一种应用钹型压电换能器的减速带装置的制造方法
【专利摘要】本实用新型公开了一种应用钹型压电换能器的减速带装置，包括设于路面的减速带基体、设于减速带基体下方的发电装置、以及储能装置，所述发电装置由多个并排设于减速带基体正下方的液压压电装置组成，所述液压压电装置包括液压变形囊和钹型压电换能器，钹型压电换能器均通过桥式整流器并联后与储能装置相连，钹型压电换能器由位于两边的钹型金属帽和位于中间的压电陶瓷组成，液压压电装置下方的地面设有起支撑作用的支撑结构，所述液压压电装置与支撑结构和路面接触的两端均设有防过载凸角；本实用新型根据压电发电机理实现对于路面的低频率、大荷载条件下减速带的能量收集，供给路面附属用电设施，从而达到节约能源的效果，具有广泛应用前景。
【专利说明】
一种应用钹型压电换能器的减速带装置
技术领域
[0001]本实用新型涉及一种发电减速带装置，尤其是涉及一种应用钹型压电换能器的减速带装置。
【背景技术】
[0002]随着气候环境的变化和石油能源的短缺，道路作为重要的基础设施，在承担交通功能的同时还具有开发可再生能源的潜能。近年来，我国汽车保有量迅速发展，截至2012年6月底，全国机动车总保有量达2.33亿辆，其中汽车1.14亿辆。我国已成为汽车大国，仅次于美国；同时公路建设发展迅猛，截至2011年底，全国公路网总里程达到410.64万公里，其中高速公路通车里程达到7.4万公里。这些车在路上行驶都会碰到许多减速带，对减速带产生巨大的压力，如果能通过具有压电效应的装置将这部分压力转化为电能并加以有效的储存利用，这些能量将相当可观。不但可以产出清洁的电能，还可以减小路面的振动和变形，减少减速带结构损伤，降低结构维护成本以及减少噪音污染等，具有良好的应用前景。
[0003]随着科技的发展，压电材料也普遍应用于生活生产中。根据压电材料的正压电效应，其受到的冲击力越大，发电的电压就越大，将这些电能利用，将是一种很可观的能源。压电能量收集技术应用于道路工程中用以收集路面的机械能是一个新的研究领域，现有技术当中公开的道路减速带发电装置大多数一般原理为:当汽车压过减速带时，带动齿条和齿轮运动，从而带动发电机发电。这些都是将震动的机械能通过电磁发电等转化为电能，但是用于实现齿条循环运动的附属结构复杂且可靠性差，齿轮转动角度小，发电机的发电量少，效率低。极少数装置是利用压电材料收集减速带震动的机械能，其原理为:当汽车压过减速带时，直接导致压电材料的变形，从而获得电流。该装置中压电材料直接承受汽车的巨大压力，容易导致压电材料寿命短，从而增加了整个装置检测、管理、运行的造价。本实用新型避免了上述装置的缺点，在发电效率和装置使用上都有创新。
【实用新型内容】
[0004]本使用新型要解决的技术问题是，针对现有减速带存在能源有效利用不足，提供了一种基于液压钹式压电换能器的减速带发电装置，对减速带的材料及结构进行改进，并与基于压电效应的发电装置进行组合，从而将车辆压过减速带耗散的机械能加以利用，达到节能的效果。
[0005]本实用新型为解决上述技术问题所采用的技术方案是:
[0006]—种应用钹型压电换能器的减速带装置，包括设于路面的减速带基体，其特征在于:所述减速带基体下方设有发电装置和储能装置，所述发电装置由多个并排设于减速带基体正下方的液压压电装置组成，所述液压压电装置包括液压变形囊和钹型压电换能器，所述钹型压电换能器的钹型侧面与液压变形囊相连，所述钹型压电换能器均通过桥式整流器并联后与储能装置相连。
[0007]作为优选，所述钹型压电换能器由位于两边的钹型金属帽和位于中间的压电陶瓷组成。
[0008]作为改进，所述液压压电装置下方的地面设有起支撑作用的支撑结构，所述支撑结构对发电装置起支撑作用，并且通过液压变形囊向压电装置传递压力，所述液压压电装置与支撑结构和路面接触的两端均设有防过载凸角，用于防止压力过大而使压电装置超过其最大变形量。
[0009]作为改进，所述液压压电装置还包括外壳，所述液压变形囊和钹型压电换能器以及桥式整流器均置于外壳内，所述液压压电装置通过外壳的密封防止雨水等外界条件的干扰。
[0010]作为改进，所述外壳和钹型压电换能器之间设有起缓冲作用的橡胶垫，所述钹型压电换能器有多个，且在液压变形囊两边对称分布。
[0011]作为改进，所述减速带基体、液压变形囊和橡胶垫均采用高强度橡胶制成，所述支撑结构采用耐冲击、抗高温、抗老化及硬度高的工程塑料制成。
[0012]作为改进，钹型金属帽采用H62铜片制成，所述压电陶瓷采用PZT-5X压电陶瓷材料制成，所述压电陶瓷和两片钹型金属帽之间采用粘铜万能胶连接。
[0013]本实用新型有益效果是:
[0014]已有研究表明，钹型结构可以承受较大的压力和更高频率的负载，具有低阻抗、大弯曲变形、高承载能力等优点，低频荷载作用下也表现出较好的压电性能。对于钹式结构的压电换能器，由于金属帽的特殊结构，使得加载于金属帽上的轴向作用力经过转换、放大为沿压电陶瓷轴向和径向的两个分力，从而使得压电材料d33、d31两种模式同时工作，产生比一般压电陶瓷大得多的电压。当钹式换能器并联后，其输出电压值则明显比其中独立压电换能器的输出电压大。本装置将车辆的荷载通过液压变形囊传递给钹型压电换能器，使钹型结构受力均匀且能承受更大的压力。所以，对于路面的低频率、大荷载条件下减速带的能量收集，这种液压钹型压电发电装置更为实用。不仅能获得比一般电磁发电机更多得电能，还比把压电材料直接置于减速带下更耐久、能承受更大的荷载。结构简单可靠、成本低廉、机械能到电能转化效率高。将车辆经过减速带时损耗的能量回收发电，供给路面附属用电设施，从而达到节约能源的效果，具有广泛应用前景。
【附图说明】
[0015]图1是本实用新型的工作原理图。
[0016]图2是本实用新型的发电装置整体结构示意图。
[0017]图3是本实用新型的液压压电装置示意图。
[0018]图4是本实用新型钹型压电换能器结构示意图。
[0019]图5是本实用新型钹型压电换能器三维结构示意图。
[0020]图中:1-液压压电装置，2-减速带基体，3-支撑结构，4-防过载凸角，5-路面，11-钹型压电换能器，12-液压变形囊，13-外壳，14-橡胶垫，15-桥式整流器，111-钹型金属帽，112-压电陶瓷。
【具体实施方式】
[0021]以下结合附图和具体实施例来对本实用新型做进一步的说明。
[0022]请见图1，本实用新型基于压电效应的液压钹式压电换能器减速带发电系统，包括设于路面的减速带基体2、设于减速带基体2下方的发电装置、以及储能装置。
[0023]请见图2，所述发电装置将若干个液压钹式压电换能器单元并排沿着道路宽度方向布置，包括支撑结构3、液压压电装置1、防过载凸角4、减速带基体2。减速带基体2采用高强度橡胶，支撑结构3采用耐冲击、抗高温、抗老化及硬度高的工程塑料。液压压电装置I设于减速带基体2的正下方，且支撑结构3设于液压压电装置I的下方。当汽车压过减速带时，减速带基体2变形，压力传递给液压压电装置I，进一步施压给支撑结构3时，支撑结构3对液压压电装置I发生压力变形。液压压电装置I与支撑结构3和路面5接触的两端均设有防过载凸角4，用于防止压力过大而使压电装置超过其最大变形量。
[0024]请见图3，所述液压压电装置I由液压变形囊12、钹型压电换能器11、橡胶垫14、夕卜壳13和桥式整流器15组成。钹型压电换能器11设于液压变形囊12两边，在外壳13和钹型压电换能器11之间设有橡胶垫14，钹型压电换器11与桥式整流器15连接，整个液压压电装置I设于外壳13中。液压变形囊12和橡胶垫14均采用高强度橡胶。橡胶垫14起到缓冲作用。当汽车压过减速带基体2时，液压变形囊12在支撑结构3的支撑下发成变形。液压变形囊12向两侧挤压钹型液压换能器11，使钹型金属帽111发生变形，从而使夹在两片钹型金属帽111之间的压电陶瓷112发生变形，出现放电现象。若干个液压钹式压电换能器单元获得的电流，通过桥式整流器15整流并联后与储能装置相连。
[0025]请见图4和图5，所述钹型压电换能器11由两片钹型金属帽111和压电陶瓷112组成，压电陶瓷112置于两片钹型金属帽111之间，用粘胶剂连接。钹型金属帽111的主要作用是将压电换能结构受到的纵向荷载转换并放大并转换为径向的力作用于压电陶瓷片112，另一方面可将压电换能结构受到的集中荷载分散到压电陶瓷片112，起到保护陶瓷片的作用，具有一定的强度能抵抗变形。综合考虑常用金属的各项性能，H62铜片(60%Cu-40%Zn)具有较高的强度及耐腐蚀性较好，并且较其它金属片的价格要低，因此钹型金属帽111材料选用H62铜片。所述粘胶剂采用粘铜万能胶，所述压电陶瓷112采用PZT-5X压电陶瓷材料。所述了钹式压电换能器压电陶瓷112采用厚度为2_，直径为28_，钹型金属帽111底圆半径取20mm，厚度为0.5mm，内腔高度取2.5mm，顶圆半径取2mm。
[0026]将本实用新型所述发电装置置于减速带基体2下方的凹槽中，高强度的减速带基体2支撑在地面上，通过螺孔固定于地面上。支撑结构3对发电装置起支撑作用，并且通过液压变形囊12向液压压电装置I传递压力。设计防过载凸角4可以防止压力过大而使液压压电装置I超过其最大变形量。液压钹式压电换能器单元密封，防止雨水等外界条件的干扰。
[0027]本实用新型的工作原理:当外力作用到压电材料上引起变形，材料内部正负束缚电荷的间距变小，极化强度也变小，原来吸附在电极上的自由电荷有部分被释放，出现放电现象，即为正压电效应。正压电效应反映了压电元件将机械能转变为电能的能力。压电换能器作为压电能量回收的核心关键，根据压电效应及压电发电机理，压电换能器在受到机械应力作用时，机电耦合效应使得压电换能器表面自由电荷不断的释放和吸收，形成交变电势，当与负载相接，由压电换能器的机电耦合电势驱动负载内的电荷运动，形成电流。本装置中，当汽车压过减速带基体2时，液压变形囊12在支撑结构3的支撑下发成变形。液压变形囊12向两侧挤压钹型液压换能器11，使钹型金属帽111发生变形，从而使夹在两片钹型金属帽111之间的压电陶瓷112发生变形，出现放电现象。若干个液压钹式压电换能器单元获得的电流，通过桥式整流器15整流后，可实现电路上的并联。将获得的电能存放于储能装置，储能装置中的电能可用于交通标志、警示牌或路面附属设施供电。
[0028]以上所述的仅为本实用新型的较佳实施方案而已，当然不能以此来限定本实用新型的权利范围，因此依照本实用新型申请专利范围所作的等效变化，仍属于本实用新型的保护范围。
【主权项】
1.一种应用钹型压电换能器的减速带装置，包括设于路面的减速带基体(2)，其特征在于:所述减速带基体(2)下方设有发电装置和储能装置，所述发电装置由多个并排设于减速带基体(2)正下方的液压压电装置(I)组成，所述液压压电装置(I)包括液压变形囊(12)和钹型压电换能器(11)，所述钹型压电换能器(11)的钹型侧面与液压变形囊(12)相连，所述钹型压电换能器(11)均通过桥式整流器(15)并联后与储能装置相连。2.如权利要求1所述一种应用钹型压电换能器的减速带装置，其特征在于:所述钹型压电换能器(11)由位于两边的钹型金属帽(111)和位于中间的压电陶瓷(112)组成。3.如权利要求2所述一种应用钹型压电换能器的减速带装置，其特征在于:所述液压压电装置(I)下方的地面设有起支撑作用的支撑结构(3)，所述液压压电装置(I)与支撑结构(3)和路面(5)接触的两端均设有防过载凸角(4)。4.如权利要求3所述一种应用钹型压电换能器的减速带装置，其特征在于:所述液压压电装置(I)还包括外壳(13)，所述液压变形囊(12)和钹型压电换能器(11)以及桥式整流器(15)均置于外壳(13)内。5.如权利要求4所述一种应用钹型压电换能器的减速带装置，其特征在于:所述外壳(13)和钹型压电换能器(11)之间设有起缓冲作用的橡胶垫(14)，所述钹型压电换能器(11)有多个，且在液压变形囊(12)两边对称分布。6.如权利要求5所述一种应用钹型压电换能器的减速带装置，其特征在于:所述减速带基体(2)、液压变形囊(12)和橡胶垫(14)均采用高强度橡胶制成，所述支撑结构(3)采用耐冲击、抗高温、抗老化及硬度高的工程塑料制成。7.如权利要求6所述一种应用钹型压电换能器的减速带装置，其特征在于:钹型金属帽(111)采用H62铜片制成，所述压电陶瓷(112)采用PZT-5X压电陶瓷材料制成，所述压电陶瓷(112)和两片钹型金属帽(111)之间采用粘铜万能胶连接。
【文档编号】E01F9/529GK205610504SQ201620413188
【公开日】2016年9月28日
【申请日】2016年5月9日
【发明人】于上, 王玥, 黄子叶, 薛雅菲, 刘文浩, 陈小齐
【申请人】武汉大学