專利名稱：利用公路系統(tǒng)振動(dòng)能量壓電發(fā)電的方法及系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及公路系統(tǒng)發(fā)電的方法及系統(tǒng)，特別是一種利用公路系統(tǒng)振動(dòng)能量壓電發(fā)電的方法及系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
可用來(lái)發(fā)電的能源通常包括風(fēng)力、水力、太陽(yáng)能、核能和蒸汽能。隨著對(duì)能量使用效率和保存的要求提高，開(kāi)發(fā)環(huán)保無(wú)污染的新型能源越來(lái)越成為科研的熱門課題。車輛在行駛過(guò)程中不可避免的給路面帶來(lái)壓力和沖擊，這部分能量既產(chǎn)生振動(dòng)、噪音，又影響乘坐舒適度和路面壽命，為了變廢為寶，回收利用路面能量，前人已開(kāi)發(fā)了一些系統(tǒng)和方法。
這些系統(tǒng)一般可分為機(jī)械系統(tǒng)、氣壓系統(tǒng)和液壓系統(tǒng)等類型。
典型的利用車輛行駛時(shí)向下的力來(lái)發(fā)電的機(jī)械系統(tǒng)包括齒輪機(jī)構(gòu)和其他的運(yùn)動(dòng)部件。如U.S.Pat.No.4,238,687，Martinez公開(kāi)的一個(gè)系統(tǒng)。這個(gè)系統(tǒng)通過(guò)渦輪利用路上經(jīng)過(guò)的汽車來(lái)發(fā)電。這個(gè)渦輪由與搖桿盤連接的弧形臂的下轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)驅(qū)動(dòng)。搖桿盤安裝在路面上。汽車通過(guò)它們時(shí)，這些搖桿盤被壓向下。機(jī)械系統(tǒng)的缺點(diǎn)是容易被驅(qū)使汽車向下的壓力和復(fù)位時(shí)驅(qū)使其往上的壓力磨損。
典型的氣壓系統(tǒng)包括一個(gè)氣壓活塞。這個(gè)氣壓活塞由一個(gè)安裝在路上用來(lái)轉(zhuǎn)化汽車經(jīng)過(guò)時(shí)的向下的力的作動(dòng)器來(lái)驅(qū)動(dòng)。如U.S.Pat.No.4,173,431，Smith公開(kāi)了一個(gè)道路汽車作動(dòng)的氣壓機(jī)和系統(tǒng)。這個(gè)系統(tǒng)用壓縮的空氣運(yùn)轉(zhuǎn)一個(gè)電力發(fā)生器發(fā)電。這個(gè)道路汽車作動(dòng)壓縮器包括一個(gè)被經(jīng)過(guò)的汽車的輪胎的重量往下推的作動(dòng)器。作動(dòng)器驅(qū)動(dòng)氣缸的往復(fù)式活塞來(lái)壓縮氣缸中的空氣。從汽缸中出來(lái)的壓縮空氣驅(qū)動(dòng)一個(gè)電力發(fā)生器。
一些系統(tǒng)利用液壓泵來(lái)吸收汽車經(jīng)過(guò)時(shí)向下的力，并將其轉(zhuǎn)化成有用的功，比如去驅(qū)動(dòng)一個(gè)電力發(fā)生器。如U.S.Pat.No.4,004,422，Le Van公開(kāi)了一個(gè)利用交通工具的重量來(lái)產(chǎn)生有用功的方法和裝置。在道路或軌道里置入一些充滿了液體的可變形的小室。這樣，汽車通過(guò)時(shí)它的重量會(huì)引起其中的液體的位置變化。液體位置變化的勢(shì)能不斷的轉(zhuǎn)化成機(jī)械能或電能。又如U.S.Pat.No.4,130,064，Bridwell公開(kāi)了一個(gè)利用運(yùn)動(dòng)車輛的運(yùn)動(dòng)量和重量來(lái)產(chǎn)生便于利用的能量的系統(tǒng)。這個(gè)系統(tǒng)包括一個(gè)液體位移泵。這個(gè)泵也是置于道路里的一個(gè)活動(dòng)板下或是在軌道之間的軌床中。利用這個(gè)泵可將汽車通過(guò)時(shí)的能量轉(zhuǎn)化成便于利用的能量。
壓電材料，作為一種理想的機(jī)電能量轉(zhuǎn)換材料，具有很高的能量密度，其峰值能量密度可達(dá)100～10000kW/kg，這就使利用很小體積的壓電裝置產(chǎn)生相當(dāng)功率的電能成為可能。壓電電源的工作原理是基于正壓電效應(yīng)，壓電材料是它們的核心工作物質(zhì)。
20世紀(jì)60年代末，中國(guó)科學(xué)院上海硅酸鹽所和上海精密醫(yī)療器材廠合作研究壓電手提式X光機(jī)電源，成功地獲得Umax＝60kV，Imax＝3mA的直流高壓。
Charles G.Triplett申請(qǐng)的美國(guó)專利US.No.4504761，題目是“安裝在車輛上的壓電發(fā)生器”，公開(kāi)了配置在車輛輪胎上的壓電發(fā)生器，該裝置利用車輪轉(zhuǎn)動(dòng)期間施加到輪胎上的壓力產(chǎn)生電能。
日本由NEC TOKIN與日本Heardea聯(lián)合開(kāi)發(fā)、配備采用壓電轉(zhuǎn)換元件的發(fā)電裝置的新型道路標(biāo)識(shí)已于2003年在日本亮相。該標(biāo)識(shí)外圍有受風(fēng)的羽狀物，內(nèi)部配置了壓電轉(zhuǎn)換元件和鋼球以及6個(gè)LED(發(fā)光二極管)。可利用汽車駛過(guò)時(shí)產(chǎn)生的風(fēng)旋轉(zhuǎn)標(biāo)識(shí)，標(biāo)識(shí)轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，位于由壓電轉(zhuǎn)換元件分隔成的圓形通道中鋼球就會(huì)在通道中被托起來(lái)然后再下落，隨著標(biāo)識(shí)的轉(zhuǎn)動(dòng)這種動(dòng)作周而復(fù)始。其原理就是通過(guò)鋼球下落時(shí)撞擊壓電轉(zhuǎn)換元件來(lái)發(fā)電并點(diǎn)亮LED。
金東局申請(qǐng)的中國(guó)發(fā)明專利CN 1202014A，題目是“具有連到振動(dòng)源的壓電元件的壓電發(fā)生器及其制造方法”，公布了一種利用車輛發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)械振動(dòng)能產(chǎn)生電的壓電發(fā)生器。該發(fā)明包括壓電元件和存儲(chǔ)壓電元件產(chǎn)生的電能的電路。每個(gè)壓電元件具有壓電薄膜和壓電薄膜的支持部件。把剩余壓力施加到支持部件，以使壓電元件向上彎曲。設(shè)置DC/AC轉(zhuǎn)換器，把壓電元件產(chǎn)生的直流電轉(zhuǎn)換成交流電，設(shè)置變壓器和二極管，防止從蓄電池放電。
以上例子表明利用壓電材料的正壓電效應(yīng)制作各種類型的電源是可行的，它特別適用于各種移動(dòng)設(shè)備的電源。這種電源的內(nèi)阻抗是容性的，通過(guò)壓電效應(yīng)的轉(zhuǎn)換，即使在靜態(tài)和準(zhǔn)靜態(tài)條件下工作，也能轉(zhuǎn)換K2.W機(jī)的電能(K是機(jī)電耦合系數(shù)，K2是衡量機(jī)電能量轉(zhuǎn)換的能力)。目前有多種K≥0.7的壓電材料已經(jīng)研制成功并完成產(chǎn)業(yè)化，選擇其中壓電系數(shù)d33、g33高，機(jī)械強(qiáng)度高，反復(fù)加壓后性能穩(wěn)定，介電常數(shù)較大的材料，可作為較理想的發(fā)電工作物質(zhì)。
利用壓電材料作為發(fā)電介質(zhì)來(lái)回收利用路面能量也已經(jīng)有人做過(guò)研究。雷良榆申請(qǐng)的中國(guó)發(fā)實(shí)用新型專利CN 2591264Y，題目是“路面壓電式無(wú)污染發(fā)電裝置”，公布了一種路面壓電式發(fā)電裝置。該發(fā)明包括路面覆蓋板、其下方凹坑、坑內(nèi)縱梁、橫梁及裝置于縱梁和橫梁之間的含有多層疊合壓電片的壓電發(fā)電裝置。它利用車輛從路面覆蓋板駛過(guò)時(shí)對(duì)覆蓋板的壓力產(chǎn)生電能。這一專利利用車輛行駛中對(duì)路面的壓力，使用壓電材料發(fā)電的思路非?？茖W(xué)。然而由于此專利所保護(hù)的技術(shù)沒(méi)能將發(fā)電裝置與路面結(jié)構(gòu)有機(jī)的結(jié)合起來(lái)，安裝他的裝置需要先在路面開(kāi)挖很深的凹坑，這會(huì)對(duì)公路路基路面結(jié)構(gòu)造成很大的破壞，使得他的系統(tǒng)既無(wú)法長(zhǎng)距離連續(xù)鋪設(shè)，也有一定的安全隱患。
若想大規(guī)模地使用路面振動(dòng)能量發(fā)電，所用發(fā)電裝置必須能夠和路面合理地結(jié)合起來(lái)，在不破壞路面原有結(jié)構(gòu)的同時(shí)，成為路面的一部分。這樣才能夠方便路面施工和改造。本發(fā)明的目的就是解決這一問(wèn)題。
由于壓電材料即是介電體，又是彈性體，具有正、逆壓電效應(yīng)和一般彈性體性質(zhì)，因而同時(shí)有電學(xué)和力學(xué)性質(zhì)，其電行為與機(jī)械行為是相互耦合的。利用壓電材料的這種機(jī)電耦合特性，將壓電元件與包括電阻元件、電容元件、電感元件和開(kāi)關(guān)器件等在內(nèi)的電器元件組成的電路并聯(lián)，可以組成完整的壓電阻尼系統(tǒng)。通過(guò)選定和壓電元件并聯(lián)的不同電路形式，不同電器元件的組合形式和參數(shù)大小，可以設(shè)計(jì)出不同的可控壓電阻尼形式，對(duì)結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的振動(dòng)進(jìn)行被動(dòng)、半主動(dòng)和主動(dòng)-被動(dòng)雜交的抑制和控制。
如將壓電元件和電阻并聯(lián)形成的壓電阻尼系統(tǒng)，對(duì)結(jié)構(gòu)的減振是通過(guò)焦耳熱耗散能量來(lái)實(shí)現(xiàn)，被稱為壓電黏性阻尼技術(shù)。
又如將壓電元件和電容并聯(lián)形成的壓電阻尼系統(tǒng)，可以改變壓電元件的有效剛度，利用這種原理，可以研制具有機(jī)械動(dòng)力吸振器性質(zhì)的壓電阻尼減振系統(tǒng)。
又如將壓電元件和開(kāi)關(guān)元件并聯(lián)形成的轉(zhuǎn)換型半主動(dòng)壓電阻尼系統(tǒng)，通過(guò)開(kāi)關(guān)元件斷開(kāi)和閉合的轉(zhuǎn)換，可以實(shí)現(xiàn)等效剛度的較大改變，從而控制振動(dòng)能量在結(jié)構(gòu)系統(tǒng)中的流向。
壓電阻尼減振技術(shù)已在若干的體育運(yùn)動(dòng)用品中得到應(yīng)用。例如，美國(guó)K2公司的設(shè)計(jì)者將壓電材料嵌入進(jìn)雪橇中，當(dāng)雪橇因振動(dòng)發(fā)生變形時(shí)，壓電材料也隨之發(fā)生變形，將振動(dòng)能轉(zhuǎn)化為電能；并使用電阻和壓電材料并聯(lián)形成壓電阻尼系統(tǒng)，將這些能量以焦耳熱的形式耗散。
在路面中應(yīng)用壓電阻尼技術(shù)，除了可以減振降噪以外，還有一個(gè)非常有前景的用途，就是在冬季下雪時(shí)，通過(guò)將振動(dòng)能轉(zhuǎn)化的電能以熱能方式耗散的方法來(lái)延緩、減少或融化路面積雪。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于，提出一種利用公路系統(tǒng)振動(dòng)能量壓電發(fā)電的方法及系統(tǒng)，本發(fā)明提出的公路系統(tǒng)振動(dòng)能量壓電發(fā)電的方法及系統(tǒng)在不破壞道路原有結(jié)構(gòu)的同時(shí)收集耗散的能量用來(lái)發(fā)電，提供了一個(gè)新的電力供應(yīng)途徑，具有顯著的經(jīng)濟(jì)價(jià)值和社會(huì)價(jià)值。
另外，在利用振動(dòng)能量壓電發(fā)電的過(guò)程中，采用適當(dāng)?shù)目刂品椒?，可以使本系統(tǒng)起到半主動(dòng)減振的作用。在冬季下雪時(shí)，還可以通過(guò)將轉(zhuǎn)化的電能以熱能方式耗散的方法來(lái)延緩、減少或融化路面積雪。
為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用如下技術(shù)措施一種利用公路系統(tǒng)振動(dòng)能量壓電發(fā)電的方法，將壓電裝置直接鋪設(shè)于公路路面中，對(duì)路面上行駛的車輛所產(chǎn)生的振動(dòng)能量進(jìn)行收集并轉(zhuǎn)換為電能，并作為一種電力供應(yīng)加以存儲(chǔ)和利用。
上述方法包括以下步驟a.在公路路面中鋪設(shè)至少一個(gè)壓電裝置，用于接收公路路面的振動(dòng)能量，該壓電裝置中的壓電材料作為工作介質(zhì)，并利用正壓電效應(yīng)將振動(dòng)能量轉(zhuǎn)化成電能；b.將壓電裝置產(chǎn)生的電能送至一個(gè)電力變換裝置中，由該電力變換裝置對(duì)電能進(jìn)行調(diào)整和變換；c.電力變換裝置調(diào)整和變換后的電能由儲(chǔ)能裝置或最終用電負(fù)載接收，并對(duì)電能進(jìn)行存儲(chǔ)或利用。
本發(fā)明的方法的其它特點(diǎn)是，所述的電力變換裝置包括控制模塊和功率模塊，由控制模塊發(fā)出指令，功率模塊接收并執(zhí)行指令，對(duì)電能的產(chǎn)生、存儲(chǔ)和利用加以控制。
所述的電力變換裝置調(diào)整和變換后的電能由儲(chǔ)能裝置接收時(shí)，電力變換裝置對(duì)儲(chǔ)能裝置的充電電壓和電流進(jìn)行控制。
所述的電力變換裝置調(diào)整和變換后的電能由最終用電負(fù)載接收時(shí)，電力變換裝置對(duì)最終用電負(fù)載的供電電壓和電流進(jìn)行控制。
所述的電力變換裝置對(duì)電能的調(diào)整和變換包括以下步驟1)整流過(guò)程，將壓電材料產(chǎn)生的交流電變?yōu)橹绷麟姡?
2)DC/DC變換過(guò)程，對(duì)步驟1)產(chǎn)生的直流電進(jìn)行電壓和電流變換。
所述的電力變換裝置中含有以控制器為核心的控制模塊，并安裝檢測(cè)經(jīng)過(guò)路面的車輛運(yùn)動(dòng)的傳感器，由控制器執(zhí)行控制策略，在利用路過(guò)車輛引起的路面振動(dòng)能量發(fā)電的同時(shí)，對(duì)公路路面振動(dòng)和噪聲進(jìn)行半主動(dòng)減振控制，實(shí)現(xiàn)顯著的控制效果。
實(shí)現(xiàn)上述方法的公路系統(tǒng)的振動(dòng)能量壓電發(fā)電系統(tǒng)，其特征在于，該系統(tǒng)包括至少一個(gè)置于公路路面下方的壓電裝置，用于將振動(dòng)能量轉(zhuǎn)換為電能；一個(gè)電力變換裝置，由功率模塊和控制模塊組成，功率模塊用于調(diào)整和轉(zhuǎn)換壓電裝置產(chǎn)生的電能，并將電能用于儲(chǔ)能裝置或最終用電負(fù)載；控制模塊通過(guò)對(duì)功率模塊的功率元件進(jìn)行控制，使振動(dòng)能量轉(zhuǎn)化成電能，并為儲(chǔ)能裝置存儲(chǔ)或最終用電負(fù)載利用；一個(gè)儲(chǔ)能裝置或最終用電負(fù)載，用于存儲(chǔ)和利用電力變換裝置調(diào)整后的電能；上述壓電裝置與電力變換裝置連接，電力變換裝置分別與儲(chǔ)能裝置或最終用電負(fù)載相連。
上述系統(tǒng)的其它特點(diǎn)是，所述壓電裝置鋪設(shè)于路面內(nèi)或路面與路基之間，或直接用壓電裝置做為路面結(jié)構(gòu)層；壓電裝置包含有壓電元件。
所述的壓電元件由單片或多層壓電薄片組成，或采用積層式壓電堆結(jié)構(gòu)。
所述的壓電元件為壓電陶瓷或鐵電性壓電材料或壓電復(fù)合材料。
所述電力變換裝置的功率模塊包括全橋整流裝置和DC/DC變換器，全橋整流裝置和壓電元件的電能輸出端子相連，用于將壓電元件產(chǎn)生的交流電轉(zhuǎn)換成直流電；DC/DC變換器和全橋整流裝置連接，用于調(diào)整全橋整流裝置輸出的電壓和電流；功率開(kāi)關(guān)器件在DC/DC變換器中，用來(lái)執(zhí)行控制信號(hào)傳達(dá)的指令。
所述電力變換裝置的控制模塊包括傳感器、濾波電路、控制器和光電隔離電路；傳感器置于壓電裝置、電力變換裝置的功率模塊上，用于獲得微處理器所需的信號(hào)；控制器通過(guò)濾波電路與傳感器相連，獲得傳感器得到的信號(hào)，并輸出控制信號(hào)；控制信號(hào)經(jīng)光電隔離電路，送至功率模塊的功率開(kāi)關(guān)器件的控制端。
所述公路系統(tǒng)包括高速公路、普通公路以及沿途橋梁、隧道以及機(jī)場(chǎng)跑道及其它專用的特殊用途路面。
本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比，具有如下優(yōu)點(diǎn)1)提供了新的能量來(lái)源，將以往未加以充分利用的公路系統(tǒng)振動(dòng)能量加以利用；2)由于壓電發(fā)電是一種介質(zhì)發(fā)電方式，與采用普通發(fā)電機(jī)方式發(fā)電相比，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，響應(yīng)快，特別適合交變動(dòng)力驅(qū)動(dòng)方式。
3)由于壓電材料具有很高的能量密度，因此壓電裝置體積小、重量輕，便于安裝和對(duì)現(xiàn)有公路系統(tǒng)進(jìn)行改造；4)本系統(tǒng)應(yīng)用廣泛，可用于多種不同路面結(jié)構(gòu)類型；5)在利用振動(dòng)能量壓電發(fā)電的過(guò)程中，采用適當(dāng)?shù)目刂品椒?，可以使本系統(tǒng)在發(fā)電同時(shí)起到半主動(dòng)減振和降噪的作用。
6)寒冷地區(qū)冬季下雪時(shí)，鋪設(shè)壓電裝置的路面可以將已儲(chǔ)存的電力輸回壓電材料，利用逆壓電效應(yīng)通過(guò)將電能在路面內(nèi)以熱能耗散的方法減少或融化部分積雪，延緩路面積雪。


圖1是本發(fā)明的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖；圖2是本發(fā)明第一實(shí)施壓例中壓電裝置的安裝位置示意圖；圖3是第一實(shí)施例中壓電裝置的原理圖；
圖4是第一實(shí)施例中電力變換裝置中功率模塊的電路原理圖；圖5是本發(fā)明電力變換裝置的控制原理圖；圖6是本發(fā)明第二實(shí)施壓例中壓電裝置的安裝位置示意圖；圖7是第二實(shí)施例中電力變換裝置中功率模塊的電路原理圖。
圖8是本發(fā)明第三實(shí)施壓例中壓電裝置的安裝位置示意圖，其中a)是瀝青路面，b)是水泥路面。
以下結(jié)合附圖和發(fā)明人給出的實(shí)施例，對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步的詳細(xì)描述。
具體實(shí)施例方式
參見(jiàn)圖1～8，依照本發(fā)明的技術(shù)方案，第一實(shí)施例的技術(shù)路線是對(duì)于以瀝青路面為代表的柔性路面，若在筑路時(shí)直接鋪設(shè)，可在鋪設(shè)好路基和路面墊層、基層后，將壓電裝置鋪設(shè)于路面面層內(nèi)；也可在老路加鋪罩面層或磨耗層前，先鋪設(shè)一層壓電裝置。壓電裝置可以全路面鋪設(shè)，也可根據(jù)輪跡橫向分布鋪設(shè)成條帶狀，如圖2所示。圖2中由上之下各層依次為5瀝青磨耗層，6壓電裝置，1瀝青面層，2基層，3墊層和4路基。
圖3給出了第一實(shí)施例中壓電裝置的結(jié)構(gòu)。該裝置由絕緣層7、壓電堆8組成。車輛由路面駛過(guò)時(shí)，在車輛壓力和行駛引起的路面振動(dòng)的作用下，壓電堆8不斷的受壓、放松從而產(chǎn)生應(yīng)變。
根據(jù)壓應(yīng)力作用下的壓電材料產(chǎn)生的電壓和一次儲(chǔ)能公式U＝Q/C (1)W=12QU---(2)]]>可以看到一次受壓儲(chǔ)能的能力是跟壓電材料受壓后的電壓的平方成正比的。壓電材料產(chǎn)生電壓的公式為U=g33tlWF---(3)]]>Q＝d33F (4)其中g(shù)33是壓電縱向電壓常數(shù)，l，W和t分別是壓電材料的長(zhǎng)、寬和厚度。從公式(3)可知，壓電材料受應(yīng)力產(chǎn)生的電壓與其所受的力F成正比。振動(dòng)力傳遞給了壓電堆8，在壓電堆8上產(chǎn)生一個(gè)應(yīng)變。根據(jù)正壓電效應(yīng)原理，壓電材料表面會(huì)產(chǎn)生電荷，從而形成公式(1)中的電勢(shì)。由公式(3)，這個(gè)電壓與壓電材料的厚度t成正比。為了降低該電壓，采用多層壓電薄片制成的積層式壓電堆。這種設(shè)計(jì)可以保證既可以提供足夠體積的工作物質(zhì)，又能使壓電材料產(chǎn)生的電壓不至于過(guò)高，便于電力變換裝置對(duì)電能進(jìn)行轉(zhuǎn)換和回收。壓電堆8采用復(fù)合壓電橡膠材料，根據(jù)所選材料型號(hào)的不同，其機(jī)電耦合系數(shù)K33為0.7～0.92，具有較高的機(jī)電轉(zhuǎn)換效率。對(duì)于車輛軌道所處的工況，采用上述壓電裝置，壓電材料的能量密度較容易達(dá)到0.6kW/kg以上。
壓電堆8也可以為單片式壓電元件所代替；當(dāng)壓電元件產(chǎn)生的電壓過(guò)高時(shí)，應(yīng)先將所產(chǎn)生的電能經(jīng)變壓器處理降低電壓，再與電力變換裝置相連接。
電力變換裝置包括功率模塊和控制模塊。圖4給出了第一實(shí)施例中電力變換裝置的功率模塊的電路原理圖。該電路由整流器和DC/DC變換器兩大部分組成。整流器采用全橋整流電路，由4個(gè)二極管D1、D2、D3和D4構(gòu)成。DC/DC變換器由電感L1、電容C、功率開(kāi)關(guān)器件K1和續(xù)流二極管D5組成，實(shí)現(xiàn)按斬波方式工作的降壓電路。功率開(kāi)關(guān)器件K1采用IGBT IPM智能功率模塊，模塊內(nèi)含有IGBT必需的驅(qū)動(dòng)和保護(hù)電路。在第一實(shí)施例中，電力變換裝置向儲(chǔ)能裝置充電，儲(chǔ)能裝置為鉛酸蓄電池。
電力變換裝置對(duì)電能的調(diào)整和變換包括以下步驟整流過(guò)程，將壓電材料產(chǎn)生的交流電變?yōu)橹绷麟?；DC/DC變換過(guò)程，對(duì)整流過(guò)程產(chǎn)生的直流電進(jìn)行電壓和電流變換。
變壓過(guò)程，當(dāng)壓電材料產(chǎn)生的電壓過(guò)高時(shí)，先進(jìn)行降壓處理，將電壓降低，為其后的整流過(guò)程做好準(zhǔn)備。
圖5給出了本發(fā)明電力變換裝置的控制原理圖，控制模塊由電流電壓傳感器、濾波電路、微處理器和光電隔離電路組成。
電力變換裝置的功率模塊包括全橋整流裝置和DC/DC變換器。全橋整流裝置的輸入端和壓電元件的電能輸出端子相連，用于將壓電元件產(chǎn)生的交流電轉(zhuǎn)換成直流電；DC/DC變換器和全橋整流裝置連接，用于調(diào)整由全橋整流裝置輸出的電壓和電流；功率開(kāi)關(guān)器件在DC/DC變換器中，用來(lái)執(zhí)行控制信號(hào)傳達(dá)的指令。
微處理器采用TI公司DSP芯片TMS320LF2407。電壓傳感器采用電流型500V電壓傳感器，電流傳感器采用電流型200A電流傳感器。電流電壓傳感器用來(lái)采集DC/DC變換器輸出端的電壓和電流信號(hào)，經(jīng)濾波電路處理，送至DSP的A/D端口進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，采集結(jié)果經(jīng)DSP處理后，以PWM的形式輸出控制信號(hào)。PWM信號(hào)經(jīng)由光電隔離電路，送至功率開(kāi)關(guān)器件的驅(qū)動(dòng)電路，對(duì)功率管K1的開(kāi)關(guān)狀態(tài)進(jìn)行控制。信號(hào)采集和控制周期為1ms；PWM調(diào)制頻率范圍為10kHz～20kHz。濾波器采用典型的由運(yùn)算放大器搭建的濾波電路，光電隔離電路由光電耦合器實(shí)現(xiàn)?？刂颇K所需的各種電平由路面控制室蓄電池經(jīng)普通DC/DC開(kāi)關(guān)電源提供。
所述儲(chǔ)能裝置或?yàn)楦鞣N蓄電池、超級(jí)電容和飛輪；最終用電負(fù)載可以為電阻性負(fù)載、電感性負(fù)載、電容性負(fù)載或它們的組合。
本發(fā)明的具體工作原理是路面車輛運(yùn)行過(guò)程中，由于路面振動(dòng)的作用，鋪設(shè)于路面下的壓電裝置不斷受到變化的應(yīng)力作用。數(shù)噸的應(yīng)力被加載在壓電裝置中的壓電元件上，在壓電元件的兩極產(chǎn)生了電荷和電壓，根據(jù)設(shè)計(jì)，開(kāi)路最高電壓被限定在500V以下。當(dāng)電壓的絕對(duì)值高于整流器右側(cè)的電容器C電壓時(shí)，壓電元件向電容C充電；否則，壓電元件為開(kāi)路。在電力變換裝置中，控制模塊通過(guò)對(duì)傳感器信號(hào)的采樣值，進(jìn)行對(duì)PWM信號(hào)占空比的調(diào)節(jié)。當(dāng)占空比增大，功率管導(dǎo)通時(shí)間增長(zhǎng)，即充電時(shí)間增長(zhǎng)，電容C的端點(diǎn)壓下降，壓電元件向電容C充電的導(dǎo)通電壓降低；當(dāng)占空比減小，功率管導(dǎo)通時(shí)間減少，即充電時(shí)間減少，電容C的端點(diǎn)壓上升，壓電元件向電容C充電的導(dǎo)通電壓升高。通過(guò)PI控制算法，可以讓電池兩端的充電電壓維持在某一設(shè)定值，而該設(shè)定值可以通過(guò)試驗(yàn)或自適應(yīng)算法加以設(shè)定。設(shè)定該值的原則是使更多的振動(dòng)能量轉(zhuǎn)化為電能。電感L1和D5可以在功率管K1斷開(kāi)時(shí)和蓄電池構(gòu)成續(xù)流回路，繼續(xù)向電池充電。通過(guò)傳感器對(duì)蓄電池充電電壓和充電電流進(jìn)行的檢測(cè)，當(dāng)蓄電池已充滿時(shí)，控制器停止對(duì)蓄電池進(jìn)行充電。
下面給出第二實(shí)施例，用以說(shuō)明系統(tǒng)在實(shí)現(xiàn)振動(dòng)能量發(fā)電的同時(shí)，還對(duì)路面的振動(dòng)和噪聲進(jìn)行半主動(dòng)控制。第二實(shí)施例是和第一實(shí)施例的區(qū)別在于，壓電裝置安裝于水泥路面等剛性路面，安裝位置如圖6所示。圖6中由上之下各層依次為路面2，復(fù)合壓電層9、壓電堆10和路基11。
第二實(shí)施例中壓電裝置為復(fù)合壓電層9和壓電堆10，分別由多層壓電復(fù)合材料(如壓電橡膠等)和鐵電性壓電片堆疊而成，各層間為并聯(lián)，并在其中置入檢測(cè)路面振動(dòng)速度的速度傳感器；電力變換裝置的功率模塊采用圖7所示的原理圖，同時(shí)采用了在發(fā)電同時(shí)實(shí)施半主動(dòng)減振的控制策略。復(fù)合壓電層9和壓電堆10均可以單獨(dú)使用。
以1-0-3型壓電復(fù)合材料為例，在上述的工況下，較容易實(shí)現(xiàn)1kW/kg以上的能量密度。
圖7給出了第二實(shí)施例中電力變換裝置的電路原理圖。它和圖4的區(qū)別在于增加了一個(gè)受DSP芯片控制的IGBT IPM智能功率模塊K2，它被置于全橋整流電路的正輸出端和電容C的正極之間。
下面分析電路的工作原理。電路的控制系統(tǒng)根據(jù)速度傳感器信號(hào)判斷水泥路面振動(dòng)的運(yùn)動(dòng)速度。當(dāng)速度為向上時(shí)，控制器給出控制信號(hào)，使功率器件K1斷開(kāi)，K2導(dǎo)通，并且當(dāng)壓電元件產(chǎn)生的電壓絕對(duì)值也高于電容C兩端的電壓時(shí)，整流器導(dǎo)通，壓電元件的等效剛度減少，減緩路面的向上運(yùn)動(dòng)，壓電元件向電容C充電；當(dāng)速度為向下時(shí)，控制器給出控制信號(hào)，使功率器件K2斷開(kāi)，壓電元件的等效剛度增大，抑制路面的向下運(yùn)動(dòng)，壓電元件的變形能由機(jī)械剛度和壓電電容存儲(chǔ)，同時(shí)K1由PWM波控制，按一定的占空比，電容C對(duì)蓄電池進(jìn)行充電。通過(guò)對(duì)K1占空比的調(diào)節(jié)，可使蓄電池獲得合理的充電電壓和充電時(shí)間。從上面論述可以看出，電容C充電過(guò)程和蓄電池充電過(guò)程在時(shí)間上交替進(jìn)行，電容C充電過(guò)程對(duì)應(yīng)于路面向上運(yùn)動(dòng)過(guò)程，蓄電池充電過(guò)程對(duì)應(yīng)于路面向下運(yùn)動(dòng)過(guò)程。同時(shí)，由于壓電元件產(chǎn)生的電壓遠(yuǎn)高于蓄電池的電壓，所以整個(gè)系統(tǒng)的死區(qū)很小，保證系統(tǒng)具有較高的發(fā)電和減振降噪效率。
下面給出第三實(shí)施例，與前兩個(gè)實(shí)施例不同，第三實(shí)施中直接用壓電材料作為路面結(jié)構(gòu)層，如圖8所示。圖8a)所示為以瀝青路面為代表的柔性路面，其中面層1內(nèi)部由上之下各層依次為磨耗層5，壓電瀝青層6，普通瀝青層12。圖8b)所示為以水泥路面為代表的剛性路面，其中面層1內(nèi)部由上之下各層依次為磨耗層5，壓電水泥層6，復(fù)合壓電層9。在一些應(yīng)用中，壓電水泥層和復(fù)合壓電層可以單獨(dú)使用。
第三實(shí)施例中的壓電裝置為壓電瀝青層、壓電水泥層和復(fù)合壓電層。復(fù)合壓電層采用壓電復(fù)合材料制成；壓電瀝青層由壓電瀝青材料鋪設(shè)而成，上下兩面均經(jīng)過(guò)絕緣處理，經(jīng)過(guò)極化并有引出的電極；壓電水泥層采用壓電水泥材料鋪設(shè)而成，上下兩面均經(jīng)過(guò)絕緣處理，經(jīng)過(guò)極化并有引出的電極。所有壓電裝置通過(guò)其上的電極和電力變換裝置連接。第三實(shí)施例中的的壓電裝置可采用第一或第二實(shí)施例所示方式與電力變換裝置相連接。
雖然已經(jīng)參照以上三個(gè)實(shí)施例討論了用于路面振動(dòng)能量壓電發(fā)電系統(tǒng)，但應(yīng)理解，路面振動(dòng)能量壓電發(fā)電系統(tǒng)的構(gòu)造細(xì)節(jié)和各部件與元件的配置不限于實(shí)施例中所述情形，因而在不背離本發(fā)明的技術(shù)原理的原則下，可作出各種改變和變形。
如第一實(shí)施例中也可采用第二實(shí)施例中電力變換裝置的功率模塊的電路和相應(yīng)的控制方法；如第二實(shí)施例中也可采用第一實(shí)施例中電力變換裝置的功率模塊的電路和相應(yīng)的控制方法。
如電力變換裝置的功率模塊包括整流裝置，DC/DC變換器和相關(guān)接口電路和必要的變壓裝置。
如電力變換裝置的功率器件采用各種廣泛使用的器件，包括但不限于功率晶體管GTR、金屬-氧化物-半導(dǎo)體型場(chǎng)效應(yīng)晶體管MOSFET、絕緣柵雙極型晶體管IGBT和門極關(guān)斷晶閘管GTO。
如控制器采用模擬控制器、數(shù)字控制器和模擬數(shù)字混合控制器，模擬控制器包括分立元件構(gòu)成的模擬控制器或可編程模擬器件構(gòu)成的控制器，數(shù)字控制器包括微處理器、單片機(jī)、DSP、CPLD和FPGA其中的一種；如傳感器采用電壓傳感器或電流傳感器或機(jī)械傳感器。
如儲(chǔ)能裝置為各種蓄電池、超級(jí)電容和飛輪。
如最終用電負(fù)載為電阻性負(fù)載或電感性負(fù)載或電容性負(fù)載或它們的組合。
雖然已經(jīng)展示并描述了本實(shí)施例的壓電式振動(dòng)能量變換系統(tǒng)，其中，壓電裝置鋪設(shè)于路面中或路面與路基之間，或直接作為路面結(jié)構(gòu)組成部分，用于將振動(dòng)能量轉(zhuǎn)換為電能，但應(yīng)理解，利用壓電效應(yīng)來(lái)實(shí)現(xiàn)能量的回收，壓電裝置的安裝可不限于圖2、圖6、圖8所示位置。壓電裝置也可安裝于路面其他部位，比如水泥路面的橫縫中或其它位置，并以串聯(lián)或并聯(lián)方式與路面連接。
雖然以上文已參照特定的實(shí)施例和本發(fā)明的例子描述了本發(fā)明，但本發(fā)明不限于以上描述的實(shí)施例。按照本發(fā)明的技術(shù)原理，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員按照上述技術(shù)原理對(duì)上述實(shí)施例進(jìn)行修改和變形均屬于本發(fā)明的保護(hù)范圍。
權(quán)利要求
1.一種利用公路系統(tǒng)振動(dòng)能量壓電發(fā)電的方法，其特征在于，將壓電裝置鋪設(shè)于公路路面內(nèi)，對(duì)路面上行駛的車輛所產(chǎn)生的振動(dòng)能量進(jìn)行收集并轉(zhuǎn)換為電能，并作為一種電力供應(yīng)加以存儲(chǔ)和利用。
2.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，該方法包括以下步驟a.在公路路面中鋪設(shè)至少一個(gè)壓電裝置，用于吸收公路路面中行駛車輛所產(chǎn)生的振動(dòng)能量，該壓電裝置中的壓電材料作為工作介質(zhì)，在壓電效應(yīng)作用下將振動(dòng)能量轉(zhuǎn)化成電能；b.將壓電裝置產(chǎn)生的電能送至一個(gè)電力變換裝置中，由該電力變換裝置對(duì)電能進(jìn)行調(diào)整和變換；c.電力變換裝置調(diào)整和變換后的電能供給儲(chǔ)能裝置或最終用電負(fù)載，進(jìn)行電能的存儲(chǔ)或利用。
3.如權(quán)利要求2所述的方法，其特征在于，所述的電力變換裝置調(diào)整和變換后的電能由儲(chǔ)能裝置接收時(shí)，電力變換裝置對(duì)儲(chǔ)能裝置的充電電壓和電流進(jìn)行控制；所述的電力變換裝置調(diào)整和變換后的電能由最終用電負(fù)載接收時(shí)，電力變換裝置對(duì)最終用電負(fù)載的供電電壓和電流進(jìn)行控制。
4.如權(quán)利要求2所述的方法，其特征在于，所述的電力變換裝置對(duì)電能的調(diào)整和變換包括以下步驟1)整流過(guò)程，將壓電材料產(chǎn)生的交流電變?yōu)橹绷麟姡?)DC/DC變換過(guò)程，對(duì)步驟1)產(chǎn)生的直流電進(jìn)行電壓和電流變換。
5.如權(quán)利要求2所述的利用公路系統(tǒng)振動(dòng)能量壓電發(fā)電的方法，其特征在于，所述的電力變換裝置中含有以控制器為核心的控制模塊，并安裝檢測(cè)路面車輛運(yùn)動(dòng)的傳感器，由控制器執(zhí)行控制策略，在利用公路振動(dòng)能量發(fā)電的同時(shí)，對(duì)軌道振動(dòng)進(jìn)行半主動(dòng)減振和降噪控制。
6.一種利用公路系統(tǒng)振動(dòng)能量壓電發(fā)電系統(tǒng)，其特征在于，該系統(tǒng)包括至少一個(gè)置于公路路面下方的壓電裝置，用于將振動(dòng)能量轉(zhuǎn)換為電能；一個(gè)電力變換裝置，由功率模塊和控制模塊組成，功率模塊用于調(diào)整和轉(zhuǎn)換壓電裝置產(chǎn)生的電能，并將電能用于儲(chǔ)能裝置或最終用電負(fù)載；控制模塊通過(guò)對(duì)功率模塊的功率元件進(jìn)行控制，使振動(dòng)能量轉(zhuǎn)化成電能，并為儲(chǔ)能裝置存儲(chǔ)或最終用電負(fù)載利用；至少一個(gè)儲(chǔ)能裝置或最終用電負(fù)載，用于存儲(chǔ)和利用電力變換裝置調(diào)整后的電能；上述壓電裝置與電力變換裝置連接，電力變換裝置分別與儲(chǔ)能裝置或最終用電負(fù)載相連。
7.如權(quán)利要求6中所述的系統(tǒng)，其特征在于所述壓電裝置鋪設(shè)于路面內(nèi)或直接用壓電材料作為路面結(jié)構(gòu)層；壓電裝置包含有壓電元件；上述壓電元件由單片或多層壓電薄片組成，或采用積層式壓電堆結(jié)構(gòu)。
8.如權(quán)利要求6所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述壓電裝置直接作為路面組成部分。
9.如權(quán)利要求7或8所述的系統(tǒng)，其特征在于所述的壓電裝置中的壓電元件包括壓電陶瓷，鐵電性壓電材料，壓電聚合物和壓電復(fù)合材料其中之一或其組合。
10.如權(quán)利要求6所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述電力變換裝置的功率模塊包括全橋整流裝置和DC/DC變換器，全橋整流裝置和壓電元件的電能輸出端子相連，用于將壓電元件產(chǎn)生的交流電轉(zhuǎn)換成直流電；DC/DC變換器和全橋整流裝置連接，用于調(diào)整脈全橋整流裝置輸出的電壓和電流；功率開(kāi)關(guān)器件在DC/DC變換器中，用來(lái)執(zhí)行控制信號(hào)傳達(dá)的指令。
11.如權(quán)利要求6所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述電力變換裝置的控制模塊包括傳感器、濾波電路、控制器和光電隔離電路；傳感器置于壓電裝置和電力變換裝置的功率模塊上，用于獲得控制器所需的信號(hào)；控制器通過(guò)濾波電路與傳感器相連，獲得傳感器得到的信號(hào)，并輸出控制信號(hào)；控制信號(hào)經(jīng)光電隔離電路，送至功率模塊的功率開(kāi)關(guān)器件的控制端。
12.如權(quán)利要求6所述系統(tǒng)，其特征在于，所述公路系統(tǒng)包括高速公路、普通公路和沿途橋梁、隧道以及機(jī)場(chǎng)跑道及其它專門用途路面的其中之一；其路面類型包括剛性路面或半剛性路面或柔性路面。
全文摘要
本發(fā)明公開(kāi)了一種利用公路系統(tǒng)振動(dòng)能量壓電發(fā)電的方法及其系統(tǒng)，將壓電裝置鋪設(shè)于路面內(nèi)或直接用壓電材料作為路面組成部分，利用振動(dòng)能量產(chǎn)生電能，并作為電力供應(yīng)加以存儲(chǔ)和利用。該系統(tǒng)包括至少一個(gè)置于公路路面中的壓電裝置，用于將振動(dòng)能量轉(zhuǎn)換為電能；一個(gè)電力變換裝置，用于調(diào)整和轉(zhuǎn)換壓電裝置產(chǎn)生的電能，并將電能用于儲(chǔ)能裝置；一個(gè)儲(chǔ)能裝置，用于存儲(chǔ)電力變換裝置調(diào)整后的電能；上述壓電裝置與電力變換裝置連接，電力變換裝置與儲(chǔ)能裝置連接。本發(fā)明將公路系統(tǒng)的振動(dòng)能量加以利用，具有顯著經(jīng)濟(jì)價(jià)值和社會(huì)價(jià)值。本發(fā)明還具有半主動(dòng)減振和降噪的作用，并且在冬季還可用來(lái)延緩、減少或消除路面積雪。
文檔編號(hào)H01L41/113GK1633009SQ20051004160
公開(kāi)日2005年6月29日 申請(qǐng)日期2005年1月4日 優(yōu)先權(quán)日2005年1月4日
發(fā)明者曹秉剛, 高振華, 宋振平, 徐健, 康龍?jiān)?申請(qǐng)人:西安交通大學(xué)