斜拉桥拉索俘能发电装置的制作方法

本发明涉及用于斜拉桥拉索的俘能发电装置。

背景技术：

大跨度斜拉桥的拉索频率与结构的低阶振动频率较为接近，在风、雨等环境荷载作用下，易于发生索桥耦合振动，从而导致拉索的局部振动现象。斜拉桥随着跨度增大，拉索的跨度也会随之增大，同时因自振频率低，容易产生大振幅的振动，作为整个运营期皆处于环境动荷载影响下的柔型结构，这种振动是不可避免的。现有关于斜拉桥拉索局部振动的研究工作大都关注于拉索振动给结构安全和耐久性带来的威胁，并未意识到这一振动现象其实可以加以利用，变害为宝。如果能够通过能量转化装置，将这些振动所产生的能量转化为电能并收集和利用，就可以为桥上的用电设备提供电能，拥有巨大的潜在经济效益。

技术实现要素：

本发明所要解决的技术问题是提供一种斜拉桥拉索俘能发电装置，能利用斜拉桥拉索的振动变形提供电能。

本发明解决技术问题所采用的技术方案是：斜拉桥拉索俘能发电装置，包括绳状俘能供电装置，所述绳状俘能供电装置螺旋式缠绕在斜拉桥的拉索上，能够随拉索振动。

在采用上述技术方案的同时，本发明还可以采用或者组合采用以下进一步的技术方案：

所述绳状俘能供电装置包括多个压电单元，所述多个压电单元通过电线串连在一起形成供电电路。

所述供电电路包括稳压整流器、储能装置和变压装置，所述稳压整流器、储能装置和变压装置通过电线连接至所述供电电路的输出端口，所述供电电路的输出端口连接至用电设备。

所述用电设备包括桥梁结构的监控系统、阻尼系统、照明装置以及行车指示牌。

所述供电电路采用高分子柔性防水绝缘套管封装，形成所述绳状俘能供电装置。

所述绳状俘能供电装置缠绕在拉索上距离桥塔锚固端3m以外的部位，所述绳状俘能供电装置与所述拉索的接触面采用粘合剂固定。

压电材料可以根据其力电转换特性，将环境荷载作用下产生的斜拉桥拉索振动所产生的机械能转化为电能，并进行收集和利用，为桥上各用电设施提供电能，起到变害为利的目的。大跨度斜拉桥为密索体系结构，拉索的数量较为庞大，如能对此振动产生的机械能进行合理利用，完全能够为桥梁结构上的监控系统、阻尼系统、照明装置、行车指示牌等提供用电，将富余电量存储于起来，能够保证该自供能体系的持续供电。压电换能装置结构简单、易于加工制作、便于微型化和集成化，材料的能量采集和应用工作环境限制少、效率高、绿色环保，相关技术的开发利用将产生巨大的经济效益，为建设资源节约型社会提供助力，具有一定市场潜力和经济价值。

本发明的有益效果是：本发明利用压电材料的正向压电效应，将压电单元通过电线串联起来，与电源控制装置一起，内置于防水封装管中，呈螺旋状安装在斜拉桥拉索外表面，将环境动荷载引起的斜拉索振动机械能转化为电能，经过该供电薄膜装置中的电源控制集成系统的稳压、变压处理，对桥上各用电设备进行供电点或者进行电能存储，本发明的发电装置所产生的电能完全能够为桥梁结构上的监控系统、阻尼系统、照明装置、行车指示牌等提供足够的电能，还具备电能存储装置，当产生电能富余时能够及时进行存储，保证系统的持续供电，为公路和城市桥梁中常见的斜拉桥结构提供一种全新的环保绿色能源。

附图说明

图1是本发明安装于斜拉桥的区域。

图2是安装了本发明的斜拉桥拉索侧面图。

图3是为本发明的整体结构平面图。

图4是本发明的整体三维效果图。

图5是本发明的局部放大的三位效果图。

图6是本发明的实例中钢索的基本参数表。

图7是拉索的局部振动计算方法示意图。

图8是本发明的拉索S1的中点竖向位移时程曲线。

图9是本发明的拉索S2的中点竖向位移时程曲线。

图中标号：1-斜拉桥拉索；2-安装区域；3-斜拉桥支座；4-斜拉桥主梁；5-斜拉桥桥塔；6-压电单元；7-电线；8-稳流整流器；9-变压器；10-储能装置；11-电流输出端口；12-高分子防水绝缘封装管；13-绳状俘能发电装置。

具体实施方式

参照附图。

本发明的斜拉桥拉索俘能发电装置包括安装在斜拉桥拉索1上的绳状俘能发电装置13，绳状俘能发电装置13包括多个压电单元6，压电单元6两两之间间距在8cm左右，压电单元数量由用电设备所需电量决定，压电单元数量越多，即所能提供的电量越大。

多个压电单元6通过电线7串连在一起形成供电电路，电线7起到连接各压电单元、稳压整流器、电能储能器、变压装置、连接用电设备的电路输出端口及传输电流的作用。

供电电路上还包括稳压整流器8、储能装置10和变压器9，稳压整流器8、储能装置10和变压器9通过电线7连接至供电电路的输出端口，供电电路的电流输出端口11连接至用电设备，用电设备主要指桥梁上的用电设备，具体包括桥梁结构的监控系统、阻尼系统、照明装置以及行车指示牌等，稳压整流器8、储能装置10、变压器9连接用电设备的电路输出端口，通过电线与各压电单元相连，通过电路输出端口与外部用电设备相连并为其供电，储能装置10存储富余电能。

供电电路采用高分子柔性防水绝缘套管12封装，形成绳状俘能供电装置13，高分子柔性防水绝缘套管12为柔性套管，能够被弯曲成任意形状，绳状俘能供电装置13缠绕在拉索1上距离桥塔锚固端3m以外的部位(即图1中加粗的红色部位)，绳状俘能供电装置13与拉索1的接触面采用高强粘合剂固定。绳状俘能供电装置13的成品呈螺旋状缠绕于斜拉桥拉索成品跨中区域，并采用高强粘合剂固定。

压电单元6整体上呈扁平状，高分子柔性防水绝缘套管12采用和压电单元6形状一致，也呈扁平状，为粘合剂的使用提供足够的接触面，确保绳状俘能供电装置13能够牢固地固定在拉索1的表面，电流输出端口11设置在压电单元6的侧面，走线的空间设置在压电单元6的一侧，防止内部走线在振动中发生交错缠绕影响发电效果和整体系统的稳定。高分子柔性防水绝缘套管12内还可以设置专门的走线通道。

本实施例中基于Fortran平台，以一跨度1400m斜拉桥设计方案中提取长、短两根拉索为例进行振动分析，图6为拉索的计算参数，表中，L为跨度，Y为高度，EA为拉伸刚度，即弹性模量E和截面积A的积，w为拉索的单位长度重量，β为垂度与跨度之比。

结构的动力响应分析方法中，桥梁按杆系结构建模，用空间梁单元模拟主梁和桥塔，用柔性拉索单元模拟拉索。为了考虑拉索局部振动的影响，将拉索划分成链接结构来分析(图7(a))。根据结构动力学中自由度凝聚方法和广义自由度的概念，把索的振型作为自由度来考虑，避免了按链接结构模拟拉索带来的计算自由度庞大，运算困难的问题。图7(b)表示本算法的示意图，索的局部振动可以根据振型叠加原理，通过把边界结点的位移以及索局部振型的组合得到。索的局部振动可以用前几阶少数振型来近似表示，既保证了计算精度也兼顾了计算效率。

桥梁的振动方程可表示为：

$M\stackrel{\·\·}{u}+C\stackrel{\·}{u}+Ku=F\left(t\right)---\left(1\right)$

式中，M、K和C分别为结构质量矩阵、刚度矩阵以及阻尼矩阵；u分别为结构加速度、速度和位移响应；F(t)为环境动力荷载。

图8、9分别给出了环境激励下该两根拉索的竖向振动位移响应结果，该结果显示拉索在环境荷载激励下竖向振动位移响应幅值约为0.08米(8厘米)左右，表明不论长索(图8)还是短索(图9)，且不论在跨中还是梁端，在环境激励下都将将产生教大的振动变形和应变，这意味着随着全桥的数百根拉索发生变形的本装置将产生大量电能。

考虑到本产品发电量与拉索振动的应变相关，根据图8和图9的计算结果，拉索无论跨中还是靠近主梁端部锚固点附近振动幅度都较大，因此都是比较理想的安装本发明的区域，而桥塔由于刚度较大，根据我们的计算，拉索靠近桥塔锚固端振动幅度较小，因此拉索在与桥塔的锚固端3米范围内不建议安装本发明。