基于压电效应的桥梁吊索发电系统的制作方法
【技术领域】
[0001] 本实用新型设及压电陶瓷发电及电能收集技术领域。
【背景技术】
[0002] 随着社会的发展，人们生活水平的提高，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、悬索桥类型的大桥、特大桥；随着建桥技术的提 高，桥梁向着大跨径、轻型化发展。该就造成在桥梁上"隐藏"着大量被废弃的能量，为该发 明提供了必要条件。
[0003] 极化后的压电陶瓷受到压力产生机械变形，导致电偶极距发生变化，极化强度随 之发生变化，从而使电极面上自由电荷发生变化，即发生电流充放电现象，产生正压电效 应。人们利用该种性质已经研制出多种将机械能转化为电能的装置：
[0004] (1)压电袖珍风车
[0005] 美国得克萨斯州立大学的电子工程师S.Priya发明了一种可W为无线网络供电 的袖珍风车"。该种风车周长大约为10cm，附在一个旋转轮上，当凸轮旋转时，可使一系列压 电晶体不断伸缩，当压电材料被挤压或伸展时，便产生电能。在风力比较发达的地区，应用 该种压电式袖珍风车发电，可用于各种微系统驱动。
[0006] (2)步行压电发电
[0007] 人在运动过程中会浪费一些机械能，因此有不少关于针对该些能量的利用研究。 随着便携式电子设备（如个人数字播放机、低功耗手提电脑及其他个人数字辅助设备，还 有起搏器等医疗器件。）体积和功耗的降低，其所需功率越来越小，促进了对振动发电微电 源的需求。
[000引 （3)海浪发电
[0009] 美国新泽西州普林斯顿海洋动力技术公司发明了一种称为水力压电发电机的系 统，是把压电现象用于大规模发电的第一个系统。海浪压电发电是一种从海洋获取廉价而 洁净能源的方法，把压电聚合物安装在海上一个巨大浮体错定链内，使压电聚合物时而被 拉伸，时而被放松。该样，海浪的波动就产生了一种低频率的高压电，再通过一些电子元件 转变为高压电流，经水下电缆输送到海岸。为解决人类日益严峻的能源危机提供了 一种很 好的途径。
[0010] 但该些装置的缺点在于；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；⑨大部分装置发电量小，能量转化效率不高，难W提供充足的电能供人们大规 模使用。 【实用新型内容】
[ocm] 本实用新型的目的在于弥补现有技术的不足，利用桥梁所隐藏的被错过的大量能 量来发电及供电。
[0012] 本实用新型的目的是通过W下技术方案实现的；基于压电效应的桥梁吊索发电系 统，其特征在于：包括安装于桥面的压电板或固定于桥梁吊索错固位置的压电板中的至少 其中之一，所述压电板由中间压电块层和位于中间压电块层上下表面的上、下硬板所构成， 中间压电块层含有多块压电块且W多级并联方式经充电电路接往蓄电池，蓄电池通过供电 电路向桥上用电设备供电。
[0013] 所述安装于桥面的压电板为路面用压电板，所述固定于桥梁吊索错固位置的压电 板为吊索用压电板；所述压电块为压电陶瓷块，每一压电陶瓷块由居中的压电陶瓷单元和 锻在压电陶瓷单元两个极面的金属层构成。
[0014] 中间压电块层包括一栅格状的固定模板，每一栅格内容纳一块或两块W上的上下 叠放的压电块，对于吊索用压电板，叠放后的的压电块的上表面低于栅格状固定模板的上 表面，所形成的凹进量保证压电块不参与桥梁的初始静内力的分配。
[0015] 所述路面用压电板安装于桥面的桥面层与渐青层之间。
[0016] 所述路面用压电板在平面上布置于桥面每个车道车轮经过频率较高的桥面纵线 上，且每一上、下硬板沿桥面横向的宽度大于一般车轮的平面投影宽度。
[0017] 吊索用压电板固定于桥梁吊索的错垫板与其下部的固定螺母之间，或W吊索用压 电板直接充当桥梁吊索的错垫板。
[001引所述压电块为立方体或圆柱体，截面尺寸在10~50mm。
[0019] 所述充电电路中设置有二极管W控制电流单向流向蓄电池。
[0020] 所述供电电路中设置有逆变器W实现直流与交流的变换。
[0021] 本实用新型基于压电陶瓷的正压电效应，将桥面上的活载（主要是汽车荷载）的 机械能转化为电能，进行收集并供给使用。本实用新型不需对原桥梁结构及其构件做实质 性的改动，安装简单，实现了机械能到电能的能量二次利用，绿色环保，具有长远的经济和 社会效益。
【附图说明】
[0022] 图1是本实用新型的基于压电效应的桥梁吊索发电系统的电路原理图，
[002引图中，拉索1，桥面2，路面用压电板3a，吊索用压电板3b，引线4，蓄电池5，控制装 置6,逆变器7,分电盘8,电量计9，
[0024] 图2是本实用新型的基于压电效应的桥梁吊索发电系统的电路连接示意图，
[0025] 图中，3,5,二极管6 - 1，二极管6 - 2,开关6 - 3,稳压管6 - 4,充电电路a,供电电 路b图3是压电陶瓷并联电路图。
[0026] 图4是发电-供电系统流程图。
[0027] 图5a~5c是路面用压电板安装位置组图，图5a表不桥面纵向的路面用压电板安 装位置；
[002引图化表示桥面横向上的路面用压电板的投影宽度与车轮投影宽度的关系；图5c表示路面用压电板的长度与车轮直径的关系，
[0029] 图中，2 - 1渐青层，2 - 3桥面板
[0030] 图6a~6d是压电板结构示意组图，图6a表示压电板整体结构；图化表示中间压 电块层的整体结构；图6c表示压电陶瓷块的整体结构；图6d吊索用压电板的压电陶瓷块 与固定模板的剖面结构示意图，
[0031] 图中，上层硬板3-1，中间压电块层3-2,下层硬板3 - 3,压电陶瓷块3-4,固定 模板3 - 5,金属层3 - 6,压电陶瓷单元3 - 7,凹进量3 - 9
[0032] 图7a是车辆荷载的立面图。
[0033] 图化是车辆荷载的平面图。
[0034] 图8是吊索错固细部图，
[0035] 图中，固定螺母1-3,错垫板1-4。
【具体实施方式】
[0036] 如图1所示为本实用新型的基于压电效应的桥梁吊索发电系统，其包括安装于桥 面的压电板，即路面用压电板，W及固定于桥梁吊索错固位置的压电板，即吊索用压电板。 两者可W兼而有之，也可W根据桥梁的实际情况，如非吊索桥的或车流量不大的，可只安装 路面用压电板或吊索用压电板的其中一种。每一压电板可W包含多块压电块，多块压电块 W多级并联方式经充电电路的引线4接往蓄电池5,从而实现电能的收集。蓄电池5通过供 电电路向桥上用电设备供电。如图2所示，充电电路采用二级管6 - 2控制电流单向流动， 通过稳压管6 - 4控制整个电路在电压为设定的高击穿电压之内；当为桥上路灯、灯饰供电 时，可采用智能控制实现。为了适应多种用电设施，蓄集的电能通过控制装置6可W直接按 照直流电输出，也可W通过逆变器7进行直流-交流变换为一般的用电设施供电。依据桥 型的不同，本系统产生的电能会有所差异，当产生的电能充足时，可W仅为桥上用电设施供 电，如路灯、标志灯或景观灯等，特别地，此时可W在控制装置6处安装智能控制器，从而实 现智能供电。
[0037] 如图4所示，为本实用新型的发电-供电系统流程图。压电陶瓷接收外部激励，产 生压电效应，将机械能转变为电能，并通过控制器与蓄电池连接，达到集电目的。蓄电池向 外部供电时，通过控制器控制，直接提供直流负载或者经直流-交流逆变器变换为一般的用 电设施提供交流负载。
[003引如图6a所示，压电板采用立层板结构：上层硬板3 -1、中间压电块层3 -2、下层硬 板3 - 3。上层硬板3 - 1和下层硬板3 - 3使中间压电块层3 - 2受力更均匀，收集更大面积 的力，故两层硬板的刚性需要足够大，可选用不诱钢板。从图化所示，中间压电块层3-2包 括了多级并联的压电陶瓷块3 - 4,压电陶瓷块被一栅格状的固定模板3 - 5所分隔及固定， 每一栅格内可W容纳一块或两块W上的上下叠放的压电块。在本例中，取两块上下叠放的 压电块。如图6c所示，每一压电陶瓷块3 - 4由居中的压电陶瓷单元3 - 7和锻在压电陶瓷 单元3 - 7两个极面的金属层3 - 6构成。
[0039] 路面用压电板3a适用于车流量较大的桥型，其安装在桥面的面层2-3与渐青层 2 - 1之间，具体如图5a所示。且如图化，图5c所示，路面用压电板3a在平面上布置于桥 面每个车道车轮经过频率较高的桥面纵线上。在尺寸上，且每一路面用压电板的上、下硬板 沿桥面横向的宽度大于一般车轮的平面投影宽度。
[0040] 吊索用压电板只能用在有吊索结构悬腕W动载后索力变化幅度较大的桥梁上，其 安装位置为吊索的错垫板1 - 4的位置，见图8。当选取的上层硬板3 - 1、下层硬板3 - 3为 钢板时，压电板可W直接代替原来的错垫板1 -4;或不替代，则压电板可安放在吊索固定螺 母1 - 3和错垫板1 - 4之间，但需要对吊索进行适当延长。在截面尺寸上，吊索用压电板应 考虑实际错固位置的形状和尺寸，宜和错垫板尺寸相同W便于安装。压电板的厚度应考虑 中间压电块层3 - 2的叠合层数和错固位置的尺寸。
[0041] 为了保证压电块两端所受的最大力稳定在需要值，可调整中间压电块层内压电陶 瓷块3 -4