本发明涉及一种基于压电元件的双向振动能量收集系统，属于利用压电效应产生电能的领域。
背景技术
伴随着能源消费的持续增长和能源资源分布集中度的日益增大，对能源资源的争夺将日趋激烈，争夺的方式也更加复杂。同时，化石能源对环境的污染和全球气候的影响将日趋严重。面对能源挑战，只有调整国家能源结构，大力发展新能源与可再生能源，注重对已有能源的回收利用，才能保证我国能源供应安全，促进战略性新兴产业发展，实现能源与经济、社会、环境的协调发展与可持续发展。在交通流量网日益壮大的今天，如何把汽车、自行车、行人等在道路交通中散失的能量收集并加以利用，已经成为能源回收利用的一个崭新突破点，日益受到各国科学家的重视。
目前常用的收集道路能量的方法是基于压电效应的，利用压电材料的压电效应将由于冲击和振动产生的机械能通过压电振子向电能转化，使输出功率能够满足使用要求。利用道路能量收集装置可具有一系列优点，如能量密度高，可以直接产生合适的电压，无需施加起始电压，结构设计无限制，无电磁干扰等。基于这些优点，此项技术得到迅速发展。同济大学的道路与交通工程教育部重点实验室，研究了基于压电效应的沥青路面能量收集技术的可行性和换能效率，试验验证了压电式路面能量收集技术方案的可行性。以色列的一家公司于2008年宣布研制出了基于压电换能器的路面能量收集系统。上述这些能量收集系统共同的特点在于通过设置在路面下的压电元件，收集在竖直方向上的道路振动，并转化为电能利用。但是对于道路中存在的其他方向的振动能量，例如水平方向的振动能量，无法进行有效的利用。
技术实现要素：
本发明要解决的技术问题是：针对现有技术存在的缺陷，提供一种基于压电元件的双向振动能量收集系统，能够同时有效的收集道路中在竖直方向和水平方向上产生的振动，并将其转化为电能利用，提高了振动能量的收集效率，对节能减排和绿色能源的利用具有重要意义。
本发明为解决上述技术问题所采用的技术方案如下：
本发明提供的一种基于压电元件的双向振动能量收集系统，包括：多个道路模块、电路模块和储能模块；其中，多个道路模块与电路模块之间电连接，电路模块与储能模块之间电连接；所述道路模块包括：受力层、弹性层、支撑单元、竖直振动能量收集单元和水平振动能量收集单元；其中，所述受力层的底面与所述弹性层的顶面相连接，所述弹性层的底面与所述支撑单元的顶面以及所述竖直振动能量收集单元的顶面分别连接，所述支撑单元和所述竖直振动能量收集单元在所述弹性层的底面相互间隔交错排列，所述支撑单元和所述竖直振动能量收集单元之间连接有所述水平振动能量收集单元；其中，所述竖直振动能量收集单元中设置有用于收集竖直方向振动能量的竖直压电元件；同时，所述水平振动能量收集单元中设置有用于收集水平方向振动能量的水平压电元件；所述竖直压电元件和所述水平压电元件均与电路模块之间电连接。
进一步的，所述水平振动能量收集单元设置在所述支撑单元和所述竖直振动能量收集单元之间；其中，一端通过第一连接臂与所述支撑单元和所述竖直振动能量收集单元之中的一个相连，另一端通过第二连接臂与所述支撑单元和所述竖直振动能量收集单元之中的另一个相连；所述水平振动能量收集单元包括：与所述第一连接臂连接的第一侧壁，与所述第二连接臂连接的第二侧壁，分别与所述第一侧壁和所述第二侧壁的顶端相连接的顶部，以及分别与所述第一侧壁和所述第二侧壁的底端相连接的底部；所述第一侧壁、所述第二侧壁、所述顶部和所述底部连接形成框架结构，所述框架结构内部形成腔体；所述水平振动能量收集单元还包括：与所述第一侧壁连接，位于所述腔体内部的第一弹性连接件，所述第一弹性连接件的远离所述第一侧壁的自由端连接有第一振动子；以及，与所述第二侧壁连接，位于所述腔体内部的第二弹性连接件，所述第二弹性连接件的远离所述第二侧壁的自由端连接有第二振动子；所述水平振动能量收集单元还包括：位于所述第一振动子和所述第二振动子之间的用于收集水平方向振动能量的水平压电元件。
进一步的，所述水平压电元件包括：位于所述腔体中心轴线处的压电陶瓷片和分别位于所述压电陶瓷片左右两侧的金属帽；其中，所述压电陶瓷片的上端与所述顶部相连接，所述压电陶瓷片的下端与所述底部相连接；所述金属帽的上端和下端分别与所述压电陶瓷片的上端和下端相连接，所述金属帽的中间形成向远离所述压电陶瓷片的方向凸出的凸起部。
进一步的，所述顶部形成朝向所述腔体的凸起轮廓，所述凸起轮廓关于所述腔体的中心轴线对称；所述第一振动子和所述第二振动子在所述腔体内水平往复振动，在接近所述中心轴线的极限位置处，分别与所述凸起轮廓接触，同时，分别对所述金属帽中间的凸起部形成压力。
进一步的，所述第一振动子和所述第二振动子均为球状。
进一步的，所述竖直振动能量收集单元内部形成中空的腔体，在所述腔体中设置有所述竖直压电元件；所述竖直压电元件为圆弧状，圆弧的顶端与腔体的顶壁接触，圆弧的一端与所述腔体的底部固定连接，圆弧的另一端活动抵靠在所述腔体的底部；其中，所述竖直压电元件由三层构成，由上至下依次为铝合金材料层、压电陶瓷材料层和不锈钢材料层。
进一步的，作为一种变形方式，所述竖直振动能量收集单元内部形成中空的腔体，在所述腔体中设置有所述竖直压电元件；所述竖直压电元件为悬臂梁结构，一端固定于所述腔体的侧壁，另一端为自由端；从所述腔体的顶部向下设置有向下凸起部，所述向下凸起部与所述竖直压电元件的自由端相抵接；其中，所述竖直压电元件由两层构成，由上至下依次为压电陶瓷材料层和弹性材料层；在所述竖直压电元件和所述腔体的底部之间设置有弹簧。
进一步的，所述道路模块的上部表面中嵌入由电致发光元件构成的路面标记，所述路面标记与所述储能模块之间电连接。
本发明与现有技术相比，具有以下的有益效果：
1.本发明的能量收集系统由多个道路模块构成，道路模块可以根据实际需要灵活的组装、拼接，提高了系统应用的广泛性和灵活性，具有铺设方便，适用范围广的优点。
2.本发明的能量收集系统通过设置竖直振动能量收集单元和水平振动能量收集单元，可以同时有效的收集道路中产生的竖直方向和水平方向的振动能量，提高了能量收集的效率。
3.本发明的竖直振动能量收集单元和水平振动能量收集单元中，均采用了新颖独创性的结构设计，能够有效的延长压电元件的使用寿命，提高了系统的可靠性，降低了系统应用的成本。
附图说明
图1为根据本发明的一种基于压电元件的双向振动能量收集系统的系统构成示意图。
图2为根据本发明的一种基于压电元件的双向振动能量收集系统的道路模块，示意性的显示出一个道路模块底部的支撑单元、竖直振动能量收集单元和水平振动能量收集单元。
图3为图2沿a-a方向的剖视图，示意性的显示出支撑单元、竖直振动能量收集单元和水平振动能量收集单元。
图4为根据本发明的水平振动能量收集单元的一种实施例的结构示意图。
图5为根据本发明的竖直振动能量收集单元的一种实施例的结构示意图。
图6为根据本发明的竖直振动能量收集单元的又一种实施例的结构示意图。
图7为根据本发明的一个道路模块的俯视图，示意性的显示了一种路面标记。
具体实施方式
下面结合实施例及附图对本发明作出进一步的描述和解释，但不作为对本发明保护范围的限制。
参照图1，本发明的基于压电元件的双向振动能量收集系统包括：多个道路模块100、电路模块和储能模块；其中，多个道路模块100与电路模块之间电连接，电路模块与储能模块之间电连接。本发明的道路模块100的形状可以是正方形、长方形、平行四边形、菱形、六边形、以及不规则的几何形状等等。在实际应用时，本发明的多个道路模块100根据铺设的面积大小来决定需要的数量，各个道路模块100彼此连接铺设，根据实际需要灵活的组装、拼接，提高了系统应用的广泛性和灵活性，从而具有铺设方便，适用范围广的优点。
每个道路模块100中均设置有竖直压电元件和水平压电元件，竖直压电元件和水平压电元件均与电路模块之间电连接，从而能够同时有效的收集道路中产生的竖直方向和水平方向的振动能量，并将该振动能量通过电路模块输送到储能模块中储存起来，以供用电元件使用。
参照图2和图3，图2是从道路模块100的底面进行观察的视图，图3是沿图2中a-a方向的剖视图。
从图3中可以看出，道路模块100从上到下依次包括：受力层101、弹性层102、支撑单元103、竖直振动能量收集单元104和水平振动能量收集单元105。其中，受力层101的底面与弹性层102的顶面相连接，弹性层102的底面与支撑单元103的顶面以及竖直振动能量收集单元104的顶面分别连接。从图2中可以看出，支撑单元103和竖直振动能量收集单元104在弹性层102的底面相互间隔交错排列，支撑单元103和竖直振动能量收集单元104之间连接有水平振动能量收集单元105。其中，竖直振动能量收集单元104中设置有用于收集竖直方向振动能量的竖直压电元件；同时，水平振动能量收集单元105中设置有用于收集水平方向振动能量的水平压电元件；竖直压电元件和水平压电元件均与电路模块之间电连接。需要说明的是，在图2和图3中，竖直振动能量收集单元104和水平振动能量收集单元105只是示意性的表示出，在后面将具体描述它们的结构。
在道路模块100中，受力层101由具有一定的硬度和强度，能够承受一定的压力，适宜作为路面的材料制成。本发明对于受力层101的材料没有特别的限制，目前在道路和人行道的施工中，用于铺设路面或制造路面砖的各种材料都可以被采用。弹性层102可以采用橡胶、发泡材料等具有一定弹性的材料制成，为道路模块100的整体提供一定的弹力，提高了行人在上面行走或跑步时的舒适度，这对于采用本发明的道路模块100铺设人行道或跑步道的应用中，具有特别明显的优势。类似的，支撑单元103整体上也适宜采用橡胶、发泡材料等具有一定弹性的材料制成，在提高道路模块100整体弹性的同时，也更利于在道路模块100中产生由车辆或行人通过道路模块100而引起的振动，提高能量的收集利用效率。
参照图4，显示了本发明的水平振动能量收集单元105的一种具体结构形式。水平振动能量收集单元105设置在两个相邻的支撑单元103和竖直振动能量收集单元104之间。其中，左端通过第一连接臂201与竖直振动能量收集单元104相连，右端通过第二连接臂202与支撑单元103相连。其中，第一连接臂201和第二连接臂202可以由具有一定弹性的材料制成，同时第一连接臂201和第二连接臂202还应当具有一定的强度和刚度，以足够支撑位于两者之间的水平振动能量收集单元105。
参照图4，水平振动能量收集单元105包括：与第一连接臂201连接的第一侧壁203，与第二连接臂202连接的第二侧壁204，分别与第一侧壁203和第二侧壁204的顶端相连接的顶部205，以及分别与第一侧壁203和第二侧壁204的底端相连接的底部206；第一侧壁203、第二侧壁204、顶部205和底部206连接形成框架结构，框架结构内部形成腔体c。水平振动能量收集单元105还包括：与第一侧壁203连接，位于腔体c内部的第一弹性连接件207，第一弹性连接件207的远离第一侧壁203的自由端(图4中第一弹性连接件207的右端)连接有第一振动子209；以及，与第二侧壁204连接，位于腔体c内部的第二弹性连接件208，第二弹性连接件208的远离第二侧壁204的自由端(图4中第二弹性连接件208的左端)连接有第二振动子210。在图4所示的实施例中，弹性连接件207和208均为弹簧，振动子209和210均为具有一定质量的刚性球体，例如，不锈钢球、铜球等。振动子209和210大小相同，质量相等，在底部206上，感应路面传来的振动，在弹簧207和208的牵引下，在水平方向上来回振动。
水平振动能量收集单元105还包括：位于第一振动子209和第二振动子210之间的用于收集水平方向振动能量的水平压电元件。水平压电元件包括：位于腔体c中心轴线a1处的压电陶瓷片211和分别位于压电陶瓷片211左右两侧的金属帽212和213；其中，压电陶瓷片211的上端与顶部205相连接，压电陶瓷片211的下端与底部206相连接；金属帽212和213的上端和下端分别与压电陶瓷片211的上端和下端相连接，金属帽212和213的中间形成向远离压电陶瓷片211的方向凸出的凸起部，从而金属帽212和213的纵向方向的中间部分与压电陶瓷片211相分离，构成了类似帽子的结构。当振动子209和210运动到靠近腔体c的中心轴线a1的极限位置时，振动子209和210分别与金属帽212和213接触，并对金属帽212和213形成一定的压力。这样，当振动子209和210在底部206上来回振动时，就会对水平压电元件产生压力作用，从而在水平压电元件中产生电流，电流通过连接于压电陶瓷片211的导线(图4中未显示出)被传输到电路模块。
在本发明中，为了对振动子209和210对金属帽212和213的压力进行限制，避免振动子209和210对金属帽212和213的冲击力过大造成水平压电元件的损坏，对水平振动能量收集单元105的顶部205的结构做出了特殊的设计。其中，顶部205形成朝向腔体c的凸起轮廓，左半部的凸起轮廓2051与右半部的凸起轮廓2052关于腔体c的中心轴线a1对称；第一振动子209和第二振动子210在腔体c内水平往复振动时，在接近中心轴线a1的极限位置处，分别与凸起轮廓2051和2052接触，同时，分别对金属帽212和213中间的凸起部形成一定的压力。由于凸起轮廓2051和2052的存在，腔体c形成两端大、中间小的截面形状，对于振动子209和210向腔体c的中心轴线a1的运动构成了限制，由此使得振动子209和210对于金属帽212和213的压力受到限制。在本发明中，球体振动子209和210、凸起轮廓2051和2052的尺寸相配合设计，使得当振动子209和210分别运动到靠近腔体c的中心轴线a1的极限位置时，能够对金属帽212和213形成一定的压力，该压力足以在水平压电元件中产生电流，同时又不会损坏水平压电元件，从而对水平压电元件起到保护作用，延长了水平压电元件的使用寿命。与此相配合的是，当振动子209和210分别运动到靠近腔体c的中心轴线a1的极限位置时，弹簧207和208也基本上处于自然伸展的状态。
图5显示了根据本发明的竖直振动能量收集单元104的一种实施例的具体结构。其中，竖直振动能量收集单元104基本由弹性材料构成了外围的壳体，内部形成中空的腔体300。在腔体300中设置有竖直压电元件，竖直压电元件为圆弧状，圆弧的顶端与腔体300的顶壁接触，圆弧的一端304与腔体300的底部固定连接，圆弧的另一端活动抵靠在腔体300的底部。其中，竖直压电元件由三层构成，由上至下依次为铝合金材料层301、压电陶瓷材料层302和不锈钢材料层303。本发明在竖直压电元件的压电陶瓷材料层302的上下各设置了铝合金材料层301和不锈钢材料层303，可以在保证压电陶瓷材料层302感应振动，产生电流的前提下，在一定程度上提高了压电陶瓷材料层302对反复冲击力或者突然的大冲击力的耐受性，从而对压电陶瓷材料层302起到保护作用，延长了压电陶瓷材料层302的使用寿命。当竖直振动能量收集单元104受到来自路面的压力产生振动时，该振动通过腔体300的顶壁传导至竖直压电元件，从而在其中产生振动，并相应的产生电流，电流通过连接于压电陶瓷材料层302的导线(图5中未显示出)被传输到电路模块。
图6显示了根据本发明的竖直振动能量收集单元104的又一种实施例的具体结构。其中，竖直振动能量收集单元104基本由弹性材料构成了外围的壳体，内部形成中空的腔体400。在腔体400中设置有竖直压电元件，竖直压电元件为悬臂梁结构，一端固定于腔体400的侧壁，另一端为自由端；从腔体400的顶部向下设置有向下凸起部401，向下凸起部401与竖直压电元件的自由端相抵接。其中，竖直压电元件由两层构成，由上至下依次为压电陶瓷材料层402和弹性材料层403；在竖直压电元件和腔体400的底部之间设置有弹簧404。弹簧404的自然伸展长度与竖直压电元件在腔体400中的安装高度相同。当竖直振动能量收集单元104受到来自路面的压力产生振动时，该振动通过向下凸起部401传导至竖直压电元件，从而在其中产生振动，并相应的产生电流，电流通过连接于压电陶瓷材料层402的导线(图6中未显示出)被传输到电路模块。由于弹簧404的存在，在竖直压电元件受到压力作用产生向下的弯曲时，弹簧404被压缩，从而产生将竖直压电元件向上顶升的力，这避免了竖直压电元件受到过大的向下的压力，产生过量的形变，导致竖直压电元件的损坏。
图7为根据本发明的一个道路模块的俯视图，示意性的显示了一种路面标记。在实际应用中，道路模块100的上部表面中嵌入由电致发光元件构成的路面标记500，路面标记500与储能模块之间电连接。这样可以根据需要，将储能模块中储存的电能输送至路面标记500，从而在夜间形成能够发光的路面标记500，为车辆、行人等起到醒目的提示作用。在图7中显示了箭头的路面标记，当然，该路面标记也可以是例如人行横道、停止线、车道、数字等。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。