專利名稱：利用公路路面振動能量壓電發(fā)電的方法及其道路燈具系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及利用公路路面振動能量的道路燈具及其系統(tǒng)，特別是一種利用公路路面振動能量壓電發(fā)電的方法及其道路燈具系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
目前，在世界各地，包括中國大陸所使用的路燈，信號燈以及其他路政設(shè)施一般均是使用交流電網(wǎng)或者直流電網(wǎng)提供能源，盡管現(xiàn)有系統(tǒng)的使用是卓有成效的，但是因?yàn)樽陨碓O(shè)計(jì)的局限，其中也有很大的不足無法克服。首先，在能源日漸缺乏的今天，電能是相當(dāng)寶貴的，現(xiàn)有的路政電網(wǎng)以中低壓電為主，而長距離低壓電網(wǎng)的電力損耗是驚人的；其次，很多偏遠(yuǎn)山區(qū)或者郊外路政電網(wǎng)覆蓋不到的地方，對行車安全有這至關(guān)重要作用的道路燈具以及其他路政設(shè)施就無法鋪設(shè)，安裝和正常使用；最后，使用市電需要輔設(shè)管線，工程繁雜，投資巨大，而且需要不間斷的維修。
為了克服舊有系統(tǒng)的不足，充分利用新能源，尋找一種節(jié)能而又不受地域限制的新型道路燈具就成了當(dāng)務(wù)之急。
通?？捎脕戆l(fā)電的能源通常包括風(fēng)力、水力、太陽能、核能和蒸汽能。隨著對能量使用效率和保存的不斷要求，人們花了很大的力氣來開發(fā)那些沒有用過的新能量源。人們已開發(fā)了一些系統(tǒng)和方法來利用車輛在行駛過程中它們的輪子帶給路面或軌道的能量。
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)。
典型的利用車輛行駛時(shí)向下的力來發(fā)電的機(jī)械系統(tǒng)包括齒輪機(jī)構(gòu)和其他的運(yùn)動部件。機(jī)械系統(tǒng)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。如U.S.Pat.No.4,238,687，Martinez公開的一個系統(tǒng)。這個系統(tǒng)通過渦輪利用路上經(jīng)過的汽車來發(fā)電。這個渦輪由與搖桿盤連接的弧形臂的下轉(zhuǎn)運(yùn)動驅(qū)動。搖桿盤安裝在路面上。汽車通過它們時(shí)，這些搖桿盤被壓向下。
典型的氣壓系統(tǒng)包括一個氣壓活塞。這個氣壓活塞由一個安裝在路上用來轉(zhuǎn)化汽車經(jīng)過時(shí)的向下的力的作動器來驅(qū)動。如U.S.Pat.No.4,173,431，Smith公開了一個道路汽車作動的氣壓機(jī)和系統(tǒng)。這個系統(tǒng)用壓縮的空氣運(yùn)轉(zhuǎn)一個電力發(fā)生器發(fā)電。這個道路汽車作動壓縮器包括一個被經(jīng)過的汽車的輪胎的重量往下推的作動器。作動器驅(qū)動氣缸的往復(fù)式活塞來壓縮氣缸中的空氣。從汽缸中出來的壓縮空氣驅(qū)動一個電力發(fā)生器。
一些系統(tǒng)利用液壓泵來吸收汽車經(jīng)過時(shí)向下的力，并將其轉(zhuǎn)化成有用的功，比如去驅(qū)動一個電力發(fā)生器。如U.S.Pat.No.4,004,422，Le Van公開了一個利用交通工具的重量來產(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，汽車通過時(shí)它的重量會引起其中的液體的位置變化。液體位置變化的勢能不斷的轉(zhuǎn)化成機(jī)械能或電能。又如U.S.Pat.No.4,130,064，Bridwell公開了一個利用運(yùn)動車輛的運(yùn)動量和重量來產(chǎn)生便于利用的能量的系統(tǒng)。這個系統(tǒng)包括一個液體位移泵。這個泵也是置于道路里的一個活動板下或是在軌道之間的軌床中。利用這個泵可將汽車通過時(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申請的美國專利US.No.4504761，題目是“安裝在車輛上的壓電發(fā)生器”，公開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)動期間施加到輪胎上的壓力產(chǎn)生電能。
金東局申請的中國發(fā)明專利CN 1202014A，題目是“具有連到振動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)動機(jī)機(jī)械振動能產(chǎn)生電的壓電發(fā)生器。該發(fā)明包括壓電元件和存儲壓電元件產(chǎn)生的電能的電路。每個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設(shè)備的電源。這種電源的內(nèi)阻抗是容性的，通過壓電效應(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)。
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，對結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的振動進(jìn)行被動、半主動和主動-被動雜交的抑制和控制。
如將壓電元件和電阻并聯(lián)形成的壓電阻尼系統(tǒng)，對結(jié)構(gòu)的減振是通過焦耳熱耗散能量來實(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關(guān)元件并聯(lián)形成的轉(zhuǎn)換型半主動壓電阻尼系統(tǒng)，通過開關(guān)元件斷開和閉合的轉(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)動用品中得到應(yīng)用。例如，美國K2公司的設(shè)計(jì)者將壓電材料嵌入進(jìn)雪橇中，當(dāng)雪橇因振動發(fā)生變形時(shí)，壓電材料也隨之發(fā)生變形，將振動能轉(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。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于，提出一種利用公路路面振動能量壓電發(fā)電的方法及其道路燈具系統(tǒng)，將壓電裝置置于公路路面的減振層中，利用車輛經(jīng)過的振動能量產(chǎn)生電能，并作為一種電力供應(yīng)加以存儲并在必要的時(shí)候提供給道路燈具和其他路政設(shè)施使用。本發(fā)明提出的利用公路路面振動能量壓電發(fā)電的方法及其道路燈具系統(tǒng)是一種收集耗散能源作為工作能源的新型燈具，可以有效解決山區(qū)及長途道路沿線道路燈具鋪設(shè)不便的難題，同時(shí)經(jīng)過改造可以為現(xiàn)有的路政設(shè)施提供新的能量來源，達(dá)到節(jié)能環(huán)保的要求，具有顯著的經(jīng)濟(jì)價(jià)值和社會價(jià)值。
另外，由于本系統(tǒng)是鋪設(shè)的路面的減震層中，在利用振動能量壓電發(fā)電的過程中，采用適當(dāng)?shù)目刂品椒ǎ梢允贡鞠到y(tǒng)起到半主動減振的作用。這是本發(fā)明的又一目的。
為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用如下技術(shù)措施一種利用公路路面振動能量壓電發(fā)電的方法，將壓電裝置置于公路路面的減振層中，將經(jīng)過車輛的振動能量進(jìn)行收集并經(jīng)過電力裝置變換轉(zhuǎn)換為電能，通過控制系統(tǒng)提供給道路燈具及其電能存儲系統(tǒng)加以利用和存儲。
該方法包括以下步驟a.在公路路面減振層中鋪設(shè)至少一個壓電裝置，用于接收行駛的車輛對路面減振層的振動能量，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)將路面振動能量轉(zhuǎn)化成電能；b.將壓電裝置產(chǎn)生的電能送至一個電力變換裝置中，由該電力變換裝置對電能進(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能裝置或最終用電負(fù)載接收，并對電能進(jìn)行存儲或利用。
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，對電能的產(chǎn)生、存儲和利用加以控制。
所述的電力變換裝置調(diào)整和變換后的電能由儲能裝置接收時(shí)，電力變換裝置對儲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電能的調(diào)整和變換包括以下步驟1)整流過程，將壓電材料產(chǎn)生的交流電變?yōu)橹绷麟姡?)DC/DC變換過程，對步驟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，并安裝檢測來往車輛車身運(yùn)動的傳感器，由控制器執(zhí)行控制策略，在利用經(jīng)過車輛振動能量發(fā)電的同時(shí)，對公路路面振動和噪聲進(jìn)行半主動減振控制，實(shí)現(xiàn)顯著的控制效果。
實(shí)現(xiàn)上述方法的利用公路路面振動能量壓電發(fā)電的道路燈具系統(tǒng)，其特征在于，該系統(tǒng)包括至少一個置于公路路面結(jié)構(gòu)及減振層中的壓電裝置，該壓電裝置與公路路面結(jié)構(gòu)及減振層串聯(lián)，用于將車輛經(jīng)過的振動能量轉(zhuǎn)換為電能；一個電力變換裝置，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，并將電能用于儲能裝置或最終用電負(fù)載；控制模塊通過對功率模塊的功率元件進(jìn)行控制，使振動能量轉(zhuǎn)化成電能，并為儲能裝置存儲或最終用電負(fù)載利用；至少一個儲能裝置或道路燈具或其他路政用電負(fù)載，用于存儲和利用電力變換裝置調(diào)整后的電能；其中道路燈具包括道路用路燈、交通信號指示燈、道路標(biāo)示燈具和路邊燈箱廣告、景觀燈其中的一種或一種以上的組合；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，或直接用壓電裝置作為路面結(jié)構(gòu)層；壓電裝置包含有壓電元件。
所述的壓電元件可以由單片或多層壓電薄片組成，包括積層式壓電堆結(jié)構(gòu)。也可是由壓電復(fù)合材料(例如壓電水泥)制作的塊狀或?qū)訝罱Y(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。
所述壓電裝置與公路路面結(jié)構(gòu)及垂向減振層串聯(lián)。
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；功率開關(guān)器件在DC/DC變換器中，用來執(zhí)行控制信號傳達(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；控制器通過濾波電路與傳感器相連，獲得傳感器得到的信號，并輸出控制信號；控制信號經(jīng)光電隔離電路，送至功率模塊的功率開關(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)場跑道等特殊用途路面。
本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比，具有如下優(yōu)點(diǎn)1)本發(fā)明提出的利用路面振動能量的道路燈具及其系統(tǒng)是一種收集耗散能量作為工作能源的新型燈具，可以有效解決山區(qū)及長途道路沿線道路燈具鋪設(shè)不便的難題。
2)經(jīng)過改造可以為現(xiàn)有的路政設(shè)施提供新的能量來源，將以往未加以充分利用的公路系統(tǒng)振動能量加以利用；達(dá)到節(jié)能環(huán)保的要求，具有顯著的經(jīng)濟(jì)價(jià)值和社會價(jià)值。
3)由于該系統(tǒng)的終端可以是最終用電負(fù)載，也可以是蓄電池，UPS和其他儲能元件。優(yōu)化布置方式后可以作為道路沿線的分散式應(yīng)急能源使用，為臨時(shí)道路施工，車輛維修和高速公路服務(wù)站提供應(yīng)急能源。
4)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)簡單，響應(yīng)快，特別適合交變動力驅(qū)動方式。
5)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，施工量小，便于安裝和對現(xiàn)有公路系統(tǒng)進(jìn)行改造；6)本系統(tǒng)應(yīng)用廣泛，可用于多種不同路面結(jié)構(gòu)類型；7)在利用振動能量壓電發(fā)電的過程中，采用適當(dāng)?shù)目刂品椒?，可以使本系統(tǒng)在發(fā)電同時(shí)起到半主動減振和降噪的作用。
8)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存的電力輸回壓電材料，利用逆壓電效應(yīng)通過將電能在路面內(nèi)以熱能耗散的方法延緩、減少或融化積雪。


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)施例的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖；圖3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4是第一實(shí)施例中壓電裝置的原理圖；圖5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6是本發(fā)明電力變換裝置的控制原理圖；圖7是本發(fā)明第二實(shí)施例的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖；圖8是本發(fā)明第二實(shí)施例中壓電裝置的安裝位置示意圖；圖9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10是本發(fā)明第三實(shí)施例的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖；圖11是本發(fā)明第三實(shí)施例中壓電裝置的結(jié)構(gòu)示意圖。
以下結(jié)合附圖和發(fā)明人給出的實(shí)施例，對本發(fā)明作進(jìn)一步的詳細(xì)描述。
具體實(shí)施例方式
按照道路燈具的使用方式，功能和工作功率的不同，提供能源的壓電發(fā)電系統(tǒng)可以采用全路鋪裝，局部鋪裝和分立壓電器件安裝等不同的方式安裝，以下分別結(jié)合幾個實(shí)施例加以說明。
參見圖1～6，依照本發(fā)明的技術(shù)方案，第一實(shí)施例以市區(qū)街道路燈系統(tǒng)為例，進(jìn)一步說明該系統(tǒng)的布置和實(shí)施方式。由于街道路燈的使用特點(diǎn)是分時(shí)段照明，且在照明時(shí)段所需要提供的功率比較大(每公里車道大于50kW)，所以適合采用全路鋪設(shè)的壓電發(fā)電系統(tǒng)。本例系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示，整個路燈照明系統(tǒng)由鋪設(shè)壓電裝置的路面，電力變換裝置，儲能系統(tǒng)和路燈及其控制系統(tǒng)構(gòu)成。
公路車輛運(yùn)行過程中，由于車輪和公路路面之間的振動作用，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)，開路最高電壓將被限定在500V以下。壓電裝置產(chǎn)生的電能經(jīng)過電力總線輸送給電力變換裝置，由該電力變換裝置對電能進(jìn)行調(diào)整和變換；電力變換裝置調(diào)整和變換后的電能由儲能裝置或路燈負(fù)載接收，由控制系統(tǒng)和儲能裝置對電能進(jìn)行存儲，利用和管理。
儲能裝置采用在線式UPS，其作用是在自然照明光線滿足安全行車需要而不使用路燈或者壓電裝置產(chǎn)生電能大于路燈系統(tǒng)消耗的情況下將車輛經(jīng)過產(chǎn)生的電能儲存起來，在壓電裝置產(chǎn)生電能不足的情況下向路燈提供能源，同時(shí)具有防雷，防浪涌的功能，保證路燈的供電質(zhì)量。
控制裝置可以控制儲能裝置和路燈的工作狀態(tài)，可以通過預(yù)先的設(shè)定自動調(diào)整路燈的啟用關(guān)閉時(shí)間，同時(shí)設(shè)計(jì)有光電采樣電路，可以根據(jù)環(huán)境照度自動調(diào)節(jié)路燈的工作狀態(tài)。達(dá)到路燈在白天，晚上和光線不足的情況下自動開啟和關(guān)閉的功能。與此同時(shí)，因?yàn)楦鶕?jù)壓電發(fā)電系統(tǒng)的供電情況可以實(shí)時(shí)反映道路的車流量情況，根據(jù)一定的差分算法甚至可以得到車輛的在道路的具體位置和速度信息，本控制裝置也可以實(shí)時(shí)分配電力供應(yīng)，調(diào)整整個路燈系統(tǒng)的工作范圍，達(dá)到節(jié)能的效果。
路燈燈具包括外殼和燈管、逆變器及燈架，其中燈管可以是熒光燈或鈉燈，熒光燈可以是高光效節(jié)能熒光燈和普通熒光燈，管型可以是D型，雙D，U型，雙U型，SL型等等；鈉燈可以是高壓鈉燈，鏑燈，鈧鈉燈，中顯色鈉燈和高顯色鈉燈，除此之外也可以使用鹵素?zé)?，氙燈，白熾燈，高亮度發(fā)光二極管(LED)作為照明燈具的發(fā)光元件。
所述的LED陣列式信號燈具具有以下結(jié)構(gòu)和功能，在這種燈具中，多個LED元件以一定的形式安置在具有LED陣列驅(qū)動和控制功能的方形或圓形的信號燈具本體上，使之可以被控制著以預(yù)定的次序點(diǎn)亮和閃爍，以顯示出圖案或字符，從而起到管理交通流和指示道路情況的作用。
在本例中，儲能系統(tǒng)和控制系統(tǒng)均采用總線分布式布局，如圖2所示。
以下結(jié)合本例對壓電發(fā)電裝置的具體結(jié)構(gòu)和工作原理做一說明對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)；若在市區(qū)道路拓寬，維護(hù)改造時(shí)進(jìn)行，也可直接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3所示。圖3中由上之下各層依次為瀝青磨耗層，壓電裝置，瀝青面層，基層，墊層和路基。
圖4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1、壓電堆2組成。車輛由路面駛過時(shí)，在車輛壓力和行駛引起的路面振動的作用下，壓電堆2不斷的受壓、釋放從而產(chǎn)生應(yīng)變。
根據(jù)壓應(yīng)力作用下的壓電材料產(chǎn)生的電壓和一次儲能公式U＝Q/C(1)W=12QU---(2)]]>可以看到一次受壓儲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、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。振動力傳遞給了壓電堆2，在壓電堆2上產(chǎn)生一個應(yīng)變。根據(jù)正壓電效應(yīng)原理，壓電材料表面會產(chǎn)生電荷，從而形成公式(1)中的電勢。由公式(3)，這個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)生的電壓不至于過高，便于電力變換裝置對電能進(jìn)行轉(zhuǎn)換和回收。壓電堆2采用復(fù)合壓電橡膠材料，根據(jù)所選材料型號的不同，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2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5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)動和保護(hù)電路。在第一實(shí)施例中，電力變換裝置向儲能裝置充電，儲能裝置為大容量工業(yè)用UPS。
電力變換裝置對電能的調(diào)整和變換包括以下步驟整流過程，將壓電材料產(chǎn)生的交流電變?yōu)橹绷麟?；DC/DC變換過程，對整流過程產(chǎn)生的直流電進(jìn)行電壓和電流變換。
變壓過程，當(dāng)壓電材料產(chǎn)生的電壓過高時(shí)，先進(jìn)行降壓處理，將電壓降低，為其后的整流過程做好準(zhǔn)備。
圖6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；功率開關(guān)器件在DC/DC變換器中，用來執(zhí)行控制信號傳達(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采集DC/DC變換器輸出端的電壓和電流信號，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。PWM信號經(jīng)由光電隔離電路，送至功率開關(guān)器件的驅(qū)動電路，對功率管K1的開關(guān)狀態(tài)進(jìn)行控制。信號采集和控制周期為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)。控制模塊所需的各種電平由路面控制室蓄電池經(jīng)普通DC/DC開關(guān)電源提供。
所述儲能裝置或?yàn)楦鞣N蓄電池、超級電容和飛輪；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)載和它們的組合。
本發(fā)明中的壓電發(fā)電子系統(tǒng)的具體工作原理是路面車輛運(yùn)行過程中，由于路面振動的作用，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)，開路最高電壓被限定在500V以下。當(dāng)電壓的絕對值高于整流器右側(cè)的電容器C電壓時(shí)，壓電元件向電容C充電；否則，壓電元件為開路。在電力變換裝置中，控制模塊通過對傳感器信號的采樣值，進(jìn)行對PWM信號占空比的調(diào)節(jié)。當(dāng)占空比增大，功率管導(dǎo)通時(shí)間增長，即充電時(shí)間增長，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能量轉(zhuǎn)化為電能。電感L1和D5可以在功率管K1斷開時(shí)和蓄電池構(gòu)成續(xù)流回路，繼續(xù)向電池充電。通過傳感器對蓄電池充電電壓和充電電流進(jìn)行的檢測，當(dāng)蓄電池已充滿時(shí)，控制器停止對蓄電池進(jìn)行充電。
下面給出以隧道內(nèi)車道指示燈系統(tǒng)為第二實(shí)施例，用以說明系統(tǒng)在實(shí)現(xiàn)振動能量發(fā)電的同時(shí)，還對路面的振動和噪聲進(jìn)行半主動控制。第二實(shí)施例是和第一實(shí)施例的區(qū)別在于首先，指示燈具發(fā)光源采用節(jié)能的高亮度室外LED燈組，需要全日連續(xù)工作，工作能耗小(每公里車道小于5kW)，所以采用部分路面分段鋪裝的形式，節(jié)約建設(shè)成本；其次，壓電裝置安裝于隧道水泥路面等剛性路面，安裝位置如圖8所示。圖8中由上之下各層依次為路面，壓電層和路基。
本實(shí)施例的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖7所示，整個隧道內(nèi)車道指示燈系統(tǒng)由分段鋪設(shè)壓電裝置的路面，電力變換裝置，儲能系統(tǒng)和車道指示燈構(gòu)成。
隧道內(nèi)車道指示燈的作用是給機(jī)動車駕駛員指明隧道內(nèi)車道區(qū)分和指明當(dāng)前車道未來的走向情況，傳統(tǒng)的指示燈具是埋設(shè)于路面、側(cè)壁和車道分離護(hù)欄上的反射式標(biāo)志板，用反射車輛燈光的方式提示車道情況，這種設(shè)計(jì)方式由于駕駛員視角的原因?qū)κ褂糜幸欢ㄓ绊?。和這種被動反射式燈具不同，本實(shí)施例中由于采用的是高亮度室外LED燈組主動發(fā)光，不存在視角的問題，指示效果良好。由于工作條件簡單，所以和第一實(shí)施例相比較，不需要復(fù)雜的控制系統(tǒng)，能量存儲系統(tǒng)也不再采用分布式總線結(jié)構(gòu)，而是分段加設(shè)UPS系統(tǒng)對整個隧道路段進(jìn)行分段支持。
同時(shí)由于指示燈的能耗比較低，所以采用分段路面鋪設(shè)的方式，按照行車方向20％的路面比例鋪設(shè)含有壓電層的路面，如圖所示。
本實(shí)施例中壓電裝置安裝于隧道水泥路面等剛性路面，安裝位置如圖8所示。圖8中由上之下各層依次為路面，壓電層和路基。
本實(shí)施例中壓電裝置為壓電層64，由多層壓電復(fù)合材料(如壓電橡膠等)直接構(gòu)成，各層間為并聯(lián)，并在其中置入檢測路面振動速度的速度傳感器；電力變換裝置的功率模塊采用圖9所示的原理圖，同時(shí)采用了在發(fā)電同時(shí)實(shí)施半主動減振的控制策略。
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9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)速度傳感器信號判斷水泥路面振動的運(yùn)動速度。當(dāng)速度為向上時(shí)，控制器給出控制信號，使功率器件K1斷開，K2導(dǎo)通，并且當(dāng)壓電元件產(chǎn)生的電壓絕對值也高于電容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，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，使功率器件K2斷開，壓電元件的等效剛度增大，抑制路面的向下運(yùn)動，壓電元件的變形能由機(jī)械剛度和壓電電容存儲，同時(shí)K1由PWM波控制，按一定的占空比，電容C對蓄電池進(jìn)行充電。通過對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充電過程和蓄電池充電過程在時(shí)間上交替進(jìn)行，電容C充電過程對應(yīng)于路面向上運(yùn)動過程，蓄電池充電過程對應(yīng)于路面向下運(yùn)動過程。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。
下面以彎道車輛接近指示燈系統(tǒng)為例給出第三實(shí)施例，與前兩個實(shí)施例不同，第三實(shí)施中采用單獨(dú)的分立壓電結(jié)構(gòu)作為指示燈具的壓電發(fā)電子系統(tǒng)的執(zhí)行器件。如圖10所示，彎道車輛接近指示燈系統(tǒng)包括埋設(shè)于路面內(nèi)的分立壓電元件，電力變換裝置和彎道車輛接近指示燈三部分構(gòu)成。
彎道車輛接近指示燈的作用是在視線受阻的彎道向車輛駕駛員提醒彎道另一側(cè)的車輛接近情況。因?yàn)樵撝甘緹舻墓ぷ鳁l件盡為路面指定位置有機(jī)動車通過的情況，所以本實(shí)施例與上面兩個實(shí)施例相比省略了控制系統(tǒng)和儲能系統(tǒng)，進(jìn)一步簡化了系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。因?yàn)榇祟愊到y(tǒng)多用于山區(qū)和無人職守的彎道地段，這樣簡化的設(shè)計(jì)也減少了日常維護(hù)和施工的成本。
下面具體說明該系統(tǒng)的工作方式，圖11給出了第三實(shí)施例中壓電裝置的結(jié)構(gòu)。該裝置由外活塞34、內(nèi)活塞32、液壓缸33和壓電堆31組成。外活塞34和液壓缸33受到軌道車輛振動的直接作用，外活塞34相對液壓缸33移動產(chǎn)生壓強(qiáng)變化，通過油液壓強(qiáng)傳遞給了內(nèi)活塞32。由于外活塞34和內(nèi)活塞32存在一個面積比例，力被放大了一個比例系數(shù)。內(nèi)活塞32上放置著壓電堆31，被放大的振動力傳遞給了壓電堆31，在壓電堆31上產(chǎn)生一個應(yīng)變。
由公式(3)，在壓電堆31兩端產(chǎn)生的電電勢與壓電材料的厚度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)生的電壓不至于過高，便于電力變換裝置對電能進(jìn)行轉(zhuǎn)換和回收。壓電堆31采用壓電陶瓷材料PZT，根據(jù)所選材料型號的不同，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。對于公路路面所處的工況，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31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。
雖然已經(jīng)參照以上三個實(shí)施例討論了利用壓電發(fā)電的方法回收公路車輛振動能量加以利用的道路燈具及其系統(tǒng)構(gòu)成，但應(yīng)理解，本發(fā)明提及的利用壓電發(fā)電的方法回收公路車輛振動能量的道路燈具及其系統(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。
如以上實(shí)施例中提及的壓電發(fā)電系統(tǒng)可以采用全路鋪裝，局部鋪裝和分立壓電器件安裝等不同的安裝方式和幾種不同的控制方法，都可以稍加變換而重新組合為其他的道路燈具應(yīng)用形式；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。
如第二，第三實(shí)施例的系統(tǒng)可以在第一實(shí)施例的基礎(chǔ)上添加，也可以利用第一實(shí)施例中的控制系統(tǒng)和能量存儲系統(tǒng)；如第二實(shí)施例中的能量存儲系統(tǒng)也可以在滿足使用要求的情形下如第三實(shí)施例加以簡化省略。
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。
如儲能裝置為各種蓄電池、超級電容和飛輪。
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，或采用分立壓電元件埋設(shè)于路面中，用于將振動能量轉(zhuǎn)換為電能，但應(yīng)理解，利用壓電效應(yīng)來實(shí)現(xiàn)能量的回收，壓電裝置的安裝可不限于圖3、圖8、圖11所示位置和方式。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)振動能量壓電發(fā)電的方法，其特征在于，將壓電裝置鋪設(shè)于路面的減振層中，將經(jīng)過車輛的振動能量進(jìn)行收集并經(jīng)過電力裝置變換轉(zhuǎn)換為電能，通過控制系統(tǒng)提供給道路燈具及其電能存儲系統(tǒng)加以利用和存儲。
2.如權(quán)利要求1所述的利用公路系統(tǒng)振動能量壓電發(fā)電的方法，其特征在于，該方法包括以下步驟a.在公路路面減振層中鋪設(shè)至少一個壓電裝置，用于吸收行駛的車輛對公路路面減振層的振動能量，該壓電裝置中的壓電材料作為工作介質(zhì)，在壓電效應(yīng)作用下將振動能量轉(zhuǎn)化成電能；b.將壓電裝置產(chǎn)生的電能送至一個電力變換裝置中，由該電力變換裝置對電能進(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能裝置或最終用電負(fù)載，進(jìn)行電能的存儲或利用。
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能裝置接收時(shí)，電力變換裝置對儲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電能的調(diào)整和變換包括以下步驟1)整流過程，將壓電材料產(chǎn)生的交流電變?yōu)橹绷麟姡?)DC/DC變換過程，對步驟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，并安裝檢測路面車輛運(yùn)動的傳感器，由控制器執(zhí)行控制策略，在利用公路振動能量發(fā)電的同時(shí)，對軌道振動進(jìn)行半主動減振和降噪控制。
6.一種利用公路路面振動能量壓電發(fā)電的道路燈具系統(tǒng)，其特征在于，該系統(tǒng)包括至少一個置于公路路面下方的壓電裝置，用于將振動能量轉(zhuǎn)換為電能；一個電力變換裝置，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，并將電能用于儲能裝置或最終用電負(fù)載；控制模塊通過對功率模塊的功率元件進(jìn)行控制，使振動能量轉(zhuǎn)化成電能，并為儲能裝置存儲或最終用電負(fù)載利用；至少一個儲能裝置或道路燈具或其他路政用電負(fù)載，用于存儲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能裝置或道路燈具最終用電負(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；所述的壓電材料為壓電水泥或壓電瀝青；所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；功率開關(guān)器件在DC/DC變換器中，用來執(zhí)行控制信號傳達(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；控制器通過濾波電路與傳感器相連，獲得傳感器得到的信號，并輸出控制信號；控制信號經(jīng)光電隔離電路，送至功率模塊的功率開關(guān)器件的控制端。
12.如權(quán)利要求6所述的系統(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)場跑道或其它專門用途路面；其路面類型包括剛性路面、半剛性路面、柔性路面等不同類型。
13.如權(quán)利要求6所述的系統(tǒng)，其中道路燈具包括道路用路燈、交通信號指示燈、道路標(biāo)示燈具和路邊燈箱廣告、景觀燈的一種或一種以上的組合；
14.如權(quán)利要求13所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述的路燈的燈具包括外殼和燈管、逆變器及燈架，其燈管是節(jié)能的熒光燈或高壓鈉燈。
15.如權(quán)利要求13所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述的交通信號指示燈和道路標(biāo)示燈具采用新型的LED陣列式信號燈具，或采用傳統(tǒng)的指示燈具。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種使用路面振動能量壓電的發(fā)電方法及其道路燈具系統(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，利用振動能量產(chǎn)生電能，并作為電力采用一定的控制方法提供給道路燈具和其他路政設(shè)施作為工作能源，或者提供給儲能裝置或電網(wǎng)加以存儲和利用。該系統(tǒng)包括置于公路路面中的壓電裝置，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，并將電能用于儲能裝置；道路燈具或一個儲能裝置，上述壓電裝置與電力變換裝置連接，電力變換裝置與道路燈具或儲能裝置連接。本發(fā)明方法及其道路燈具系統(tǒng)可以有效解決山區(qū)及長途道路沿線道路燈具鋪設(shè)不便的難題，達(dá)到節(jié)能環(huán)保的要求，具有顯著的經(jīng)濟(jì)價(jià)值和社會價(jià)值。
文檔編號H01L41/113GK1633008SQ20051004160
公開日2005年6月29日 申請日期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, 徐健, 宋振平, 梁晉 申請人:西安交通大學(xué)