一种地铁线路俘能发电装置的制作方法

本发明涉及俘能发电装置，更具体说，它涉及一种地铁线路俘能发电装置。

背景技术：

“十三五”期间我国将大力推进新型城市化进程，城镇化人口将达到总人口的60％以上。地铁可有效缓解城市交通压力，目前国内有多个城市已开通或正在修建地铁线路。在地铁运营期间，行进中的地铁列车会对钢轨产生动力冲击作用，并引起钢轨、轨枕、道床、隧道、周边土体、附近建筑物和地面道路的振动，严重时将引起建筑物局部开裂、路面塌陷或影响精密仪器运行等不良后果。由于地铁线路往往要穿越闹市区以及学校、医院、科研机构、博物馆、古建筑、音乐厅等重要场所，随着密集轨道线网的建成，关于地铁运营对周边环境振动以及噪声影响的研究也越来越受到学者和广大民众的重视。除了关注这一振动现象及其防治措施，我们意识到，这一周期性运营振动也可加以利用，体现环保节能的功效。

技术实现要素：

本发明的目的在于克服现有技术不足,提供一种能利用地铁列车运行时产生的轨道系统振动变形提供电能的地铁线路俘能发电装置。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的:

这种地铁线路俘能发电装置，包括安装在钢轨上的绳状俘能发电装置，以及安装在道床板上的带状俘能发电装置，绳状俘能发电装置包括多个压电单元，通过电线串联形成压电单元电路；带状俘能发电装置由多个压电单元呈带状或矩阵排列，通过电线串联；绳状俘能发电装置和带状俘能发电装置形成供电电路，供电电路还包括稳压整流器、变压器、储能装置和电流输出端口，其中稳压整流器、变压器通过电线连接至供电电路的输出端口，通过电路输出端口与外部用电设备相连并为其供电，储能装置存储富余电能。

作为优选：供电电路封装在高分子防水柔性绝缘套管内。

作为优选：压电单元整体呈扁平状，绳状俘能装置和带状俘能装置的高分子防水柔性绝缘套管都采用扁平状。

作为优选：绳状俘能供电装置采用高强粘合剂固定在钢轨的外侧表面。

作为优选：带状俘能供电装置采用高强粘结剂固定在道床板的中间区域。

作为优选：电流输出端口设置在压电单元的侧面，走线也设置在压电单元的一侧。

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，加上电源控制集成装置，一起封装于高分子柔性防水管中，以直线方式安装在钢轨外侧表面和道床板上表面，利用压电材料的正向压电效应，将地铁列车行进时所产生的钢轨、道床板振动转化为电能，通过电源控制集成装置的稳压、变压处理，为地铁隧道内部的各用电设备供电或者进行电能存储，本发明的发电装置所产生的电能完全能够为地铁隧道内部的实时监控系统、照明系统、安全指示系统、广告牌等提供电能，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，为地铁隧道的实时监控系统等提供一种全新的绿色环保能源。

附图说明

图1是本发明安装于地铁轨道系统的区域。

图2是安装于钢轨的绳状俘能装置整体结构平面图。

图3是安装于道床的带状俘能装置整体结构平面图。

图4是本发明的整体三维效果图。

图5是本发明用于钢轨处的绳状俘能装置三维效果图。

图6是本发明实施案例中的地铁列车-轨道整体计算模型。

图7是轮下钢轨的位移时程曲线。

图8是轮下浮置板的位移时程曲线。

附图标记说明：1-地铁隧道壁；2-道床板；3-钢轨；4-绳状俘能装置；5-带状俘能装置；6-压电单元；7-电线；8-稳压整流器；9-变压器；10-储能装置；11-电流输出端口；12-高分子防水柔性绝缘套管。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明做进一步描述。下述实施例的说明只是用于帮助理解本发明。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以对本发明进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本发明权利要求的保护范围内。

本发明的地铁线路俘能发电装置包括安装在钢轨3上的绳状俘能发电装置4，以及安装在道床板2上的带状俘能发电装置5，绳状俘能发电装置4包括多个压电单元6，通过电线7串联形成压电单元电路，相邻压电单元的间距为6cm左右，压电单元6数量可由用电设备电量决定，压电单元6数量越多，则所能提供的电量越大；带状俘能发电装置5由多个压电单元6呈带状或矩阵排列，同样通过电线7串联，压电阵列的长度由道床板尺寸决定，压电阵列的宽度由用电设备电量决定，压电单元数量越多，则所能提供的电量越大。

供电电路还包括电源控制模块，具体包括稳压整流器8、变压器9、电能储能装置10、电流输出端口11，其中稳压整流器8、变压器9通过电线7连接至供电电路的输出端口11，通过电路输出端口11与外部用电设备相连并为其供电，用电设备主要指地铁隧道内部的实时监控系统、照明系统、安全指示系统、广告牌等，储能装置10存储富余电能。

电线7的作用为串联各个压电单元6、稳压整流器8、储能装置10、变压装置9、连接用电设备的电路输出端口11及传输电流。

供电电路封装在高分子防水柔性绝缘套管12内，形成绳状俘能供电装置4和带状俘能供电装置5。绳状俘能供电装置4采用高强粘合剂固定在钢轨3的外侧表面，带状俘能供电装置5采用高强粘结剂固定在道床板2的中间区域。

压电单元6整体呈扁平状，绳状俘能装置4和带状俘能装置5的高分子防水柔性绝缘套管12都采用扁平状，保证了两种俘能装置与结构接触面能充分粘合，其中绳状俘能装置4通过粘合剂牢固地固定在钢轨3外侧表面，电流输出端口11设置在压电单元6的侧面，走线的设置也定在压电单元6的一侧，以保证内部走线不会在振动中发生缠绕交错，使整体装置及供电系统保持稳定的工作状态。

本实施案例基于matlab，以地铁浮置板轨道系统为例，建立图6所示的地铁列车-浮置板轨道整体计算模型，对地铁列车荷载作用下钢轨和浮置板道床的振动响应进行了计算。轨道计算长度取为350m，单块浮置板长度为25m，其它计算参数如下表所示。

注：车体各部分质量单位均为kg，车体和转向架转动惯量单位为kg·m²，轨道分布质量单位kg/m，轨道抗弯刚度单位n·m²，弹簧刚度单位n/m，弹簧阻尼单位n·s/m，力单位n。

结合实际背景及结构动力学理论，采用10自由度多刚体模型模拟列车，其中车体部分及转向架考虑竖向位移及点头两个自由度，轮对仅考虑竖向位移一个自由度，相应的列车动力平衡方程为：

其中分别为列车的质量、阻尼及刚度矩阵，{f}10×1为列车各部分所受外力，主要包括自重及轮轨接触力，{z}10×1为列车位移向量，为列车速度向量，为列车加速度向量。

钢轨采用为两端简支的euler梁理论计算，其振动微分方程为：

其中erir为钢轨抗弯刚度，ρrar为钢轨分布质量，fr(x,t)为竖向外力，vr为钢轨竖向位移。

浮置板长度较为扁平，采用两端自由的mindlin板梁理论计算。此外，因实际工程中地铁轨道基底部分是和隧道衬砌壁浇筑在一起的，故将基底垫层和隧道壁考虑为一个整体刚性基础。浮置板的振动微分方程如下所示：

其中dsbs为浮置板抗弯刚度，κasgs为浮置板剪切刚度，ρsas为浮置板分布质量，ρsis为浮置板转动刚度，fs(x,t)为浮置板所受外力，ms(x,t)为浮置板所受弯矩，vs为浮置板竖向位移，φs为浮置板转角。

当列车运行速度为72km/h时，列车第一轮对所在位置钢轨、浮置板的位移响应曲线分别如图7、8所示，结果显示，当列车经过时，钢轨和浮置板位移会产生突跳现象，钢轨和浮置板的位移振动幅值迅速放大，达到3mm左右，因地铁列车车体较长，6编组车辆总长度在114米左右，且地铁运行班次十分密集，这意味着，在列车经过区域，随着钢轨和道床振动本发明将产生大量电能，为地铁隧道各用电设备提供充足电源。