一种简支梁支撑式的道路压电发电装置以及发电模组

技术领域

本发明涉及能量回收装置领域，尤其涉及的是一种简支梁支撑式的道路压电发电装置以及发电模组。

背景技术

目前煤炭仍然占能源消费的比例较大。虽然大力发展可再生能源，例如风力发电、太阳能发电和生物质能发电等，然而风力发电会受到气候和地域的限制，太阳能发电受到天气和设备的限制，生物质能发电占比较低，因此需要开发具有潜力的新能源。

道路路面在承受其上方行驶车辆载荷的反复作用的同时，会在内部产生大量的振动机械能。不论是普通水泥混凝土路面还是沥青混凝土路面，在车辆轴载作用下，路面内部都将会产生或多或少的横向或纵向振动，这些作用的机械能通常体现为路面的振动、变形、磨损、开裂等病害，并最终以热能的形式耗散在环境中。若能在路面内部铺设压电发电装置，利用压电材料的正压电效应将路面振动的机械能转化为电能并收集起来，那么在庞大的交通流量下，会带来可观的年均发电量，并且还能够缓解车辆载荷对路面的损坏。目前使用较多的堆叠式压电发电装置结构紧凑，压电片的活动空间有限，压电片能够产生的变形小，导致产生的电能少，发电效率低。

因此，现有技术还有待于改进和发展。

发明内容

鉴于上述现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种简支梁支撑式的道路压电发电装置以及发电模组，解决现有技术中由于堆叠式压电发电结构的结构紧凑，导致产生的电能少，发电效率低的问题。

本发明的技术方案如下：

一种简支梁支撑式的道路压电发电装置，其中包括：

支撑座；

至少一对简支梁，至少一对简支梁分别设置在支撑座的左右两侧，简支梁上开设有安装口；

压电片，压电片设置在两侧的简支梁上，并嵌于两侧的安装口内，两侧简支梁之间并位于压电片下方形成变形空间；

受压件，受压件承载道路上的行车或行人载荷，并在压力作用下而挤压压电片，使压电片发生上下振动变形，从而产生电能。

可选地，安装口设置在简支梁的左右方向的侧面上；

受压件包括：压板，压板用于承受压力而下移；

弹性件，弹性件设置在压板和支撑座之间，并用于对压板施加远离压电片的弹力；

下压件，下压件设置在压板朝向压电片的一侧，并位于压电片的上方；

回位件，回位件连接在下压件上，并位于压电片的下方。

可选地，支撑座包括：外壳，外壳内设置有安装腔；

悬架支撑板，悬架支撑板设置在安装腔内，至少一对简支梁设置在悬架支撑板上；

至少一对挡板，至少一对挡板可拆卸设置在悬架支撑板的左右两侧，压电片位于两侧的挡板之间。

可选地，安装腔内设置有限位台阶，限位台阶上设置有隔板；

弹性件位于隔板和压板之间。

可选地，外壳的前后两侧的至少一侧的侧壁上开设有导向槽，下压件的至少一端位于导向槽内。

其中，外壳的前后两侧的侧壁上均开设有导向槽，下压件和回位件的前后两端均位于导向槽内。

可选地，简支梁设置有多对，多对简支梁沿前后方向间隔排列设置；

压电片与多对简支梁相匹配设置多个。

可选地，沿前后方向间隔排列设置的多对简支梁与对应的多个压电片组成一个压电组件，多个压电组件沿左右方向间隔并排设置；

其中，3个压电组件沿左右方向间隔并排设置，每个压电组件中设置有3对简支梁。

可选地，道路压电发电装置还包括能量收集电路，能量收集电路包括整流单元和负载匹配单元；

整流单元电连接压电片，并用于将压电片所产生的电流转换为直流电；

负载匹配单元电连接整流单元，并用于对负载直接供电。

可选地，整流单元包括：由二极管D1、二极管D2、二极管D3以及二极管D4组成的全桥整流桥，二极管D1与二极管D3之间、二极管D2与二极管D4之间分别形成整流输入端口，压电片的两极分别电连接在两个整流输入端口上；

二极管D1与二极管D2之间、二极管D3与二极管D4之间分别形成整流输出端口，两个整流输出端口分别连接负载匹配单元；

负载匹配单元包括：储能滤波电容Cr，储能滤波电容Cr的两极分别电连接整流输出端口；

二极管D5，二极管D5与储能滤波电容Cr串联；

电感L，电感L与储能滤波电容Cr和二极管D5并联，电感L的两电极分别电连接整流输出端口；

开关S，开关S的一个端口电连接一个整流输出端口，另一端口连接在电感L与二极管D5；

负载电阻R，负载电阻R与储能滤波电容Cr并联；

电感L在开关S闭合时与压电片受压而形成的电容C

可选地，整流单元设置多个,每个整流单元对应连接一个压电片；

多个整流单元并联连接在一个负载匹配单元上。

另一方面，本申请还提出一种发电模组，包括多个如上所述的简支梁支撑式的道路压电发电装置，多个所述道路压电发电装置呈矩形阵列排列；

多个所述道路压电发电装置沿道路前后方向设置有5排，每排中有2个所述道路压电发电装置沿左右方向并排排列；

每个所述道路压电发电装置具有3排3列设置的压电片。

有益效果：本申请提出的一种简支梁支撑式的道路压电发电装置以及发电模组，其中通过利用压电片在简支梁边界条件下的弯曲振动模式，使压电片变形而产生电能。并且在简支梁上设置安装口，使压电片可以安装在左右两侧的简支梁之间，从而使压电片悬架在压板的正下方，由于两侧设置的简支梁，从而使简支梁之间形成变形空间，使压电片在受到受压件的挤压时，可以在变形空间内产生大变形，有足够的让位空间。受压件受到道路上的行车或行人载荷后向下运动，对悬置的压电片向下挤压，使其产生弯曲振动，发生形变，从而产生电能。因此，简支梁之间的变形空间能够给予压电片更多的振动空间，使压电片能够发生更大的变形，从而产生更多的电能。另外，本申请中的压电片并非固定在简支梁上，可以在安装口中进行自由抽取，如果压电片在被挤压过程中发生损坏，可以直接更换新的压电片，压电片的更换更加方便，实用性更强。

附图说明

图1为本发明实施例一种简支梁支撑式的道路压电发电装置的爆炸图；

图2为本发明实施例一种简支梁支撑式的道路压电发电装置的剖视图；

图3为本发明实施例一种简支梁支撑式的道路压电发电装置的另一视角的剖视图；

图4为本发明实施例一种简支梁支撑式的道路压电发电装置的压电片的安装示意图；

图5为本发明实施例一种简支梁支撑式的道路压电发电装置的压电片的受压示意图；

图6为本发明实施例一种简支梁支撑式的道路压电发电装置的下压件和回位件固定示意图；

图7为本发明实施例一种简支梁支撑式的道路压电发电装置采用3排3列(共9个)压电片的爆炸图；

图8为本发明实施例一种简支梁支撑式的道路压电发电装置的能量收集电路的电路原理图；

图9为本发明实施例一种简支梁支撑式的道路压电发电装置的另一种能量收集电路的电路原理图；

图10为本发明实施例一种简支梁支撑式的道路压电发电装置采用1排3个压电片在瞬态条件下所产生的电压曲线图；

图11为本发明实施例一种简支梁支撑式的道路压电发电装置采用1排3个压电片在瞬态条件下所产生的总电能曲线图；

图12为本发明实施例一种简支梁支撑式的道路压电发电装置采用3排3列(共9个)压电片在瞬态条件下所产生的总电能曲线图；

图13为本发明实施例一种发电模组的排列示意图；

图14为本发明实施例在验证时激励频率为8Hz的正弦波图；

图15为本发明实施例一种简支梁支撑式的道路压电发电装置在不同频率下所产生的电压曲线图；

图16为本发明实施例一种简支梁支撑式的道路压电发电装置在不同频率下所产生的功率曲线图。

图中各标号：100、支撑座；110、外壳；111、安装腔；112、限位台阶；113、导向槽；120、悬架支撑板；121、挡板；130、隔板；200、简支梁；210、安装口；220、变形空间；300、压电片；400、受压件；410、压板；420、下压件；430、回位件；440、弹性件；500、能量收集电路；510、整流单元；520、负载匹配单元。

具体实施方式

本发明提供了一种简支梁支撑式的道路压电发电装置以及发电模组，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例对本发明可选地详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

如图1、图2所示，本实施例中提出一种简支梁支撑式的道路压电发电装置，可以设置在路面上，通过路面上行驶的车辆或行人的踩踏而将机械能转换为电能，从而实现发电。简支梁支撑式的道路压电发电装置具体包括：支撑座100、至少一对简支梁200、压电片300以及受压件400。在道路上开设预埋坑，将支撑座100设置在预埋坑中。为方便结构描述，支撑座100设置为方形结构，以支撑座100长边所在方向为前后方向，支撑座100短边所在方向为左右方向，支撑座100厚度所在方向为上下方向。在支撑座100内设置有安装腔111，至少一对简支梁200设置在安装腔111中，至少一对简支梁200分别设置在支撑座100的左右两侧，简支梁200上开设有安装口210。简支梁200上的安装口210设置在简支梁200的左右侧面上，通过将压电片300嵌于左右两侧的安装口210内，从而使压电片300连接在两侧的简支梁200上，通过左右两侧的简支梁200对压电片300的左右两端进行支撑，而压电片300的中间悬空，在左右两侧的简支梁200之间并位于压电片300下方形成变形空间。受压件400可以部分位于压电片300的上侧，并覆盖在安装腔111的开口表面，而受压件400受到道路上的行车或行人载荷挤压后向下运动，从而向下挤压压电片300，使压电片300产生电能。

本方案通过在左右两侧设置简支梁200，并在简支梁200上设置安装口210，使压电片300可以安装在左右两侧的简支梁200之间，从而使压电片300悬架在压板410的正下方，由于两侧设置的简支梁200，从而使简支梁200之间形成变形空间220，使压电片300在受到受压件400的挤压时，可以在变形空间220内产生大变形，有足够的让位空间。受压件400受到道路上的行车或行人载荷后向下运动，对悬置的压电片300向下挤压，使其产生弯曲振动，发生形变，从而产生电能。因此，简支梁200之间的变形空间220能够给予压电片300更多的振动空间，使压电片300能够发生更大的变形，从而产生更多的电能。另外，本申请中的压电片300并非固定在简支梁200上，可以在安装口210中进行自由抽取，如果压电片300在被挤压过程中发生损坏，可以直接更换新的压电片300，压电片300的更换更加方便，实用性更强。

如图1、图3、图4所示，进一步地，本实施例的具体结构中，安装口210设置在简支梁200的左右方向的侧面上；例如简支梁200可以采用支板，支板的左右侧的外壁上贯穿设置有安装口210，左右两侧的支板间隔设置，且两侧的安装口210正对。安装口210具有上限位面和下限位面，压电片300嵌于安装口210内后通过上限位面和下限位面进行限位支撑，使压电片300的左右两端进行上下限位。

安装口210沿前后方向的长度可以比压电片300的直径大。也可以是：安装口210沿前后方向的长度比压电片300的直径小，从而安装口210也作为卡口，对压电片300的左右移动进行限位，保证压电片300安装的稳定性。

如图3、图4、图5所示，进一步地，本实施例中的支撑座100具体包括：外壳110、悬架支撑板120以及至少一对挡板121。外壳110内形成安装腔111，悬架支撑板120设置在安装腔111内，至少一对简支梁200设置在悬架支撑板120上。具体结构中，悬架支撑板120可拆卸设置在安装腔111内，简支梁200设置在悬架支撑板120上，这样当外壳110固定在预埋坑内后固定不动，而悬架支撑板120可被拆卸而移出安装腔111并进行压电片300的更换。本实施例中的简支梁200可拆卸设置在悬架支撑板120上，这样当安装口210沿前后方向的长度比压电片300的直径小时，如果进行压电片300更换，可以直接将简支梁200和压电片300取下，再进行更换压电片300。

如图4、图5所示，如果安装口210沿前后方向的长度可以比压电片300的直径大时，设置至少一对挡板121可拆卸设置在悬架支撑板120的左右两侧，使压电片300位于两侧的挡板121之间，从而通过左右两侧的挡板121对压电片300进行限位。在进行压电片300更换时，简支梁200可以固定不变，而将挡板121拆卸后，通过从一侧推出压电片300，从而实现对压电片300的更换。本实施例中的挡板121可以采用弧形挡板121，弧形挡板121的内壁与圆形的压电片300的外形轮廓相配，这样可以对压电片300的左右两侧进行稳定限位。

如图1、图3、图5所示，进一步地，本实施例中的受压件400具体包括：压板410、弹性件440、下压件420以及回位件430。压板410用于覆盖在安装腔111的上开口，并用于承受道路上车辆或行人的压力从而朝向下移动。下压件420设置在压板410朝向压电片300的一侧，并位于压电片300的上方。为使压电片300的受压比较集中，下压件420呈长条形并沿前后方向延伸设置，从而形成T型压板。下压件420的下表面沿左右方向的宽度远小于压电片300的直径，例如为1/5，从而当下压件420下压时，使压力集中到压电片300的左右方向的中间区域，从而使压电片300的变形量更大，产生的电能更多。弹性件440设置在压板410和支撑座100之间，并用于对压板410施加远离压电片300的弹力，当下压件420受压而向下移动后，通过弹性件440的作用而可以恢复到原位。回位件430连接在下压件420上，并位于压电片300的下方。回位件430的前后两端连接在下压件420的前后两端上，从而使下压件420与回位件430之间形成条形槽，压电片300位于条形槽内。当下压件420在弹性件440的作用下向上回位时，同时带动回位件430向上移动，而压电片300由于向下变形时会产生形变，而上移的回位件430可以从压电片300的下方推动压电片300，从而使压电片300可以复原。另外，弹性件440的弹性作用使压板410在上下方向有移动空间，从而起到限制压板410运动的范围的作用。

如图1、图3所示，进一步地，安装腔111内设置有限位台阶112，限位台阶112上设置有隔板130，弹性件440位于隔板130和压板410之间。通过限位台阶112与隔板130形成对弹性件440的稳定支撑，本实施例的弹性件440可以采用橡胶垫。

如图1、图2、图6所示，进一步地，外壳110的前后两侧的侧壁上开设有导向槽113，下压件420和回位件430的两端位于导向槽113内。下压件420和回位件430卡嵌在导向槽113内进行上下移动，通过导向槽113对下压件420和回位件430的移动进行导向，使下压件420和回位件430的移动更稳定。卡嵌在导向槽113中的下压件420和回位件430的前后端孔配合安装，并通过插入螺纹紧固件(如螺栓、螺母配合垫片)来固定。

如图3、图4所示，进一步地，简支梁200设置有多对，多对简支梁200沿前后方向间隔排列设置，压电片300与多对简支梁200相匹配设置多个。在前后方向设置多个压电片300，通过下压件420的一次下压，同时使多个压电片300变形，从而产生更多的电能。本实施例中在前后方向上可以设置3对简支梁200，对应设置3个压电片300。

如图4、图7所示，进一步地，沿前后方向间隔排列设置的多对简支梁200与对应的多个压电片300组成一个压电组件，多个压电组件沿左右方向间隔并排设置。这样通过压板410一次受压移动，可以实现多组压电组件产生电能，可以实现一次受压后的生产更多的电能。

如图7所示，本实施例中的3个压电组件沿左右方向间隔并排设置，每个压电组件中设置有3个压电片300。因此通过压板410一次受压移动，可以实现3组压电组件产生电能，每组压电组件中又有3个压电片300产生电能，从而实现一次受压后所产生的电能最优化。

本方案中，通过T型压板受到道路上的行车或行人载荷挤压后向下运动，在压板410的下移作用下，下压件420同时对下方的简支梁200所支撑的3个压电片300进行挤压，由于外壳110上的导向槽113与下压件420的配合作用，确保沿前后方向设置的3个压电片300变形方向一致，压电片300因挤压发生弯曲振动，产生电势。外壳110内部结构通过外壳110的保护而隔绝外界，从而使位于安装腔111内的结构不受外界干扰。压板410与压电片300之间放置橡胶垫，通过橡胶垫的弹性作用而起到限制压板410运动的范围以及恢复压板410到初始位置的作用，使压电片300在材料强度范围内产生最大电势量。通过设置在压电片300下方的变形空间内的回位件430，与下压件420下端相连接。当道路压电发电装置在工作时，压板410和下压件420长期向下挤压压电片300会使压电片300向下凹陷，导致压电片300被向下挤压的空间越来越小，产生的电压也随之变小，因此每一次压板410向下挤压结束后，通过回位件430的回位作用而向上托起压电片300，使向下凹陷后的压电片300可以被向上顶起，从而确保压电片300恢复到原来的平整状态，保证了压电片300的性能稳定，以及更长的使用寿命。

如图8所示，进一步地，道路压电发电装置还包括能量收集电路500，能量收集电路500包括整流单元510和负载匹配单元520，整流单元510电连接压电片300，并用于将压电片300所产生的电流转换为直流电，负载匹配单元520电连接整流单元510，并用于对负载直接供电。通过整流单元510将压电片300两端口所产生的交流电进行整流，从而得到直流电，直流电可以流入负载匹配单元520中进行储能，通过储能方式为负载供电；直流电也能为负载直接供电，通过直流电直接输出给负载，负载中的负载电阻的功率消耗完全来于本能量收集电路500。采用能量收集电路500可以高效完成电能收集以及负载供电，发电效率高，实用性强。

如图8所示，进一步地，本实施例中的整流单元510包括：由二极管D1、二极管D2、二极管D3以及二极管D4组成的全桥整流桥，二极管D1与二极管D3之间、二极管D2与二极管D4之间分别形成整流输入端口，压电片的两极分别电连接在两个整流输入端口上。二极管D1与二极管D2之间、二极管D3与二极管D4之间分别形成整流输出端口，两个整流输出端口分别连接负载匹配单元。让压电片两端输出的交流电经过全桥整流桥，从而输出直流电。

如图8所示，本实施例中的负载匹配单元520包括：储能滤波电容Cr，二极管D5，电感L，开关S，储能滤波电容Cr的两极分别电连接整流输出端口，二极管D5与储能滤波电容Cr串联；电感L与储能滤波电容Cr和二极管D5并联，电感L的两电极分别电连接整流输出端口；开关S的一个端口电连接一个整流输出端口，另一端口连接在电感L与二极管D5。储能滤波电容Cr用于与负载电阻R并联；负载电阻R可以通过整流单元直接供电或通过储能滤波电容Cr内所存储的电能对其供电。其中电感L在开关S闭合时与压电片受压而形成的电容C

具体工作过程中：全桥整流桥由二极管D1、二极管D2、二极管D3、二极管D4组成，压电片在变形时形成电容C

如图8、图9所示，进一步地，整流单元设置多个,每个整流单元对应连接一个压电片，多个整流单元并联连接在一个负载匹配单元上。

由于压电片产生的电压相对较高，但产生电流很低，所以本实施例中的能量收集电路把每个压电片进行并联，使得最终电路输出的电压不变，电流为每个压电片输出的总和。根据实验可知，无论外接负载电阻R的阻值大小，每个压电片输出的电能先整流再并联的方式要比先并联再一起整流的方式输出的功率更多，效果更好。

本实施例的道路压电发电装置的效果验证过程如下：

利用COMSOL软件对道路压电发电装置进行了瞬态条件下的有限元仿真，将设计好的含有一个压电组件，每个压电组件含前后三个压电片的道路压电发电装置模型导入到软件中，并给每个部件设置适合的材料，压电材料选用软件自带的PZT-5H材料，设置其施加的压力为模拟道路交通中的车载0.7Mpa与高斯脉冲相乘，其仿真结果瞬态条件下压电发电装置的输出电压和功率如图10、图11所示。由图示可知，在贴近实际情况的瞬态条件下，其能达到的最大电势在5.5V左右，产生的最大总电能功率为0.03mW左右。

为使本道路压电发电装置能够产生更大的功率，将装置模型的规模进行了扩大。如图7所示，将原装置的1排3列规模增大至3排3列，即含一个压电组件规模增大至含三个压电组件的规模，每个压电组件含前后三个压电片，所形成的道路压电发电装置能够放置9个压电片。由于压电片的数量发生变化，预计该道路压电发电装置一次产生的电功率是前一个装置的3倍左右。为了证实这个预想，对该3排3列的道路压电发电装置也进行了COMSOL有限元仿真。装置产生的电功率结果如图12所示，与图11结果相比，两者电功率的最大值确实相差接近3倍左右，因此得到：道路压电发电装置中压电片的数量与装置的输出电功率线性正相关。

本申请还提出一种发电模组，具体如下：

如图7、图13所示，对本道路压电发电装置的实际使用效果进行验证：以3排3列(9个压电片)的道路压电发电装置为例，按照每10个道路压电发电装置为一个发电模组铺设在路面内，其中一个发电模组中沿道路前后方向设置有5排，每排中有2个道路压电发电装置沿左右方向并排排列。在一段道路上，每个发电模组整体长约为2米，模组与模组之间间距1米。如图13所示，那么在100米的范围内，能够放置约33个模组，假设每个道路压电发电装置的输出功率与上述仿真结果相仿(约为0.09mW)，那么每个发电模组能够输出0.9mW的功率，则每辆车经过这100米道路时，就能够产生29.7mW的电功率。假如该百米路段每小时约有500辆车经过，那么这些发电装置每小时能够输出约14.85W的电功率。可见，本道路压电发电装置的发电效果较好。

激励频率与车辆速度的转化关系如下：假设一辆中型车辆的轴间距为3.4m，在高速公路上的行驶速度达到100km/h，则其作用时间＝车辆轴距/行驶速度，能够计算出车辆对路面的激励频率约为8.2Hz，这里取8Hz作为估测频率。根据相关规定，不同轴重的车辆以不同的速度行驶，在公路上的速度分布在50km/h到100km/h之间。又因为车辆的轴间距不同，所以相应的激励频率预估在1Hz-10Hz之间。在此次验证过程中，利用COMSOL软件分别对2Hz、4Hz、6Hz、8Hz及10Hz五种不同激励频率进行有限元仿真，行车载荷的设置使用正弦波进行近似表示，车辆与路面之间的接触载荷值设置为0.7Mpa应力乘以不同激励频率的正弦波，如图14为激励频率为8Hz的正弦波图。COMSOL软件中导入含一个压电组件的1排3列式道路压电发电装置模型，不同激励频率下的输出电压和功率结果如图15、图16所示，根据结果图可知随着激励频率的增大，道路压电发电装置转化输出的电压更高，输出的电能更大。说明了当车辆载荷相等时，车辆速度在该路段限速范围内越高、压电发电装置收集到的电能越多。

综上所述，本发明提出的一种简支梁支撑式的道路压电发电装置以及发电模组，通过简支梁之间的变形空间能够给予压电片更多的振动空间，使压电片能够发生更大的变形，从而产生更多的电能。另外，压电片在简支梁上可以通过安装口进行自由抽取，如果压电片在被挤压过程中发生损坏，可以直接更换新的压电片，压电片的更换更加方便，实用性更强。

应当理解的是，本发明的应用不限于上述的举例，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。