本發(fā)明涉及懸臂梁振動發(fā)電裝置。

背景技術：

長久以來，可持續(xù)的自然資源及能源利用一直是不斷探討的話題。隨著當今世界能源不斷地消耗，開發(fā)新型能源材料將是未來科技和工程發(fā)展的新方向。壓電材料作為新型發(fā)電材料，為發(fā)電方式提供新思路。其將借助風力等一些自然力使其產(chǎn)生的形變來發(fā)電，通過持續(xù)、反復地形變將產(chǎn)生相當可觀的電能。

隨著交通的發(fā)展，隧道的開發(fā)和利用在交通中占據(jù)重要地位，隧道由于其特殊性往往需要比普通道路安裝更多的用電設備，例如通風、照明、道路監(jiān)控等，而隧道中的用電通常需要從外界接線，施工過程復雜。

而根據(jù)交通實際情況，隧道由于其地理環(huán)境因素以及交通運行，其中所產(chǎn)生的風力相當?shù)目陀^，目前來說，這部分風力只能成為交通的阻力，無法被利用，是一種能量的巨大浪費。

技術實現(xiàn)要素：

本發(fā)明所要解決的技術問題是提供一種基于隧道風環(huán)境下的懸臂梁振動發(fā)電裝置，其能利用收集懸臂梁結構變形發(fā)電，并收集儲存電能。本發(fā)明懸臂梁振動發(fā)電裝置能安置于隧道中，在不影響隧道通行的情況下，很好地利用隧道中的風能。

本發(fā)明解決技術問題所采取的技術方案是：

基于隧道風環(huán)境下的懸臂梁振動的發(fā)電裝置，包括懸臂梁，所述懸臂梁的一端固定安裝在支座上，所述支座通過固定樁固定在隧道內(nèi)，所述懸臂梁上設有壓電發(fā)電單元和電力收集單元，所述壓電發(fā)電單元與懸臂梁緊密貼合，所述壓電發(fā)電單元內(nèi)設有能夠隨懸臂梁振動形變從而產(chǎn)生電能的壓電片，所述壓電片連接至所述電力收集單元。

在采用上述技術方案的同時，本發(fā)明還可以采用或者組合采用以下一步的技術方案。

所述壓電發(fā)電單元還包括電極片和絕緣外殼，所述壓電片通過粘結劑固定在所述電極片上，所述壓電片和所述電極片上設有相對應的接線部位，所述絕緣外殼覆蓋在所述壓電片和所述電極片的外側，并與所述壓電片無壓力接觸；所述電力收集單元包括輸電電路和蓄電池，所述輸電電路連接壓電片與蓄電池，所述蓄電池用于收集壓電片所產(chǎn)生的電能。

所述懸臂梁以一定的角度向上傾斜，其角度根據(jù)壓電發(fā)電裝置所俘獲的能量最大原則設計。

所述懸臂梁的自由端設有質(zhì)量塊，目的是為了達到與懸臂梁共振作用，調(diào)節(jié)振動頻率、幅度至合適值，以求懸臂梁在風荷載作用下實現(xiàn)俘獲能量最大。

所述壓電發(fā)電單元為至少一個，當所述壓電發(fā)電單元多于一個時，所述壓電發(fā)電單元按照一定的規(guī)則布置在懸臂梁的適當部位。

所述壓電發(fā)電單元置于懸臂梁與支座相接處，此位置為懸臂梁振動時變形最大位置。

所述壓電發(fā)電單元與懸臂梁無滑動連接，壓電發(fā)電單元中的壓電片與懸臂梁發(fā)生相同變形。

在布置懸臂梁時，為不影響隧道中交通，所述懸臂梁與隧道行車道的距離為30～35cm。

所述絕緣外殼采用耐高溫耐壓耐磨的高分子材料制成。

所述壓電片為至少一個，當所述壓電片多于一個時，壓電片采用串聯(lián)的方式固連在所述電極片上。

所述懸臂梁通過設置在所述支座四角的螺栓與所述支座固定連接，所述接線部位設于所述懸臂梁與所述支座固定連接的區(qū)域內(nèi)。

本發(fā)明的有益效果是：本發(fā)明利用壓電材料的發(fā)電性能，把壓電發(fā)電單元布置在懸臂梁振動劇烈部位，將隧道中的風能轉化為懸臂梁的機械能，通過壓電材料將懸臂梁的機械能轉化為電能并儲存。本發(fā)明的壓電發(fā)電裝置在不影響隧道交通的前提下，充分利用隧道中豐富的風能資源，推動實現(xiàn)隧道中的綠色交通。

對比與傳統(tǒng)的電線輸電方式，本發(fā)明在某些特定環(huán)境下將會體現(xiàn)優(yōu)越性。第一，節(jié)能環(huán)保。本發(fā)明綠色，經(jīng)濟，高效，不像傳統(tǒng)的火力發(fā)電等消耗能源；第二，普適性強。本發(fā)明能適用于偏遠環(huán)境，傳統(tǒng)輸電線若布置長度過長將需要大量的人力、物力成本，而本項目研究之裝置能輕易安裝在任何適用的環(huán)境；第三，可持續(xù)化。本發(fā)明依靠壓電原理發(fā)電，具有重復使用、反復循環(huán)的特點。本發(fā)明希望能為能源利用問題提供新的解決思路。

附圖說明

圖1為本發(fā)明的整體布置圖。

圖2為本發(fā)明懸臂梁的俯視平面圖。

圖3為本發(fā)明的立體圖。

圖4為本發(fā)明的壓電發(fā)電單元拆解圖。

圖5為本發(fā)明的壓電發(fā)電單元布置圖。

圖6為本發(fā)明的電源控制箱示意圖。

具體實施方式

參照附圖。

本發(fā)明的基于隧道風環(huán)境下的懸臂梁振動發(fā)電裝置包括懸臂梁3，懸臂梁3的一端固定安裝在支座5上，另一端自由，其自由端能在風荷載的作用下振動從而整體產(chǎn)生變形。

懸臂梁3上設有壓電發(fā)電單元1和電力收集單元，壓電發(fā)電單元1與懸臂梁3緊密貼合，其內(nèi)設有能夠隨懸臂梁3同步形變的壓電片6，壓電發(fā)電單元1連接至電源控制箱9并向其輸電。

壓電發(fā)電單元1還包括電極銅片8和絕緣外殼7，壓電片6通過高分子有機絕緣粘結劑固定在電極銅片8上，壓電片6和電極銅片8的對應位置上均設有接線孔15，絕緣外殼7覆蓋在壓電片6和電極銅片8的外側，絕緣外殼7與壓電片6無壓力接觸，不影響壓電片6的形變，電力收集單元包括輸電電路和蓄電池，輸電電路連接壓電片和蓄電池，蓄電池可以收集壓電片6所產(chǎn)生的的電能，電力收集單元的作用是臨時存儲壓電片6所產(chǎn)生的的電能，同時將壓電片所產(chǎn)生的電能輸送到外部電源控制箱9。

為了達到更好的變形效果，懸臂梁3與水平方向成一定角度，其角度根據(jù)壓電發(fā)電裝置所俘獲的能量最大原則設計。

在懸臂梁3自由端加以質(zhì)量塊4，質(zhì)量塊4的大小要求能夠增加懸臂梁3自由端的振動幅度，但又要確保懸臂梁3的振動幅度在限定的范圍內(nèi)，防止壓電片受到損傷。

懸臂梁3自由端距離行車軌道30～35cm，懸臂梁3大小為300cm×70cm，壓電片6大小為70cm×50cm，支座5通過固定樁16安裝在隧道兩側的內(nèi)壁上，懸臂梁3采用設置在支座上表面四角的螺絲螺帽2連接固定在支座5上，壓電片6和電極銅片8的接線孔15設置在懸臂梁3與支座2固定連接的區(qū)域內(nèi)，懸臂梁3與支座2固定連接的區(qū)域不會產(chǎn)生形變，因此確保接線孔不會錯位，防止長期使用中電線受損，在接線孔15中引出導線，將其與電池連接。

壓電發(fā)電單元1的工作原理如下：當車輛經(jīng)過隧道時，車輛與空氣的相對運動相產(chǎn)生巨大的風流體，風荷載作用于懸臂梁3的下底面，懸臂梁3向上產(chǎn)生變形，由于壓電片6與懸臂梁3共同變形，所以壓電片6將產(chǎn)生電能，由于風流體具有不均勻性，作用于懸臂梁3下底面的風荷載會在某一時刻減少，風荷載減少后由于懸臂梁3的彈性回復力以及端部質(zhì)量塊4向下的質(zhì)量力使得懸臂梁3向下變形，由于壓電片6與懸臂梁3共同變形，所以壓電片6也將產(chǎn)生電能。在不斷地上下變形振動中，壓電發(fā)電單元1產(chǎn)生源源不斷的電能，將此電能通過電源控制箱9收集儲存。壓電發(fā)電單元1拆卸方便，便于檢修，若發(fā)現(xiàn)有局部損壞，只需進行單獨局部更換即可。

絕緣外殼7采用耐高溫耐壓耐磨的高分子材料（例如環(huán)氧樹脂）制成，環(huán)氧樹脂不僅可以起到粘結鋼板的作用，還可以達到防護、防水、絕緣等效果。

壓電發(fā)電單元1為至少一個，如圖所示，當壓電發(fā)電單元1為多于一個時，可以并列排布，也可以在懸臂梁3的上下兩面都布置。

懸臂梁3采用鋼板，其與支座2連接的強度與剛度必須保證在風荷載下不發(fā)生破壞或失穩(wěn)。

所述壓電片為至少一個，當所述壓電片多于一個時，壓電片采用串聯(lián)的方式固連在所述電極片上。

壓電發(fā)電單元1經(jīng)過導線連接到電源控制箱9，具體地說，壓電發(fā)電單元1中負責產(chǎn)生電流的壓電片6由導線引出，連接至電源控制箱9，其產(chǎn)生的電流通過導線匯集到電源控制箱9，電源控制箱9與用（儲）電設備14連接，并向用（儲）電設備14供電，從而實現(xiàn)利用風荷載發(fā)電照明或其他用電途徑。符合可持續(xù)發(fā)展原則，生態(tài)環(huán)保。

電源控制箱9包括壓電檢測裝置10、穩(wěn)壓整流裝置11、電能存儲設備12以及變壓輸出裝置13，其中變壓輸出裝置13與用（儲）電設備14連接，壓電檢測裝置10可以采用通常的通電檢測設備，主要用于檢測壓電俘能裝置1的發(fā)電情況，例如是否有電流輸出以及電流流量的大小，從而明確本發(fā)明的發(fā)電裝置是否正常工作；穩(wěn)壓整流裝置11可以采用通常的穩(wěn)壓整流電路，對壓電俘能裝置1產(chǎn)生的電能進行穩(wěn)壓整流，電能存儲設備12可以采用一定容量的蓄電裝置，以供其他用電設備使用。