基于隧道风环境下的悬臂梁振动发电装置的制造方法
【专利摘要】本实用新型提供一种基于隧道风环境下的悬臂梁振动发电装置，包括悬臂梁，所述悬臂梁的一端固定安装在支座上，所述支座通过固定桩固定在隧道内，所述悬臂梁上设有压电发电单元和电力收集单元，所述压电发电单元与悬臂梁紧密贴合，所述压电发电单元内设有能够随悬臂梁振动形变从而产生电能的压电片，所述压电片连接至所述电力收集单元。本实用新型在不影响隧道交通的前提下，充分利用隧道中丰富的风能资源，推动实现隧道中的绿色交通。
【专利说明】
基于隧道风环境下的悬臂梁振动发电装置
技术领域
[0001 ]本实用新型涉及悬臂梁振动发电装置。
【背景技术】
[0002]长久以来，可持续的自然资源及能源利用一直是不断探讨的话题。随着当今世界能源不断地消耗，开发新型能源材料将是未来科技和工程发展的新方向。压电材料作为新型发电材料，为发电方式提供新思路。其将借助风力等一些自然力使其产生的形变来发电，通过持续、反复地形变将产生相当可观的电能。
[0003]随着交通的发展，隧道的开发和利用在交通中占据重要地位，隧道由于其特殊性往往需要比普通道路安装更多的用电设备，例如通风、照明、道路监控等，而隧道中的用电通常需要从外界接线，施工过程复杂。
[0004]而根据交通实际情况，隧道由于其地理环境因素以及交通运行，其中所产生的风力相当的客观，目前来说，这部分风力只能成为交通的阻力，无法被利用，是一种能量的巨大浪费。
【实用新型内容】
[0005]本实用新型所要解决的技术问题是提供一种基于隧道风环境下的悬臂梁振动发电装置，其能利用收集悬臂梁结构变形发电，并收集储存电能。本实用新型悬臂梁振动发电装置能安置于隧道中，在不影响隧道通行的情况下，很好地利用隧道中的风能。
[0006]本实用新型解决技术问题所采取的技术方案是:
[0007]基于隧道风环境下的悬臂梁振动的发电装置，包括悬臂梁，所述悬臂梁的一端固定安装在支座上，所述支座通过固定粧固定在隧道内，所述悬臂梁上设有压电发电单元和电力收集单元，所述压电发电单元与悬臂梁紧密贴合，所述压电发电单元内设有能够随悬臂梁振动形变从而产生电能的压电片，所述压电片连接至所述电力收集单元。
[0008]在采用上述技术方案的同时，本实用新型还可以采用或者组合采用以下一步的技术方案。
[0009]所述压电发电单元还包括电极片和绝缘外壳，所述压电片通过粘结剂固定在所述电极片上，所述压电片和所述电极片上设有相对应的接线部位，所述绝缘外壳覆盖在所述压电片和所述电极片的外侧，并与所述压电片无压力接触;所述电力收集单元包括输电电路和蓄电池，所述输电电路连接压电片与蓄电池，所述蓄电池用于收集压电片所产生的电會K。
[0010]所述悬臂梁以一定的角度向上倾斜，其角度根据压电发电装置所俘获的能量最大原则设计。
[0011]所述悬臂梁的自由端设有质量块，目的是为了达到与悬臂梁共振作用，调节振动频率、幅度至合适值，以求悬臂梁在风荷载作用下实现俘获能量最大。
[0012]所述压电发电单元为至少一个，当所述压电发电单元多于一个时，所述压电发电单元按照一定的规则布置在悬臂梁的适当部位。
[0013]所述压电发电单元置于悬臂梁与支座相接处，此位置为悬臂梁振动时变形最大位置。
[0014]所述压电发电单元与悬臂梁无滑动连接，压电发电单元中的压电片与悬臂梁发生相同变形。
[0015]在布置悬臂梁时，为不影响隧道中交通，所述悬臂梁与隧道行车道的距离为30?35cm0
[0016]所述绝缘外壳采用耐高温耐压耐磨的高分子材料制成。
[0017]所述压电片为至少一个，当所述压电片多于一个时，压电片采用串联的方式固连在所述电极片上。
[0018]所述悬臂梁通过设置在所述支座四角的螺栓与所述支座固定连接，所述接线部位设于所述悬臂梁与所述支座固定连接的区域内。
[0019]本实用新型的有益效果是:本实用新型利用压电材料的发电性能，把压电发电单元布置在悬臂梁振动剧烈部位，将隧道中的风能转化为悬臂梁的机械能，通过压电材料将悬臂梁的机械能转化为电能并储存。本实用新型的压电发电装置在不影响隧道交通的前提下，充分利用隧道中丰富的风能资源，推动实现隧道中的绿色交通。
[0020]对比与传统的电线输电方式，本实用新型在某些特定环境下将会体现优越性。第一，节能环保。本实用新型绿色，经济，高效，不像传统的火力发电等消耗能源;第二，普适性强。本实用新型能适用于偏远环境，传统输电线若布置长度过长将需要大量的人力、物力成本，而本项目研究之装置能轻易安装在任何适用的环境;第三，可持续化。本实用新型依靠压电原理发电，具有重复使用、反复循环的特点。本实用新型希望能为能源利用问题提供新的解决思路。
【附图说明】
[0021]图1为本实用新型的整体布置图。
[0022]图2为本实用新型悬臂梁的俯视平面图。
[0023]图3为本实用新型的立体图。
[0024]图4为本实用新型的压电发电单元布置图。
[0025]图5为本实用新型的压电发电单元拆解图。
[0026]图6为本实用新型的电源控制箱示意图图。
【具体实施方式】
[0027]参照附图。
[0028]本实用新型的基于隧道风环境下的悬臂梁振动发电装置包括悬臂梁3，悬臂梁3的一端固定安装在支座5上，另一端自由，其自由端能在风荷载的作用下振动从而整体产生变形。
[0029]悬臂梁3上设有压电发电单元I和电力收集单元，压电发电单元I与悬臂梁3紧密贴合，其内设有能够随悬臂梁3同步形变的压电片6，压电发电单元I连接至电源控制箱9并向其输电。
[0030]压电发电单元I还包括电极铜片8和绝缘外壳7，压电片6通过高分子有机绝缘粘结剂固定在电极铜片8上，压电片6和电极铜片8的对应位置上均设有接线孔15，绝缘外壳7覆盖在压电片6和电极铜片8的外侧，绝缘外壳7与压电片6无压力接触，不影响压电片6的形变，电力收集单元包括输电电路和蓄电池，输电电路连接压电片和蓄电池，蓄电池可以收集压电片6所产生的的电能，电力收集单元的作用是临时存储压电片6所产生的的电能，同时将压电片所产生的电能输送到外部电源控制箱9。
[0031]为了达到更好的变形效果，悬臂梁3与水平方向成一定角度，其角度根据压电发电装置所俘获的能量最大原则设计。
[0032]在悬臂梁3自由端加以质量块4，质量块4的大小要求能够增加悬臂梁3自由端的振动幅度，但又要确保悬臂梁3的振动幅度在限定的范围内，防止压电片受到损伤。
[0033]悬臂梁3自由端距离行车轨道30?35cm，悬臂梁3大小为300cmX70cm，压电片6大小为70cmX 50cm，支座5通过固定粧16安装在隧道两侧的内壁上，悬臂梁3采用设置在支座上表面四角的螺丝螺帽2连接固定在支座5上，压电片6和电极铜片8的接线孔15设置在悬臂梁3与支座2固定连接的区域内，悬臂梁3与支座2固定连接的区域不会产生形变，因此确保接线孔不会错位，防止长期使用中电线受损，在接线孔15中引出导线，将其与电池连接。
[0034]压电发电单元I的工作原理如下:当车辆经过隧道时，车辆与空气的相对运动相产生巨大的风流体，风荷载作用于悬臂梁3的下底面，悬臂梁3向上产生变形，由于压电片6与悬臂梁3共同变形，所以压电片6将产生电能，由于风流体具有不均匀性，作用于悬臂梁3下底面的风荷载会在某一时刻减少，风荷载减少后由于悬臂梁3的弹性回复力以及端部质量块4向下的质量力使得悬臂梁3向下变形，由于压电片6与悬臂梁3共同变形，所以压电片6也将产生电能。在不断地上下变形振动中，压电发电单元I产生源源不断的电能，将此电能通过电源控制箱9收集储存。压电发电单元I拆卸方便，便于检修，若发现有局部损坏，只需进行单独局部更换即可。
[0035]绝缘外壳7采用耐高温耐压耐磨的高分子材料(例如环氧树脂)制成，环氧树脂不仅可以起到粘结钢板的作用，还可以达到防护、防水、绝缘等效果。
[0036]压电发电单元I为至少一个，如图所示，当压电发电单元I为多于一个时，可以并列排布，也可以在悬臂梁3的上下两面都布置。
[0037]悬臂梁3采用钢板，其与支座2连接的强度与刚度必须保证在风荷载下不发生破坏或失稳。
[0038]所述压电片为至少一个，当所述压电片多于一个时，压电片采用串联的方式固连在所述电极片上。
[0039]压电发电单元I经过导线连接到电源控制箱9，具体地说，压电发电单元I中负责产生电流的压电片6由导线引出，连接至电源控制箱9，其产生的电流通过导线汇集到电源控制箱9，电源控制箱9与用(储)电设备14连接，并向用(储)电设备14供电，从而实现利用风荷载发电照明或其他用电途径。符合可持续发展原则，生态环保。
[0040]电源控制箱9包括压电检测装置10、稳压整流装置11、电能存储设备12以及变压输出装置13，其中变压输出装置13与用(储)电设备14连接，压电检测装置10可以采用通常的通电检测设备，主要用于检测压电俘能装置I的发电情况，例如是否有电流输出以及电流流量的大小，从而明确本实用新型的发电装置是否正常工作;稳压整流装置11可以采用通常的稳压整流电路，对压电俘能装置I产生的电能进行稳压整流，电能存储设备12可以采用一定容量的蓄电装置，以供其他用电设备使用。
【主权项】
1.基于隧道风环境下的悬臂梁振动发电装置，其特征在于:所述振动发电装置包括悬臂梁，所述悬臂梁的一端固定安装在支座上，所述支座通过固定粧固定在隧道内，所述悬臂梁上设有压电发电单元和电力收集单元，所述压电发电单元与悬臂梁紧密贴合，所述压电发电单元内设有能够随悬臂梁振动形变从而产生电能的压电片，所述压电片连接至所述电力收集单元。2.如权利要求1所述的基于隧道风环境下的悬臂梁振动发电装置，其特征在于:所述压电发电单元还包括电极片和绝缘外壳，所述压电片通过粘结剂固定在所述电极片上，所述压电片和所述电极片上设有相对应的接线部位，所述绝缘外壳覆盖在所述压电片和所述电极片的外侧，并与所述压电片无压力接触;所述电力收集单元包括输电电路和蓄电池，所述输电电路连接压电片与蓄电池，所述蓄电池用于收集压电片所产生的电能。3.如权利要求1所述的基于隧道风环境下的悬臂梁振动发电装置，其特征在于:所述悬臂梁以一定的角度向上倾斜，其角度根据压电发电装置所俘获的能量最大原则设计。4.如权利要求1所述的基于隧道风环境下的悬臂梁振动发电装置，其特征在于:所述悬臂梁的自由端设有质量块。5.如权利要求1所述的基于隧道风环境下的悬臂梁振动发电装置，其特征在于:所述压电发电单元为至少一个，当所述压电发电单元多于一个时，所述压电发电单元按照一定的规则布置在悬臂梁的适当部位。6.如权利要求1所述的基于隧道风环境下的悬臂梁振动发电装置，其特征在于:所述压电发电单元置于悬臂梁与支座相接处。7.如权利要求1、2或3所述的基于隧道风环境下的悬臂梁振动发电装置，其特征在于:所述悬臂梁与隧道行车道的距离为30?35cm。8.如权利要求2所述的基于隧道风环境下的悬臂梁振动发电装置，其特征在于:所述绝缘外壳采用耐高温耐压耐磨的高分子材料制成。9.如权利要求2所述的基于隧道风环境下的悬臂梁振动发电装置，其特征在于:所述压电片为至少一个，当所述压电片多于一个时，压电片采用串联的方式固连在所述电极片上。10.如权利要求2所述的基于隧道风环境下的悬臂梁振动发电装置，其特征在于:所述悬臂梁通过设置在所述支座四角的螺栓与所述支座固定连接，所述接线部位设于所述悬臂梁与所述支座固定连接的区域内。
【文档编号】H02N2/18GK205509891SQ201620110190
【公开日】2016年8月24日
【申请日】2016年2月3日
【发明人】吕朝锋, 徐波, 张鹤, 俞怡, 李科呈, 陈奕声
【申请人】浙江大学