一种基于压电效应的橡胶支座结构及其发电系统的制作方法

本实用新型涉及压电陶瓷发电及电能收集技术领域，尤其涉及一种基于压电效应的橡胶支座结构及其发电系统。

背景技术：

研究表明，当对陶瓷片施加压力或拉力时，陶瓷片的两端会产生极性相反的电荷，通过回路而形成电流，这种效应称为压电效应。具有这种性能的陶瓷称为压电陶瓷，其表面电荷的密度与所受的机械应力成正比。人们利用压电陶瓷的这种特性，已经研制出多种机械性能转化为电能的装置：

(1)步行压电发电

人在运动过程中会浪费一些机械性能，因此有不少针对这些能量的利用研究，例如压电发电鞋，压电发电鞋就是把发电装置植入鞋底，通过人体在行走时脚对鞋底的冲击使压电陶瓷变形而产生电荷。

(2)微型发电机

美国德克萨斯州大学的Shashank Priya教授采用压电元器件制造了一种微型发电机。这种小型发电机由时速8-16公里的风力驱动压电双晶梁结构产生振动，从而在压电陶瓷上产生电能。这种微型发电机能够为无线传感器网络节点提供最多50mW的功率。

(3)机械力发电

现在煤气灶上用的一种新式电子打火机，就是利用压电陶瓷制成的。它是一种将机械力转换为电能产生电火花而引燃气体的装置，是压电陶瓷作机电换能材料使用的典型实例之一。

上述这些将机械能转换为电能的装置，缺点在于：①压电陶瓷无法获得较大的应力变化幅度，部分装置仅限于人为施加；②外部激励导致压电陶瓷拉压是一个随机概率事件，不能保证压电陶瓷变形的频繁度；③大部分装置发电量小，能量转化效率不高，难以提供充足的电能供人们大规模使用。

现今，随着我国社会的发展进步和人们生活水平的日益提高，许多人购买了私家车；为了交通的便捷，政府兴建了许多桥梁，尤其是拱桥、斜拉桥、悬索桥。随着建桥技术的提高，桥梁向着大跨径、轻型化发展，桥梁上的车流量不断增大。行驶于桥梁上的机动车使桥梁频繁振动，桥梁支座上的压力变化迅速，“隐藏”着大量被废弃的能量。如今也有人提出在桥梁支座上安装压电发电装置，将机动车通过桥梁时在桥梁支座上产生的压力转换为电能，从而实现发电。现有的桥梁支座压电发电装置，为了获得足够的压力或拉力，均需要将陶瓷压电装置大面积铺设在桥梁上，不仅需要耗费大量的人力物力，施工难度大、成本高，而且维修更换麻烦，无法满足技术发展的需求。

技术实现要素：

本实用新型为了解决现有技术需要大面积在桥梁上铺设陶瓷压电装置的问题，提供一种基于压电效应的橡胶支座结构，该橡胶支座结构随着桥梁的震动能够获得较大的振幅，从而给予内部的压电片较大的应力变化幅度，同时保证压电片变形的频繁程度，提高发电量及发电效率，提高了能量转换效率，无需大面积铺设于桥梁上。

本实用新型还提供一种基于压电效应的橡胶支座结构的发电系统。

本实用新型基于压电效应的橡胶支座结构，包括底部橡胶层、加劲板、顶部橡胶层及若干压电片；加劲板设置在底部橡胶层上，若干压电片均匀间隔设置在加劲板上，若干压电片并联连接，顶部橡胶层设置在若干压电片上；所述压电片的覆盖面积至少占加劲板面积的4/5。

在一个优选的实施例中，所述压电片黏贴固定在加劲板上。压电片与加劲板的粘结强度最好大于10Mpa。

优选地，若所述加劲板为矩形，则所述压电片覆盖面积为以加劲板短边长为直径的圆形；若所述加劲板为圆形，则所述压电片覆盖整个加劲板。

为了兼顾减震及压电效应的效果，同时使压电片的输出能量尽可能大，本实用新型可将底部橡胶层、顶部橡胶层、加劲板分别设为10层，每层加劲板上均设有若干压电片，不同层加劲板上的压电片并联连接。

本实用新型基于压电效应的橡胶支座结构的发电系统，包括至少一个上述基于压电效应的橡胶支座结构，以及蓄电池和控制装置；所述至少一个基于压电效应的橡胶支座结构安装在桥梁的箱梁与桥墩之间；各基于压电效应的橡胶支座结构中的压电片以并联方式连接后，经导线与蓄电池连接；所述控制装置设置在桥梁的供电电路上，蓄电池受控于控制装置、经供电电路向桥上用电设备供电。

与现有技术相比，本实用新型具有如下有益效果：

1、橡胶支座结构设有两个橡胶层，即底部橡胶层和顶部橡胶层，在底部橡胶层上设置加劲板，若干压电片并联连接后设置在加劲板上。橡胶支座结构安装在桥梁的箱梁与桥墩之间，并联后的压电片通过充电电路与蓄电池连接。该橡胶支座结构随着桥梁的震动或受压能够获得较大振幅，从而给予内部的压电片较大的应力变化幅度，同时保证压电片变形的频繁程度，提高发电量及发电效率，提高了能量转换效率。

2、由于橡胶支座结构不需要如现有技术中压电装置那样大面积安装铺设于桥梁上，而发电系统基于上述橡胶支座结构，安装及维修方便，成本低，具有很高的实用性。

附图说明

图1为本实用新型基于压电效应的橡胶支座结构的结构示意图；

图2为本实用新型发电系统的电路结构示意图；

其中，1、橡胶支座结构，11、底部橡胶层，12、加劲板，13、压电片，14、顶部橡胶层，2、箱梁，3、桥墩，4、导线，5、蓄电池，6、控制装置，7、分电盘，8、电量计。

具体实施方式

为进一步详细描述本实用新型，以下结合附图及实施例对本实用新型进行详细描述，但本实用新型的具体实施方式不限于此。

实施例

如图1所示，本实用新型基于压电效应的橡胶支座结构，包括底部橡胶层11，所述底部橡胶层11的上部设置有加劲板12，所述加劲板12的上部设置有若干并联连接的压电片13，所述压电片13的上部设置有顶部橡胶层14。底部橡胶层11、顶部橡胶层14均为天然橡胶。

压电片13黏贴固定在加劲板12上，其中黏贴剂可选用过聚氨酯胶水，从而使压电片13与加劲板12的粘结强度大于10Mpa，确保压电陶瓷片与加劲板12之间不发生粘结性破坏。压电片13的覆盖面积至少占加劲板12面积的4/5，并均匀间隔设置在加劲板12上，使得压电片13与加劲板12的受力面积尽可能一致。加劲板12能够使得压电片13的受力更加均匀，便于收集更大面积的压力，从而利于提高发电量及发电效率。若加劲板为矩形，所述压电片覆盖面积为以加劲板短边长为直径的圆形；若加劲板为圆形，所述压电片可覆盖整个加劲板；一般来说，圆形压电陶瓷片比矩形压电陶瓷片的输出电压高。

压电片13为压电陶瓷片，压电陶瓷片的厚度为1-2mm，优选为1.5mm。压电陶瓷应具有较高的压电常数、介电系数、极限强度；宜选用锆钛酸铅(PZT)压电陶瓷，而其中PZT-5X的居里点在一般PZT的居里点之上，大于300-400之间，且没有较低的相变点，在较大的温度范围内性能都比较稳定，作为换能材料，它的压电效应十分显著。本实施例的压电陶瓷片由压电陶瓷PZT-5X构成，压电陶瓷PZT-5X的优点在于PZT-5(接收型)具有高机电耦合系数、高压电应变常数和高电阻率，各机电参数具有优异的时间稳定性和温度稳定性，适用于低功率共振和非共振。

加劲板12优选FRP加劲板(简称FRP板)。相对于其它橡胶支座(例如板式橡胶支座)中的加劲板，FRP板提高了橡胶支座的阻尼耗能能力，自身能够很好地起到阻尼耗能的作用。FRP板包括一层树脂胶液、一层纤维布，各个角度均匀叠合于树脂胶液中，纤维布的层数为5-7层，得到基材毛坯，然后加入模具中加温加压成型。FRP加劲板的模具是上表层有1.5mm的下陷，下陷部分表面的长宽都相比原来的尺寸小1cm。FRP加劲板的压缩性能优于其他材料制成的加劲板的压缩性能。采用FRP板的橡胶支座比其他的减隔震支座性能更好，而且由于FRP板的密度相对于钢板或者其他的加劲板材料来说都小很多，所以相比其他相同尺寸下的橡胶支座(如板式橡胶支座和盆式橡胶支座)，重量更小，造价更低。

研究表明，n层压电元件的输出能量为单层压电元件的n倍。在本实用新型中，加劲板和橡胶层数是成倍数关系，橡胶层数是加劲板的2倍，是为了更好保护加劲板，不让其直接受力，防止损坏。为了达到压电片并联的效果，采用多层FRP加劲板的结构，有益于压电效应产生的电量。实验表明，当FRP加劲板达到10层时，若继续增加FRP加劲板的层数，则FRP加劲板相对于橡胶支座结构等效为刚体，受压后会产生很大的变形，黏贴在其上面的PZT-5X压电陶瓷片也会随之产生大变形而损坏，从而达不到减震和压电的效果。因此，本实用新型橡胶支座结构优选设置10层FRP加劲板、20层橡胶，10层FRP加劲板一共可黏贴10层压电元件，不同层加劲板上的压电元件并联连接，故一个橡胶支座结构输出能量为单层FRP加劲板输出电能的10倍。也就是说，FRP加劲板的层数是在做了相应的压力变换后得出的，在此比例下，10层FRP加劲板受力时，产生的电量和受力是最好的。

如图2，本实用新型的发电系统包括橡胶支座结构1、导线4、蓄电池5、控制装置6、分电盘7及电量计8；其中橡胶支座结构有多个，安装在桥梁的箱梁2与桥墩3之间。各橡胶支座结构中的压电片以并联方式连接后，经导线与蓄电池5连接，蓄电池5受控于控制装置、经桥梁的供电电路向桥上用电设备供电。可在压电片13与蓄电池5之间的电路中设置二极管，以控制电流单向流向蓄电池5；所述二极管可设置在蓄电池的输入端。

在桥梁发生震动或者有汽车驶过时，橡胶支座结构1发生形变，使得设置在其内部的压电片13受压弯曲释放出一定的电能，并经过导线存储到蓄电池5中，达到集电目的。蓄电池5通过供电电路向桥上用电设备供电，供电电路上设置有控制装置6、分电盘7及电量计8。分电盘7用于控制电压和电流，防止电压过大击穿压电陶瓷片。电量计8用于监测发电量，可以监测到压电陶瓷片的压电效应和内部的变形是不是增大。依据桥型的不同，本发电系统产生的电能会有所差异，当产生的电能充足时，可以为桥上用电设施供电，如路灯、标志灯或景观灯等。此外，还可以在控制装置内设置智能控制单元，通过智能控制单元实现蓄电池向用电设备的智能供电，该智能控制单元与远程监控中心连接，接收远程监控中心的控制命令。

下面以具有高级电耦合系数、高压电应变常数和高电阻率的PZT-5X压电陶瓷片为例，对本实用新型的橡胶支座结构及发电系统做更进一步的说明：

某桥梁横跨江河，全长约1.285公里，其中桥梁全长876米，主桥最大宽度33.5米，最大跨度139米，为双向六车道单塔斜拉索桥,车速80km/h,最平均日交通量40000～80000辆。橡胶支座结构采用尺寸250mm×210×75mm，考虑橡胶支座结构的尺寸、压电振子的固有频率和成本最小的原则选取PZT-5X压电陶瓷片的尺寸为50mm×30mm×1.5mm。对于压电元件，在外界应力作用下，上下表面会产生压电电荷，压电元件相当于一个电容，电容在两极产生电荷后就储存了一定的能量。假设换能器所转换的电能全部输出并储存。对于压电陶瓷片，橡胶支座结构所受应力：

作用在PZT-5X压电陶瓷片两端的力为：F_max＝δ_maxA＝40000N

电荷Q的计算表达式为：Q＝d₃₃F

压电元件的电容计算式为：

流过压电片13厚度方向的电流强度I可以表示为:

在压电片13厚度方向上产生的电压可以表示为：

车轮通过一次对橡胶支座结构所转换的电能W：

式中：F—压电片所承受压力；h—压电片厚度；A—压电片面积；w—加载频率；ε—压电材料的自由介电常数，ε＝ε₀×ε_r；ε₀—压电材料的真空介电常数ε₀＝8.854×10^-12F/m＝8，ε_r—压电材料的相对介电常；d₃₃—压电系数；ε₃₃＝4500ε₀，K₃₃＝0.77，d₃₃＝750pcN^-1N

由以上公式可计算得：

电流I＝d₃₃Fw＝750×10-¹²C/N×40000N×0.1HZ＝3μA

产生电能为：

由于橡胶支座结构设置了10层FRP加劲板、20层橡胶，10层FRP加劲板一共可黏贴固定10层压电元件；当一辆机动车通过桥梁时，对PZT-5X压电陶瓷片，一层FRP加劲板上有四片PZT-5X压电陶瓷片，产生45.2mJ的电能，一个橡胶支座结构共产生10倍的电能，即产生452mJ的电能。按车流量4-8万计算，每对橡胶支座共可以产生(1.8-3.6)×10⁴J的能量，可以供一个50W的节能灯泡两个小时左右。若桥长876米，则橡胶支座中压电陶瓷片产生的电量能很好地为桥面上的设施供电。

这里只提供一个具体的例子来进行说明。实际上压电陶瓷可以根据材料的抗压强度，使其两端能够承受更大的压力，选用PZT-5X等转化率高的材料，增加压电片的层数等，均可使压电陶瓷产生的电量成倍增加。本实用新型安装简单，使用周期长，不会对原有桥梁结构做实质性的改变，能够实现废弃能量的二次利用，绿色环保，具有长远的社会经济效益。

上述实施例为本实用新型较佳的实施方式，但本实用新型的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本实用新型的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本实用新型的保护范围之内。