利用壓電技術(shù)在軌道交通上產(chǎn)生再生能源的方法
【專利摘要】利用壓電技術(shù)在軌道交通上產(chǎn)生再生能源的方法。其方案是將壓電晶體分別置入于兩根鋼軌與軌枕的各個(gè)減震墊之間；考慮到為了產(chǎn)生壓電效應(yīng)的連續(xù)性又不至于發(fā)生太高的頻率而降低效率，在區(qū)間列車高速運(yùn)行區(qū)域?qū)弘姄Q能晶體以奇、偶跳接的方式連成兩路線，這樣在列車高速運(yùn)行時(shí)，從外部進(jìn)入處理系統(tǒng)的奇、偶雙脈沖高壓電任何一路的頻率都不致過高。在靠近車站兩側(cè)及坡道兩側(cè)可能產(chǎn)生正、負(fù)加速度等的行車緩慢區(qū)域內(nèi)，將軌枕的兩側(cè)分別以連續(xù)并聯(lián)的方法接線。連接后的總線接入脈沖高壓電處理裝置，處理裝置內(nèi)設(shè)有壓電脈沖半波電壓計(jì)算機(jī)自動(dòng)收集調(diào)整之功能，調(diào)整后進(jìn)行整流再進(jìn)行逆變?yōu)楣ゎl電后，將其輸入電網(wǎng)。
【專利說明】利用壓電技術(shù)在軌道交通上產(chǎn)生再生能源的方法
所屬【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于軌道交通領(lǐng)域。人類在軌道交通上的發(fā)展已經(jīng)走過了百年以上的歷史，由于軌道交通的大容量、節(jié)能環(huán)保及高效快速等優(yōu)越性，近年來在世界各國(guó)、特別是人口稠密地區(qū)都得到了快速發(fā)展。然而，在現(xiàn)代民用高能耗產(chǎn)業(yè)中，集合多學(xué)科技術(shù)發(fā)展再生能源是不可回避的新課題，軌道交通正是符合這種相對(duì)較高能耗的產(chǎn)業(yè)。收集輪軌壓力所產(chǎn)生的能量，即采用壓電技術(shù)來收集輪軌壓力的能量，在不給軌道交通帶來行車影響的前提下，將其輪軌壓力能量進(jìn)行收集后再利用，這將是再生能源的發(fā)展方向及目標(biāo)。
【背景技術(shù)】
[0002]壓電效應(yīng)是1880年由居里兄弟及杰克斯首先發(fā)現(xiàn)的。經(jīng)過了 100多年的實(shí)際應(yīng)用及不斷成熟后，今天，這項(xiàng)技術(shù)已經(jīng)被廣泛應(yīng)用到航天、航海、軍事及大量的民用科技中，其中最簡(jiǎn)單的民用品中有壓電打火機(jī)、壓電打火電子爐灶等。
[0003]壓電是指:當(dāng)晶體受到某固定方向外力的作用時(shí)，內(nèi)部就產(chǎn)生電極化現(xiàn)象，同時(shí)在某兩個(gè)表面上產(chǎn)生符號(hào)相反的電荷；當(dāng)外力撤去后，晶體又恢復(fù)到不帶電的狀態(tài)；晶體受力所產(chǎn)生的電荷量與外力的大小成正比。
[0004]壓電打火機(jī)、壓電打火電子爐灶等手動(dòng)壓電設(shè)施，可產(chǎn)生瞬間不小于3000伏特的高壓電，本發(fā)明是將這種壓力生電效應(yīng)應(yīng)用到軌道交通的鋼軌與軌枕銜接處，當(dāng)列車通過時(shí)由車輪的壓力在傳遞到軌枕前，先將巨大的壓力觸及到本案所涉及到的壓電晶體上，然后再將壓力傳到軌枕上，在壓力觸及到壓電晶體上時(shí)，使其瞬間極化發(fā)出高壓電。
[0005]本技術(shù)方法是在考慮到不給軌道交通帶來任何行車影響的前提下發(fā)明的，它不直接與軌道交通各專業(yè)發(fā)生直接關(guān)系，晶體的厚度是毫米量級(jí)的，在受壓時(shí)可不考慮形變，因此它也不會(huì)給軌道交通造成任何安全隱患。本案是將壓電技術(shù)引入軌道交通使其產(chǎn)生再生能源的技術(shù)，亦即利用機(jī)械壓電方法來收集車輛通過時(shí)輪軌碾壓軌道的能量。利用大量收集輪軌碾壓的壓電能量，可為軌道交通增加一個(gè)新的、有利用價(jià)值的再生能來源。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]本案是將壓電技術(shù)、即將機(jī)械壓力轉(zhuǎn)換成電能的方法，應(yīng)用到軌道交通上的。壓電技術(shù)的原理是當(dāng)具有壓電特性的晶體在受到某固定方向外力的作用時(shí)，內(nèi)部就產(chǎn)生電極化現(xiàn)象，同時(shí)在某兩個(gè)表面上產(chǎn)生符號(hào)相反的電荷；當(dāng)外力撤去后，晶體又恢復(fù)到不帶電的狀態(tài)；晶體受力所產(chǎn)生的電荷量與外力的大小成正比。壓電晶體是各相異性的。本案的方法為:將這種晶體的壓電效應(yīng)利用到軌道交通的鋼軌與軌枕接觸處，當(dāng)列車通過時(shí)產(chǎn)生的強(qiáng)大的重力施壓于鋼軌，在此重力由鋼軌傳遞到軌枕之前，先施力于晶體壓電換能器上，使之產(chǎn)生強(qiáng)大的脈沖高壓電。每根軌枕上都鋪設(shè)此種換能器，列車在通過該段線路時(shí)，便可產(chǎn)生連續(xù)的脈沖高壓電，再經(jīng)現(xiàn)已成熟的技術(shù)進(jìn)行收集，并進(jìn)行變頻調(diào)壓后向電網(wǎng)供電，也可經(jīng)整流后向蓄電池充電，便可達(dá)到本發(fā)明收集再生能源的目的了。
[0007]在分析產(chǎn)生脈沖高壓電的持續(xù)時(shí)間亦即電量時(shí)，不難想到將現(xiàn)代城市輪軌車輛或動(dòng)車作為實(shí)施對(duì)象。以城市軌道交通為例，一列軌道交通列車的車廂都在10輛以上，每輛車廂至少裝有4對(duì)車輪，車輪的輪間距都是相對(duì)固定的，這較容易將其設(shè)定為標(biāo)準(zhǔn)計(jì)算機(jī)模數(shù)，它可與軌交的車速相匹配，每對(duì)車輪通過軌枕的時(shí)間參數(shù)將為固定的車輪間距模數(shù)提供數(shù)據(jù)，因而所產(chǎn)生的壓電脈沖頻率也能由計(jì)算機(jī)自動(dòng)收集調(diào)整。值得一提的是本案的設(shè)計(jì)是將晶體壓電換能器安裝在軌枕與鋼軌接觸處，而此處恰好有鋼軌與軌枕接觸處的減震墊，所以列車強(qiáng)大的壓力不會(huì)將相對(duì)很薄的晶體壓變形，因而不會(huì)因?yàn)榫w而減少列車對(duì)道床的緩沖作用，此晶體只是承受一個(gè)壓力傳遞的過程。
[0008]技術(shù)方案
[0009]本案是將壓電晶體分別置入于兩根鋼軌與軌枕的各個(gè)減震墊之間，利用膠粘的方法將壓電換能晶體與減震墊固結(jié)；根據(jù)壓電換能晶體產(chǎn)生電效應(yīng)的特性，應(yīng)在兩個(gè)相對(duì)應(yīng)的壓電晶體表面引出產(chǎn)生符號(hào)相反電荷的導(dǎo)線，此導(dǎo)線引出后以并聯(lián)的方法連接。考慮到為了產(chǎn)生壓電效應(yīng)的連續(xù)性又不至于發(fā)生太高的頻率而降低效率，在區(qū)間列車高速運(yùn)行區(qū)域?qū)弘姄Q能晶體以奇、偶跳接的方式連成兩路線，這樣在列車高速運(yùn)行時(shí)，從外部進(jìn)入處理系統(tǒng)的奇、偶雙脈沖高壓電任何一路的頻率都不致過高，具體接線時(shí)可用不同顏色的線來操作。在靠近車站兩側(cè)及坡道兩側(cè)可能產(chǎn)生正、負(fù)加速度等的行車緩慢區(qū)域內(nèi)，將軌枕的兩側(cè)分別以連續(xù)并聯(lián)的方法接線。連接后的總線接入脈沖高壓電處理裝置，處理裝置內(nèi)設(shè)有壓電脈沖半波電壓計(jì)算機(jī)自動(dòng)收集調(diào)整之功能，調(diào)整后進(jìn)行整流再進(jìn)行逆變?yōu)楣ゎl電后，將其輸入電網(wǎng)，也可以將其整流后的直流電送入蓄電池作為備用電源或?qū)Ｓ秒娫础?br> [0010]軌道交通的軌枕數(shù)量一般是1500根/ km左右，此數(shù)據(jù)根據(jù)車速及其他條件設(shè)計(jì)時(shí)略有不同；每輛車有4對(duì)車輪(動(dòng)車、高鐵也有6對(duì)車輪的)，分別設(shè)在車輛的兩端；以在城市軌道交通上實(shí)施為例，以4對(duì)車輪、最高限速70km / h計(jì)算，車輛通過I公里的時(shí)間約為51秒，也就是說在通過換算后51秒內(nèi)單個(gè)車輪要壓過1500根軌枕，平均每秒壓過29根軌枕，亦即是單個(gè)車輪在單側(cè)所產(chǎn)生的脈沖高壓電的半波頻率是29Hz。在車輛中，車輪間距均為固定值，可將此固定值編入計(jì)算機(jī)程序內(nèi)；在車輛行駛中，將速度從O?70km / h變化范圍編入動(dòng)態(tài)計(jì)算機(jī)程序，用計(jì)算機(jī)輪距固定數(shù)據(jù)程序參數(shù)自動(dòng)計(jì)算出每只車輪及車輪與車輪通過某一點(diǎn)的頻率，這個(gè)頻率也就是某點(diǎn)發(fā)出半波高壓電的頻率，同時(shí)將壓電平均實(shí)際振幅一同并入計(jì)算機(jī)處理，可將L段長(zhǎng)度線路的軌枕數(shù)在T時(shí)間內(nèi)求和就可得到T時(shí)間的再生電功的功率。此功率即為每列車在單位長(zhǎng)度的線路上所發(fā)出的再生能源功率。
[0011]有意義效果
[0012]1、；本發(fā)明是將壓電技術(shù)引入到民用方向的又一新的嘗試，它可為緊張的能源在不增加環(huán)境及其他負(fù)擔(dān)的情況下添加新鮮血液；
[0013]2、本案的實(shí)施與行車各專業(yè)都不發(fā)生關(guān)系，所以它不會(huì)給行車帶來不便，更不會(huì)給行車帶來不安全因素；
[0014]3、本案由于采用的是晶體壓電技術(shù)，它的使用壽命是以百萬次為單位計(jì)算的，相對(duì)于軌道交通來說，它一旦植入在一個(gè)大修年內(nèi)可永久運(yùn)行使用，而無需中間更換或維修；
[0015]4、本方法先期可在城市軌道交通上實(shí)施，待積累經(jīng)驗(yàn)后，可向鐵路系統(tǒng)的長(zhǎng)大線路推廣，它必將帶來廣泛的社會(huì)效益及巨大的經(jīng)濟(jì)效益。【專利附圖】

【附圖說明】
[0016]圖1是軌枕斷面圖；
[0017]圖2是圖1的局部剖面圖；
[0018]圖3是線路高速行駛區(qū)的接線圖；
[0019]圖4是低速行駛區(qū)的接線圖。
[0020]圖中I是鋼軌，2是壓電轉(zhuǎn)換晶體，3是減振板，4是軌枕，5是列車高速運(yùn)行區(qū)的奇數(shù)接線法，6是列車高速運(yùn)行區(qū)的偶數(shù)接線法，7是列車低速運(yùn)行區(qū)的接線法，8是計(jì)算機(jī)頻率調(diào)整裝置，9是奇數(shù)接線法的計(jì)算機(jī)調(diào)整裝置，10是奇數(shù)接線法的計(jì)算機(jī)調(diào)整裝置，11是經(jīng)過奇、偶數(shù)(圖3)計(jì)算機(jī)調(diào)整裝置后或圖4中單一路徑的整流逆變系統(tǒng)。
【具體實(shí)施方式】
[0021]當(dāng)列車車輪從鋼軌頂部I壓過時(shí)，鋼軌底部的壓力壓向壓電轉(zhuǎn)換晶體2，此壓力由減震板3繼續(xù)向下傳至軌枕4而擴(kuò)散于道床上；當(dāng)列車在高速運(yùn)行區(qū)運(yùn)行時(shí)，由圖3中從奇數(shù)5及偶數(shù)6壓電晶體中輸出高壓電后，再分別送入奇、偶數(shù)接線法的計(jì)算機(jī)調(diào)整裝置9和10并對(duì)其高壓電進(jìn)行頻率調(diào)整，調(diào)整后的高壓電送入整流逆變系統(tǒng)11，將其變?yōu)楣ゎl電后可送入電網(wǎng)，或進(jìn)一步整流送入蓄電池作為備用電源或?qū)Ｓ秒娫矗粓D4中7是低速行駛區(qū)從每根軌枕與鋼軌接觸處連續(xù)并聯(lián)輸出的方式，由此輸入計(jì)算機(jī)頻率調(diào)整裝置8后，再將調(diào)整后的高壓電送入整流逆變系統(tǒng)11。由逆變器出來的就是可用的工頻電了。
【權(quán)利要求】
1.一種利用壓電技術(shù)在軌道交通上產(chǎn)生再生能源的方法，其特征是將壓電晶體分別置入于兩根鋼軌與軌枕的各個(gè)減震墊之間，利用膠粘的方法將壓電換能晶體與減震墊固結(jié)；根據(jù)壓電換能晶體產(chǎn)生電效應(yīng)的特性，應(yīng)在兩個(gè)相對(duì)應(yīng)的壓電晶體表面引出產(chǎn)生符號(hào)相反電荷的導(dǎo)線，此導(dǎo)線引出后以并聯(lián)的方法連接。
2.如權(quán)利要求書I所述內(nèi)容，其特征是考慮到為了產(chǎn)生壓電效應(yīng)的連續(xù)性又不至于發(fā)生太高的頻率而降低換能效率，在區(qū)間列車高速運(yùn)行區(qū)域?qū)弘姄Q能晶體以奇、偶跳接并聯(lián)的方式連成兩路線，這樣在列車高速運(yùn)行時(shí)，從外部進(jìn)入處理系統(tǒng)的奇、偶雙脈沖高壓電任何一路的頻率都不致過高，具體接線時(shí)可用不同顏色的線來操作。
3.如權(quán)利要求書I所述內(nèi)容，其特征是在靠近車站兩側(cè)及坡道兩側(cè)可能產(chǎn)生正、負(fù)加速度等的行車緩慢區(qū)域內(nèi)，將軌枕的兩側(cè)分別以連續(xù)并聯(lián)的方法接線。
【文檔編號(hào)】H02N2/18GK103929094SQ201410119277
【公開日】2014年7月16日 申請(qǐng)日期:2014年3月24日 優(yōu)先權(quán)日:2014年3月24日
【發(fā)明者】王愷, 劉湘平 申請(qǐng)人:中國(guó)市政工程西北設(shè)計(jì)研究院有限公司浙江分院, 王愷