一種應用鈸型壓電換能器的減速帶裝置的制造方法
【專利摘要】本實用新型公開了一種應用鈸型壓電換能器的減速帶裝置，包括設于路面的減速帶基體、設于減速帶基體下方的發電裝置、以及儲能裝置，所述發電裝置由多個并排設于減速帶基體正下方的液壓壓電裝置組成，所述液壓壓電裝置包括液壓變形囊和鈸型壓電換能器，鈸型壓電換能器均通過橋式整流器并聯后與儲能裝置相連，鈸型壓電換能器由位于兩邊的鈸型金屬帽和位于中間的壓電陶瓷組成，液壓壓電裝置下方的地面設有起支撐作用的支撐結構，所述液壓壓電裝置與支撐結構和路面接觸的兩端均設有防過載凸角；本實用新型根據壓電發電機理實現對于路面的低頻率、大荷載條件下減速帶的能量收集，供給路面附屬用電設施，從而達到節約能源的效果，具有廣泛應用前景。
【專利說明】
一種應用鈸型壓電換能器的減速帶裝置
技術領域
[0001]本實用新型涉及一種發電減速帶裝置，尤其是涉及一種應用鈸型壓電換能器的減速帶裝置。
【背景技術】
[0002]隨著氣候環境的變化和石油能源的短缺，道路作為重要的基礎設施，在承擔交通功能的同時還具有開發可再生能源的潛能。近年來，我國汽車保有量迅速發展，截至2012年6月底，全國機動車總保有量達2.33億輛，其中汽車1.14億輛。我國已成為汽車大國，僅次于美國；同時公路建設發展迅猛，截至2011年底，全國公路網總里程達到410.64萬公里，其中高速公路通車里程達到7.4萬公里。這些車在路上行駛都會碰到許多減速帶，對減速帶產生巨大的壓力，如果能通過具有壓電效應的裝置將這部分壓力轉化為電能并加以有效的儲存利用，這些能量將相當可觀。不但可以產出清潔的電能，還可以減小路面的振動和變形，減少減速帶結構損傷，降低結構維護成本以及減少噪音污染等，具有良好的應用前景。
[0003]隨著科技的發展，壓電材料也普遍應用于生活生產中。根據壓電材料的正壓電效應，其受到的沖擊力越大，發電的電壓就越大，將這些電能利用，將是一種很可觀的能源。壓電能量收集技術應用于道路工程中用以收集路面的機械能是一個新的研究領域，現有技術當中公開的道路減速帶發電裝置大多數一般原理為:當汽車壓過減速帶時，帶動齒條和齒輪運動，從而帶動發電機發電。這些都是將震動的機械能通過電磁發電等轉化為電能，但是用于實現齒條循環運動的附屬結構復雜且可靠性差，齒輪轉動角度小，發電機的發電量少，效率低。極少數裝置是利用壓電材料收集減速帶震動的機械能，其原理為:當汽車壓過減速帶時，直接導致壓電材料的變形，從而獲得電流。該裝置中壓電材料直接承受汽車的巨大壓力，容易導致壓電材料壽命短，從而增加了整個裝置檢測、管理、運行的造價。本實用新型避免了上述裝置的缺點，在發電效率和裝置使用上都有創新。
【實用新型內容】
[0004]本使用新型要解決的技術問題是，針對現有減速帶存在能源有效利用不足，提供了一種基于液壓鈸式壓電換能器的減速帶發電裝置，對減速帶的材料及結構進行改進，并與基于壓電效應的發電裝置進行組合，從而將車輛壓過減速帶耗散的機械能加以利用，達到節能的效果。
[0005]本實用新型為解決上述技術問題所采用的技術方案是:
[0006]—種應用鈸型壓電換能器的減速帶裝置，包括設于路面的減速帶基體，其特征在于:所述減速帶基體下方設有發電裝置和儲能裝置，所述發電裝置由多個并排設于減速帶基體正下方的液壓壓電裝置組成，所述液壓壓電裝置包括液壓變形囊和鈸型壓電換能器，所述鈸型壓電換能器的鈸型側面與液壓變形囊相連，所述鈸型壓電換能器均通過橋式整流器并聯后與儲能裝置相連。
[0007]作為優選，所述鈸型壓電換能器由位于兩邊的鈸型金屬帽和位于中間的壓電陶瓷組成。
[0008]作為改進，所述液壓壓電裝置下方的地面設有起支撐作用的支撐結構，所述支撐結構對發電裝置起支撐作用，并且通過液壓變形囊向壓電裝置傳遞壓力，所述液壓壓電裝置與支撐結構和路面接觸的兩端均設有防過載凸角，用于防止壓力過大而使壓電裝置超過其最大變形量。
[0009]作為改進，所述液壓壓電裝置還包括外殼，所述液壓變形囊和鈸型壓電換能器以及橋式整流器均置于外殼內，所述液壓壓電裝置通過外殼的密封防止雨水等外界條件的干擾。
[0010]作為改進，所述外殼和鈸型壓電換能器之間設有起緩沖作用的橡膠墊，所述鈸型壓電換能器有多個，且在液壓變形囊兩邊對稱分布。
[0011]作為改進，所述減速帶基體、液壓變形囊和橡膠墊均采用高強度橡膠制成，所述支撐結構采用耐沖擊、抗高溫、抗老化及硬度高的工程塑料制成。
[0012]作為改進，鈸型金屬帽采用H62銅片制成，所述壓電陶瓷采用PZT-5X壓電陶瓷材料制成，所述壓電陶瓷和兩片鈸型金屬帽之間采用粘銅萬能膠連接。
[0013]本實用新型有益效果是:
[0014]已有研究表明，鈸型結構可以承受較大的壓力和更高頻率的負載，具有低阻抗、大彎曲變形、高承載能力等優點，低頻荷載作用下也表現出較好的壓電性能。對于鈸式結構的壓電換能器，由于金屬帽的特殊結構，使得加載于金屬帽上的軸向作用力經過轉換、放大為沿壓電陶瓷軸向和徑向的兩個分力，從而使得壓電材料d33、d31兩種模式同時工作，產生比一般壓電陶瓷大得多的電壓。當鈸式換能器并聯后，其輸出電壓值則明顯比其中獨立壓電換能器的輸出電壓大。本裝置將車輛的荷載通過液壓變形囊傳遞給鈸型壓電換能器，使鈸型結構受力均勻且能承受更大的壓力。所以，對于路面的低頻率、大荷載條件下減速帶的能量收集，這種液壓鈸型壓電發電裝置更為實用。不僅能獲得比一般電磁發電機更多得電能，還比把壓電材料直接置于減速帶下更耐久、能承受更大的荷載。結構簡單可靠、成本低廉、機械能到電能轉化效率高。將車輛經過減速帶時損耗的能量回收發電，供給路面附屬用電設施，從而達到節約能源的效果，具有廣泛應用前景。
【附圖說明】
[0015]圖1是本實用新型的工作原理圖。
[0016]圖2是本實用新型的發電裝置整體結構示意圖。
[0017]圖3是本實用新型的液壓壓電裝置示意圖。
[0018]圖4是本實用新型鈸型壓電換能器結構示意圖。
[0019]圖5是本實用新型鈸型壓電換能器三維結構示意圖。
[0020]圖中:1-液壓壓電裝置，2-減速帶基體，3-支撐結構，4-防過載凸角，5-路面，11-鈸型壓電換能器，12-液壓變形囊，13-外殼，14-橡膠墊，15-橋式整流器，111-鈸型金屬帽，112-壓電陶瓷。
【具體實施方式】
[0021]以下結合附圖和具體實施例來對本實用新型做進一步的說明。
[0022]請見圖1，本實用新型基于壓電效應的液壓鈸式壓電換能器減速帶發電系統，包括設于路面的減速帶基體2、設于減速帶基體2下方的發電裝置、以及儲能裝置。
[0023]請見圖2，所述發電裝置將若干個液壓鈸式壓電換能器單元并排沿著道路寬度方向布置，包括支撐結構3、液壓壓電裝置1、防過載凸角4、減速帶基體2。減速帶基體2采用高強度橡膠，支撐結構3采用耐沖擊、抗高溫、抗老化及硬度高的工程塑料。液壓壓電裝置I設于減速帶基體2的正下方，且支撐結構3設于液壓壓電裝置I的下方。當汽車壓過減速帶時，減速帶基體2變形，壓力傳遞給液壓壓電裝置I，進一步施壓給支撐結構3時，支撐結構3對液壓壓電裝置I發生壓力變形。液壓壓電裝置I與支撐結構3和路面5接觸的兩端均設有防過載凸角4，用于防止壓力過大而使壓電裝置超過其最大變形量。
[0024]請見圖3，所述液壓壓電裝置I由液壓變形囊12、鈸型壓電換能器11、橡膠墊14、夕卜殼13和橋式整流器15組成。鈸型壓電換能器11設于液壓變形囊12兩邊，在外殼13和鈸型壓電換能器11之間設有橡膠墊14，鈸型壓電換器11與橋式整流器15連接，整個液壓壓電裝置I設于外殼13中。液壓變形囊12和橡膠墊14均采用高強度橡膠。橡膠墊14起到緩沖作用。當汽車壓過減速帶基體2時，液壓變形囊12在支撐結構3的支撐下發成變形。液壓變形囊12向兩側擠壓鈸型液壓換能器11，使鈸型金屬帽111發生變形，從而使夾在兩片鈸型金屬帽111之間的壓電陶瓷112發生變形，出現放電現象。若干個液壓鈸式壓電換能器單元獲得的電流，通過橋式整流器15整流并聯后與儲能裝置相連。
[0025]請見圖4和圖5，所述鈸型壓電換能器11由兩片鈸型金屬帽111和壓電陶瓷112組成，壓電陶瓷112置于兩片鈸型金屬帽111之間，用粘膠劑連接。鈸型金屬帽111的主要作用是將壓電換能結構受到的縱向荷載轉換并放大并轉換為徑向的力作用于壓電陶瓷片112，另一方面可將壓電換能結構受到的集中荷載分散到壓電陶瓷片112，起到保護陶瓷片的作用，具有一定的強度能抵抗變形。綜合考慮常用金屬的各項性能，H62銅片(60%Cu-40%Zn)具有較高的強度及耐腐蝕性較好，并且較其它金屬片的價格要低，因此鈸型金屬帽111材料選用H62銅片。所述粘膠劑采用粘銅萬能膠，所述壓電陶瓷112采用PZT-5X壓電陶瓷材料。所述了鈸式壓電換能器壓電陶瓷112采用厚度為2_，直徑為28_，鈸型金屬帽111底圓半徑取20mm，厚度為0.5mm，內腔高度取2.5mm，頂圓半徑取2mm。
[0026]將本實用新型所述發電裝置置于減速帶基體2下方的凹槽中，高強度的減速帶基體2支撐在地面上，通過螺孔固定于地面上。支撐結構3對發電裝置起支撐作用，并且通過液壓變形囊12向液壓壓電裝置I傳遞壓力。設計防過載凸角4可以防止壓力過大而使液壓壓電裝置I超過其最大變形量。液壓鈸式壓電換能器單元密封，防止雨水等外界條件的干擾。
[0027]本實用新型的工作原理:當外力作用到壓電材料上引起變形，材料內部正負束縛電荷的間距變小，極化強度也變小，原來吸附在電極上的自由電荷有部分被釋放，出現放電現象，即為正壓電效應。正壓電效應反映了壓電元件將機械能轉變為電能的能力。壓電換能器作為壓電能量回收的核心關鍵，根據壓電效應及壓電發電機理，壓電換能器在受到機械應力作用時，機電耦合效應使得壓電換能器表面自由電荷不斷的釋放和吸收，形成交變電勢，當與負載相接，由壓電換能器的機電耦合電勢驅動負載內的電荷運動，形成電流。本裝置中，當汽車壓過減速帶基體2時，液壓變形囊12在支撐結構3的支撐下發成變形。液壓變形囊12向兩側擠壓鈸型液壓換能器11，使鈸型金屬帽111發生變形，從而使夾在兩片鈸型金屬帽111之間的壓電陶瓷112發生變形，出現放電現象。若干個液壓鈸式壓電換能器單元獲得的電流，通過橋式整流器15整流后，可實現電路上的并聯。將獲得的電能存放于儲能裝置，儲能裝置中的電能可用于交通標志、警示牌或路面附屬設施供電。
[0028]以上所述的僅為本實用新型的較佳實施方案而已，當然不能以此來限定本實用新型的權利范圍，因此依照本實用新型申請專利范圍所作的等效變化，仍屬于本實用新型的保護范圍。
【主權項】
1.一種應用鈸型壓電換能器的減速帶裝置，包括設于路面的減速帶基體(2)，其特征在于:所述減速帶基體(2)下方設有發電裝置和儲能裝置，所述發電裝置由多個并排設于減速帶基體(2)正下方的液壓壓電裝置(I)組成，所述液壓壓電裝置(I)包括液壓變形囊(12)和鈸型壓電換能器(11)，所述鈸型壓電換能器(11)的鈸型側面與液壓變形囊(12)相連，所述鈸型壓電換能器(11)均通過橋式整流器(15)并聯后與儲能裝置相連。2.如權利要求1所述一種應用鈸型壓電換能器的減速帶裝置，其特征在于:所述鈸型壓電換能器(11)由位于兩邊的鈸型金屬帽(111)和位于中間的壓電陶瓷(112)組成。3.如權利要求2所述一種應用鈸型壓電換能器的減速帶裝置，其特征在于:所述液壓壓電裝置(I)下方的地面設有起支撐作用的支撐結構(3)，所述液壓壓電裝置(I)與支撐結構(3)和路面(5)接觸的兩端均設有防過載凸角(4)。4.如權利要求3所述一種應用鈸型壓電換能器的減速帶裝置，其特征在于:所述液壓壓電裝置(I)還包括外殼(13)，所述液壓變形囊(12)和鈸型壓電換能器(11)以及橋式整流器(15)均置于外殼(13)內。5.如權利要求4所述一種應用鈸型壓電換能器的減速帶裝置，其特征在于:所述外殼(13)和鈸型壓電換能器(11)之間設有起緩沖作用的橡膠墊(14)，所述鈸型壓電換能器(11)有多個，且在液壓變形囊(12)兩邊對稱分布。6.如權利要求5所述一種應用鈸型壓電換能器的減速帶裝置，其特征在于:所述減速帶基體(2)、液壓變形囊(12)和橡膠墊(14)均采用高強度橡膠制成，所述支撐結構(3)采用耐沖擊、抗高溫、抗老化及硬度高的工程塑料制成。7.如權利要求6所述一種應用鈸型壓電換能器的減速帶裝置，其特征在于:鈸型金屬帽(111)采用H62銅片制成，所述壓電陶瓷(112)采用PZT-5X壓電陶瓷材料制成，所述壓電陶瓷(112)和兩片鈸型金屬帽(111)之間采用粘銅萬能膠連接。
【文檔編號】E01F9/529GK205610504SQ201620413188
【公開日】2016年9月28日
【申請日】2016年5月9日
【發明人】于上, 王玥, 黃子葉, 薛雅菲, 劉文浩, 陳小齊
【申請人】武漢大學