一种应用于轨道的圆周分布式压电能量收集装置及方法

技术领域

本发明涉及能量回收利用技术领域，尤其涉及一种应用于轨道的圆周分布式压电能量收集装置及方法。

背景技术

近年来，钢弹簧浮置板轨道以其明显的抑振效果在城市轨道交通中得到了广泛的应用，钢弹簧浮置板轨道由浮动混凝土板、钢弹簧隔振器和混凝土基座组成，本质上是一个质量弹簧隔振系统。由于列车的载荷过大且载荷作用次数频繁，钢弹簧隔振器容易产生疲劳失效。此时，如果利用压电材料制作一种集能器放置于浮动混凝土板与混凝土基座之间的间隙，不仅能够提高浮动混凝土板与钢弹簧隔振器的疲劳强度，而且能够将机械能转换为电能，满足轨道交通中低功耗器件的供电需求，实现绿色环保、可持续发展的节能减排目标。

列车车辆引起的振动是一种清洁、连续、稳定的能源，而压电能量收集装置具有能量密度高、无电磁干扰、易于实现小型集成化等优点，适合用于收集这种能源。目前，比较成熟的压电能量收集装置的结构主要有钹式结构、堆叠式结构和悬臂梁式结构。钹式结构和堆叠式结构具有形变量小的特点，导致其压电效应产生的电输出功率过低，所以前两种结构直接应用于轨道中的能量收集效果并不好。

因此，现有技术还有待改进和提高。

发明内容

本发明要解决的技术问题在于，针对现有技术的上述缺陷，提供一种应用于轨道的圆周分布式压电能量收集装置及方法，旨在通过将压电片设置在所述箱体的四周，呈圆周分布，提高单位面积上使用的压电片数量，从而提高压电功率输出，使得能量收集效率更高。

为了解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案如下：

第一方面，本发明提供一种应用于轨道的圆周分布式压电能量收集装置，其中，所述装置包括箱体、设置在所述箱体内的橡胶块、设置在所述橡胶块上方的压板、设置在所述橡胶块下方的压电模块；所述压电模块包括：

压环，所述压环位于所述橡胶块的下方；

压电片，所述压电片位于所述压环的下方，且所述压电片设置在所述箱体的四周，呈圆周分布，当所述压板因上方受到压力而向下挤压所述橡胶块时，所述压环向下挤压所述压电片，以产生电压。

在一种实现方式中，所述箱体设置成圆柱型箱体，所述压电片设置在所述圆柱型箱体的外周围。

在一种实现方式中，所述压电模块还包括轴杆，所述压板和所述压环固定连接在所述轴杆上，所述橡胶块非固定套接在所述轴杆上，当所述压板因上方受到压力而向下挤压所述橡胶块时，所述轴杆带动所述压环向下挤压所述压电片，以产生电压。

在一种实现方式中，所述轴杆上还设置有支撑块，所述支撑块位于所述橡胶块的下方。

在一种实现方式中，所述压板上与所述轴杆的顶部设置有螺纹孔，所述螺纹孔内设置有螺钉，通过所述螺钉将所述压板固定在所述轴杆上。

在一种实现方式中，所述橡胶块上设置有第一通孔，所述橡胶块通过所述第一通孔与所述轴杆实现非固定套接。

在一种实现方式中，所述支撑块上设置有第二通孔，所述支撑块通过所述第二通孔与所述轴杆实现非固定套接。

在一种实现方式中，所述压环设置有多个，且间隔设置在所述轴杆上；所述箱体上设置有阶梯型的方形孔，所述方形孔内设置有滑块，所述滑块上设置有滑槽，所述压电片的一端设置在所述滑槽内，所述压电片的另一端位于相邻两个压环之间。

在一种实现方式中，所述滑块上还设置有布线槽以及导线孔。

在一种实现方式中，所述压电片包括基片、设置在基片上方的上层压电片以及设置在基片下方的下层压电片；所述上层压电片与所述下层压电片采用双层串联的电连接，且极化方向相反。

第二方面，本发明实施例还提供一种基于上述方案任一项所述的应用于轨道的圆周分布式压电能量收集装置的能量收集方法，其中，所述方法包括：

当列车轮对行驶过埋设有所述应用于轨道的圆周分布式压电能量收集装置的轨道时，列车载荷作用下挤压压板向下运动；

压板挤压橡胶块带动轴杆向下运动，以使得轴杆上的压环挤压压电片，当列车轮对驶离时，载荷作用消失，在橡胶块的弹性恢复力作用下，橡胶块舒张带动压板向上运动，起到恢复压板和压环位置的作用，压电片发生悬臂梁式振动，产生电压；

将产生的电能经过整流、滤波、稳压等处理之后，收集于后续电路的超级电容中，满足轨道交通中的低功耗器件的供电需求。

有益效果：与现有技术相比，本发明提供了一种应用于轨道的圆周分布式压电能量收集装置及方法，所述装置包括：箱体、设置在所述箱体内的橡胶块、设置在所述橡胶块上方的压板、设置在所述橡胶块下方的压电模块；所述压电模块包括压环和压电片，所述压环位于所述橡胶块的下方；所述压电片位于所述压环的下方，且所述压电片设置在所述箱体的四周，呈圆周分布，当所述压板因上方受到压力而向下挤压所述橡胶块时，所述压环向下挤压所述压电片，以产生电压。本发明通过将压电片设置在所述箱体的四周，呈圆周分布，能提高单位面积上使用的压电片数量，从而提高压电功率输出，能量收集效率更高。并且，本发明中的压电片可多层设置，从而进一步提高了整个装置的压电功率输出。本发明的应用于轨道的圆周分布式压电能量收集装置结构简单，发电效率高，且压电片采用滑槽的方式实现定位与安装，操作更为方便。

附图说明

图1为本发明实施例提供的应用于轨道的圆周分布式压电能量收集装置的爆炸图。

图2为本发明实施例提供的应用于轨道的圆周分布式压电能量收集装置的剖面图。

图3为本发明实施例提供的应用于轨道的圆周分布式压电能量收集装置中的箱体结构示意图。

图4为本发明实施例提供的应用于轨道的圆周分布式压电能量收集装置中的滑块的结构示意图。

图5为本发明实施例提供的应用于轨道的圆周分布式压电能量收集装置中的使用场景图。

图6为本发明实施例提供的应用于轨道的圆周分布式压电能量收集装置中不同橡胶块结构示意图。

图7为本发明实施例提供的应用于轨道的圆周分布式压电能量收集装置中不同橡胶块结构所组成的能量收集装置的压环和压电片的位移形变图。

图8为本发明实施例提供的应用于轨道的圆周分布式压电能量收集装置中不同橡胶块结构所组成的能量收集装置的输出电压结果图。

图9为本发明实施例提供的应用于轨道的圆周分布式压电能量收集装置中压环与压电片的接触长度示意图。

图10为本发明实施例提供的应用于轨道的圆周分布式压电能量收集装置在施加相同载荷下压环与压电片的接触长度对输出电压的影响结果图。

图11为本发明实施例提供的应用于轨道的圆周分布式压电能量收集装置中压环与压电片的接触长度与压电片的寿命之间的关系示意图。

图12为本发明实施例提供的应用于轨道的圆周分布式压电能量收集方法的具体实施方式的流程图。

标号说明：

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案及效果更加清楚、明确，以下参照附图并举实施例对本发明进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

近年来，钢弹簧浮置板轨道以其明显的抑振效果在城市轨道交通中得到了广泛的应用，钢弹簧浮置板轨道由浮动混凝土板、钢弹簧隔振器和混凝土基座组成，本质上是一个质量弹簧隔振系统。由于列车的载荷过大且载荷作用次数频繁，钢弹簧隔振器容易产生疲劳失效。此时，如果利用压电材料制作一种集能器放置于浮动混凝土板与混凝土基座之间的间隙，不仅能够提高浮动混凝土板与钢弹簧隔振器的疲劳强度，而且能够将机械能转换为电能，满足轨道交通中低功耗器件的供电需求，实现绿色环保、可持续发展的节能减排目标。

列车车辆引起的振动是一种清洁、连续、稳定的能源，而压电能量收集装置具有能量密度高、无电磁干扰、易于实现小型集成化等优点，适合用于收集这种能源。目前，比较成熟的压电能量收集装置的结构主要有钹式结构、堆叠式结构和悬臂梁式结构。钹式结构和堆叠式结构具有形变量小的特点，导致其压电效应产生的电输出功率过低，所以前两种结构直接应用于轨道中的能量收集效果并不好。

为了解决上述问题，本实施例提供一种应用于轨道的圆周分布式压电能量收集装置，如图1和图2中所示，所述装置包括：箱体10、设置在所述箱体10内的橡胶块20、设置在所述橡胶块20上方的压板30、设置在所述橡胶块20下方的压电模块50。在本实施例中，所述压电模块50包括有压环501和压电片503，所述压环501位于所述橡胶块20的下方，所述压电片503位于压环501的下方，并且所述压电片503设置在所述箱体10的四周，呈圆周分布，当所述压板30因上方受到压力而向下挤压所述橡胶块20时，所述压环501向下挤压所述压电片503，以产生电压。在本实施例中，由于所述压电片503设置在所述箱体10的四周，呈圆周分布，能提高单位面积上使用的压电片数量，从而提高压电功率输出，能量收集效率更高。

本实施例中的箱体10可设置成圆柱型箱体10，此时压电片503就可以设置在所述圆柱型箱体10外周围上，因此，所述压电片503就是呈辐射状分布，从而更有利于收集能量。

具体地，本实施例中的压电模块50还包括有轴杆502，所述压板30、所述橡胶块20以及所述压环501均套接在所述轴杆502上，并且所述轴杆502上设置有支撑块40，所述支撑块40位于所述橡胶块20的下方。具体实现时，本实施例中的所述压板30上与所述轴杆502的顶部设置有螺纹孔5021，所述螺纹孔5021内设置有螺钉5022，通过所述螺钉5022将所述压板30固定在所述轴杆502上。所述橡胶块20上设置有第一通孔，所述支撑块40上设置有第二通孔，并且压板30上的螺纹孔5021与橡胶块20上的第一通孔以及支撑块40上的第二通孔中心轴线对齐，所述橡胶块20通过所述第一通孔与所述轴杆502实现非固定套接，所述支撑块40通过所述第二通孔与所述轴杆502实现非固定套接。因此，所述压板30与支撑块40都固定在轴杆502上。当载荷作用于所述压板30上时，所述橡胶块20受所述压板30挤压向下变形，当载荷作用消失时，所述橡胶块20舒张带动压板30向上运动，起到恢复压板30位置的作用。当所述压板30运动时，所述轴杆502也随着运动，这样就会带动轴杆502上的压环501来对压电片503进行挤压，从而产生电压。

进一步地，本实施例中的压电片503设置成悬臂梁式的，并且所述压电片503包括基片、设置在基片上方的上层压电片503以及设置在基片下方的下层压电片503；所述上层压电片503与所述下层压电片503采用双层串联的电连接，且极化方向相反，这样其总的输出电压和总的输出电量为单层压电片503的2倍。上层压电片503、下层压电片503和中间基片一起称为“振子”。本实施例中的所述压环501设置有多个，且间隔设置在所述轴杆502上。具体设置时，如图3与图4所示，所述箱体10四周设置有方形孔101，在该方形孔内设置有一滑块504，该滑块504上设置有滑槽506，所述压电片503的一端设置在所述滑槽506内，所述压电片503的另一端位于相邻两个压环501之间，从而形成悬臂梁式的压电模块50。具体实现时，本实施例中的压电片503中的中间基片一端部与所述滑块504的滑槽506配合在一起，也就是说，基片的一端部卡合在滑槽506内，以实现压电片503与滑块504之间的安装。本实施例中的压电片503采用滑槽506的方式实现安装，操作方便，并且还可实现该压电片503的可拆卸。在另一种实现方式中，本实施例中的压电片503还可以在高度方向上实现多层分布，具体如图3中所示，所述箱体10的上的方形孔101设置成阶梯型，即在高度方向上设置有多个方形孔101，每一个方形孔101内都设置有滑块504以及压电片503，就使得圆周方向上分布有更多的压电片503，每一个压电片503都设置在相邻两个压环501之间，从而进一步提高了整个装置的压电功率输出。本实施例中的滑块504上还设置有布线槽以及导线孔505，如图4中所示，通过所述布线槽以及导线孔505把压电模块50的导线统一从圆柱型的箱体10的内部引出，便于后续接处理电路及用电负载。当列车轮对行驶过埋设有本实施例的能量收集装置的轨道的时候，如图5中所示，列车轮对作用下浮动混凝土板受挤压，同时浮动混凝土板挤压所述压板30做向下运动。压板30带动轴杆502向下运动，轴杆502上的压环501再挤压悬臂梁式压电片503。由于压电材料的正压电效应，压电片503上、下表面会产生极性相反的电荷，这样便会在压电片503的上、下表面形成电压。

本实施例的能量收集装置还包括一垫块60，如图1和图2中所示，所述垫块60安装在箱体10底部，所述垫块60底面与圆柱型的箱体10底面平齐，所述垫块60的厚度大于箱体底部的厚度，轴杆502放置在垫块60上，其能起到垫高轴杆502的作用，方便轴杆502的定位，当所述能量收集装置安装好后再将垫块60抽走，以便于当压板30向下挤压时给予轴杆502向下运动的空间。

此外，本实施例还对由不同结构的橡胶块20组成的能量收集装置通过多物理场仿真软件COMSOL Multiphysics对其受载荷挤压之后产生的位移形变以及输出电压进行了模拟，如图6、图7和图8所示，图6为两种不同结构的橡胶块20组成的能量收集装置，图6中a为具有间隙结构的橡胶块20组成的能量装置，b为不具备间隙结构的橡胶块20组成的能量装置。从图7中可看出，由有间隙结构的橡胶块20组成的能量收集装置，其压环501和压电片503的位移形变都要大于由无间隙结构的橡胶块20组成的能量收集装置；压电片503的位移形变也是对应的有间隙结构的橡胶块20的要更大，即更有利于电能输出；由图8可知，由有间隙结构的橡胶块20组成的能量收集装置，其输出电压峰值远大于由无间隙结构的橡胶块20组成的能量收集装置，大约是6倍。本实施例还对压环501与压电片503的不同接触长度(接触长度分别是0.5,1.5,2.5,3.5mm)通过多物理场仿真软件COMSOL Multiphysics进行了模拟，如图9和图10中所示。图10中的(a)为在不同的接触长度下，施加相同的载荷示意图；图10中的(b)为在不同的接触长度下，输出的电压的示意图。从图10中可得出：输出电压与接触长度是负相关的关系，即当接触长度为0.5mm的时候，输出电压是最大的(是3.5mm的1.5倍)。减小接触长度不仅可以有效提高集能器的电学输出，而且能够减小压电片503的端面应力，即有利于延长压电片503的寿命，具体如图11所示。

基于上述实施例，本发明实施例还提供一种应用于轨道的圆周分布式压电能量收集装置的能量收集方法，如图12中所示，所述能量收集方法包括如下步骤：

步骤S100、当列车轮对行驶过埋设有所述应用于轨道的圆周分布式压电能量收集装置的轨道时，列车载荷作用下挤压压板向下运动；

步骤S200、压板挤压橡胶块带动轴杆向下运动，以使得轴杆上的压环挤压压电片，当列车轮对驶离时，载荷作用消失，在橡胶块的弹性恢复力作用下，橡胶块舒张带动压板向上运动，起到恢复压板和压环位置的作用，压电片发生悬臂梁式振动，产生电压；

步骤S300、将产生的电能经过整流、滤波、稳压等处理之后，收集于后续电路的超级电容中，满足轨道交通中的低功耗器件的供电需求。

本实施例中的所述能量收集方法的具体应用描述在上述实施例中已经描述，此处不再累述。

综上，本发明公开了一种应用于轨道的圆周分布式压电能量收集装置及方法，所述装置包括：箱体、设置在所述箱体内的橡胶块、设置在所述橡胶块上方的压板、设置在所述橡胶块下方的压电模块；所述压电模块包括压环和压电片，所述压环位于所述橡胶块的下方；所述压电片位于所述压环的下方，且所述压电片设置在所述箱体的四周，呈圆周分布，当所述压板因上方受到压力而向下挤压所述橡胶块时，所述压环向下挤压所述压电片，以产生电压。本发明通过将压电片设置在所述箱体的四周，呈圆周分布，能提高单位面积上使用的压电片数量，从而提高压电功率输出，能量收集效率更高。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。