接口电路8和超级电容储能模块9，所述的垂向振动能量采集模块设置在轨枕6与道床5之间；垂向振动能量采集模块将轨道垂向振动的机械能转换为电能，同步提取接口电路8对垂向振动能量采集模块输出的电能进行转换，并将转换后的电能存储至超级电容储能模块9中。
[0027]由于轨道结构的重复性和连续性，可以在轨枕下连续安装多个垂向振动能量采集模块，每个垂向振动能量采集模块对应一个同步提取接口电路，采用并联连接。
[0028]如图1所示，垂向振动能量采集模块包括承载板1、鼓型压电振子2、导向孔板3和基座板4，所述的基座板4安装在道床5上，所述的导向孔板3设在基座板4上，所述的鼓型压电振子2嵌入导向孔板3内，所述的承载板I设在鼓型压电振子2上，并安装在轨枕6下方，所述的鼓型压电振子2与同步提取接口电路8连接。鼓型压电振子2设有多个，各鼓型压电振子并联连接。鼓型压电振子2由支撑环、铜基板双面压电陶瓷和连接导线组成，所述的铜基板双面压电陶瓷设在支撑环上，所述的连接导线与铜基板双面压电陶瓷连接，铜基板双面压电陶瓷的型号可选为PZT-5H。
[0029]承载板I和基座板5，与鼓型压电振子2相接触的面上均设有突起，用以压迫鼓型压电振子，所述的突起的高度为3?4_。
[0030]如图2所示，同步提取接口电路8包括二极管桥式整流子电路、同步电感L、电子开关S、续流二极管D和电容器C，所述的二极管桥式整流子电路的输入侧与垂向振动能量采集模块的输出连接，二极管桥式整流子电路输出侧的一个端子依次连接同步电感L、电子开关S和输出侧的另一个端子，所述的续流二极管D和电容器C串联后与同步电感并联L。
[0031]如图3所示，超级电容储能模块9连接在电容器两端。超级电容储能模块9由多个并联连接的超级电容阵列组成，所述的超级电容阵列由多个串联连接的电容储能单元10组成。所述的电容储能单元10包括超级电容单体和均压电阻，所述的均压电阻与超级电容单体并联，，能高效储存能量，内阻较小。
[0032]上述轨道垂向振动能量回收装置安装时，首先将鼓型压电振子安装在导向孔板内，采用并联连接各个鼓型压电振子，然后将垂向振动能量采集模块安装在轨枕下，使承载板密贴轨枕下表面，并将基座板下部的道床垫实。接着将垂向振动能量采集模块的引出导线接入同步提取接口电路的输入端，同时将同步提取接口电路的输出端接入超级电容储能模块。
[0033]上述轨道垂向振动能量回收装置的工作过程如下:
[0034]当轨道列车接近并通过安装有轨道垂向振动能量采集装置的轨枕时，轨枕产生振动并向下压迫承载板，由于承载板和基座板上的突起共同作用，承载板在受到轨枕的垂向作用力之后，向下压迫鼓型压电振子，鼓型压电振子产生弯曲变形，利用压电效应将机械形变的能量转换电能输出给同步提取接口电路，导向孔板提供垂向导向作用，防止鼓型压电振子扭曲。二极管桥式整流子电路将鼓型压电振子输出的交流电整流为直流，通过同步电感，电子开关、续流二极管和电容器，组成同步提取接口电路。所谓同步是指:电能的提取过程与机械振动的过程同步，且压电振子大部分时间工作在开路状态。电荷提取过程发生在电子开关S闭合时，电子开关闭合，鼓型压电振子中的电能转移至同步电感中，当电荷从鼓型压电振子中全部转移，电子开关打开，同步电感中的电荷通过续流二极管转移至电容器中。超级电容储能单元存储同步提取接口电路输出的电能，存储回收的能量。
【权利要求】
1.一种轨道垂向振动能量回收装置，安装在轨道的轨枕与道床之间，其特征在于，该回收装置包括依次连接的垂向振动能量采集模块、同步提取接口电路和超级电容储能模块，所述的垂向振动能量采集模块设置在轨枕与道床之间； 垂向振动能量采集模块将轨道垂向振动的机械能转换为电能，同步提取接口电路对垂向振动能量采集模块输出的电能进行转换，并将转换后的电能存储至超级电容储能模块中。
2.根据权利要求1所述的一种轨道垂向振动能量回收装置，其特征在于，所述的垂向振动能量采集模块包括承载板、鼓型压电振子、导向孔板和基座板，所述的基座板安装在道床上，所述的导向孔板设在基座板上，所述的鼓型压电振子嵌入导向孔板内，所述的承载板设在鼓型压电振子上，并安装在轨枕下方，所述的鼓型压电振子与同步提取接口电路连接; 承载板在受到轨枕的垂向作用力之后，向下压迫鼓型压电振子，鼓型压电振子产生弯曲变形，利用压电效应将机械形变的能量转换电能输出给同步提取接口电路，导向孔板提供垂向导向作用，防止鼓型压电振子扭曲。
3.根据权利要求2所述的一种轨道垂向振动能量回收装置，其特征在于，所述的鼓型压电振子设有多个，各鼓型压电振子并联连接。
4.根据权利要求2所述的一种轨道垂向振动能量回收装置，其特征在于，所述的鼓型压电振子由支撑环、铜基板双面压电陶瓷和连接导线组成，所述的铜基板双面压电陶瓷设在支撑环上，所述的连接导线与铜基板双面压电陶瓷连接。
5.根据权利要求2所述的一种轨道垂向振动能量回收装置，其特征在于，所述的承载板和基座板，与鼓型压电振子相接触的面上均设有突起，所述的突起的高度为3?4mm。
6.根据权利要求2所述的一种轨道垂向振动能量回收装置，其特征在于，所述的同步提取接口电路包括二极管桥式整流子电路、同步电感、电子开关、续流二极管和电容器，所述的二极管桥式整流子电路的输入侧与鼓型压电振子连接，输出侧的一个端子依次连接同步电感、电子开关和输出侧的另一个端子，所述的续流二极管和电容器串联后与同步电感并联； 二极管桥式整流子电路将鼓型压电振子输出的交流电整流为直流，电子开关闭合，鼓型压电振子中的电能转移至同步电感中，当电荷从鼓型压电振子中全部转移，电子开关打开，同步电感中的电荷通过续流二极管转移至电容器中。
7.根据权利要求6所述的一种轨道垂向振动能量回收装置，其特征在于，所述的超级电容储能模块连接在电容器两端。
8.根据权利要求7所述的一种轨道垂向振动能量回收装置，其特征在于，所述的超级电容储能模块由多个并联连接的超级电容阵列组成，所述的超级电容阵列由多个串联连接的电容储能单元组成。
9.根据权利要求8所述的一种轨道垂向振动能量回收装置，其特征在于，所述的电容储能单元包括超级电容单体和均压电阻，所述的均压电阻与超级电容单体并联。
10.根据权利要求1所述的一种轨道垂向振动能量回收装置，其特征在于，所述的垂向振动能量采集模块设有多个，每个垂向振动能量采集模块对应一个同步提取接口电路。
【文档编号】H02J7/32GK104283457SQ201310287792
【公开日】2015年1月14日 申请日期:2013年7月10日 优先权日:2013年7月10日
【发明者】杨俭, 袁天辰, 刘小威, 宋瑞刚 申请人:上海工程技术大学