專利名稱：行車荷載路面振動能量壓電發(fā)電測量方法及其系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及環(huán)境能量俘獲領(lǐng)域，特別是涉及一種行車荷載路面振動能量壓電發(fā)電測量方法及其系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
隨著對能量使用效率及對環(huán)境清潔和保護(hù)要求的不斷提高，開發(fā)環(huán)保無污染的新型能源越來越成為熱門課題之一。行駛的車輛不可避免的給路面帶來壓力和沖擊，引起路面內(nèi)部縱橫兩方面的應(yīng)變和應(yīng)力，所產(chǎn)生的能量既產(chǎn)生振動、噪音，嚴(yán)重影響路面壽命和周圍環(huán)境。為了將這部分能量回收利用，一些系統(tǒng)和方法已經(jīng)被開發(fā)出。這其中利用壓電材料的正壓電效應(yīng)所開發(fā)的壓電發(fā)電裝置，具有俘能效率高、能量密度大、工作可靠、適應(yīng)性強(qiáng)、無污染、成本低等突出優(yōu)點(diǎn)，從環(huán)境振動或噪聲中提取能量的性能最好，成為一種行之有效的好方法，受到了廣泛的重視。中國專利CN2591264Y，公布了 一種路面壓電式發(fā)電裝置。該發(fā)明包括路面覆蓋板、其下方凹坑、坑內(nèi)縱橫梁和貼于其上的含有多層疊合壓電片的壓電發(fā)電裝置。當(dāng)車輛駛過路面覆蓋板時，覆蓋板產(chǎn)生的壓力使梁上的壓電片發(fā)生變形，從而獲得電能。這一專利思路非?？茖W(xué)，然而此專利所保護(hù)的技術(shù)沒能將發(fā)電裝置與路面結(jié)構(gòu)有機(jī)的結(jié)合起來，安裝時將會對路面路基結(jié)構(gòu)造成很到的破壞，使得該系統(tǒng)既無法連續(xù)鋪設(shè)，也有一定的安全隱患。中國專利CN 200510041604.1公布了一種利用公路系統(tǒng)振動能量壓電發(fā)電的方法及其系統(tǒng)。該專利將壓電裝置鋪設(shè)于路面內(nèi)或直接用壓電材料作為路面的組成部分，利用振動產(chǎn)生電能，并作為電力供應(yīng)加以儲存和利用。該專利將壓電發(fā)電裝置與路面結(jié)構(gòu)有機(jī)地結(jié)合，方便了施工和改造。由此可見，對收集車輛行駛路面振動能量的壓電發(fā)電方法和系統(tǒng)已經(jīng)有很多的資料可參考。但有關(guān)對車輛-路面-壓電俘能單元所構(gòu)成的整體系統(tǒng)進(jìn)行測量的方法和裝置，還沒有相關(guān)的資料可參考。因此，本專利提出了構(gòu)建行車荷載路面振動能量壓電發(fā)電測量系統(tǒng)和方法。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明主要解決的技術(shù)問題是提供一種行車荷載路面振動能量壓電發(fā)電測量方法及其系統(tǒng)，能夠?yàn)橄到y(tǒng)研究路面壓電俘能技術(shù)的機(jī)理、技術(shù)的應(yīng)用和推廣提供了條件，具有較高的學(xué)術(shù)價值和社會價值。為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明采用的一個技術(shù)方案是:提供一種行車荷載作用下路面振動能量壓電發(fā)電的測量系統(tǒng)，該測量系統(tǒng)包括設(shè)置于路面的壓電換能單元、控制總模塊和測量總模塊，所述壓電換能單元將路面振動能轉(zhuǎn)化為電能；由控制總模塊對行駛車輛進(jìn)行速度調(diào)整和載重施加，并對輸出電功率進(jìn)行電參數(shù)調(diào)整；由測量總模塊對車輛的速度和載重、路面的應(yīng)力和變形、壓電換能單元所俘獲的交流電的電流和電壓以及變換后的電壓和電流進(jìn)行測量；所產(chǎn)生的電能可作為一種電力供應(yīng)加以存儲和利用。
優(yōu)選的是，所述的控制總模塊包括車輛控制子模塊和電功率控制子模塊，由變速電機(jī)、載重物以及功率元件構(gòu)成。變速電機(jī)用于控制車輛的行駛速度，載重物用于對車輛進(jìn)行配重，功率元件則可調(diào)整最終輸出的電能。優(yōu)選的是，所述的測量總模塊包括車輛測量子模塊、路面測量子模塊和電參數(shù)測量子模塊，由速度、力和位移傳感器，以及示波器和萬用表構(gòu)成；速度傳感器用于測量車輛的實(shí)際行駛速度，力傳感器用于測量車輛行駛時的載重和路面的應(yīng)力，位移傳感器用于測量路面的變形量，示波器用于測量壓電俘能單元所產(chǎn)生的交流電的電壓和電流，萬用表用于測量電力變換模塊轉(zhuǎn)換后的直流電的電流和電壓。優(yōu)選的是，所述的電力變換包含整流器和DC/DC變換器，調(diào)整和變換步驟包括:
a.整流過程，將壓電俘能單元產(chǎn)生的交流電轉(zhuǎn)變?yōu)橹绷麟姡?br> b.DC/DC變換過程，對上述步驟a產(chǎn)生的直流電進(jìn)行電壓和電流的變換。一種行車荷載作用下路面振動能量壓電發(fā)電的測量方法，其特征在于:包括以下步驟:
A.在路面中置入至少一個壓電俘能單元，用于接收車輛行駛所產(chǎn)生的路面振動能量，該壓電俘能單元以壓電材料作為工作介質(zhì)，并利用正壓電效應(yīng)將振動能量轉(zhuǎn)化成電能；
B.將壓電俘能單元產(chǎn)生的電能送至一個調(diào)整器和變換器中，對電力進(jìn)行調(diào)整和變
換；
C.經(jīng)調(diào)整和變換后的電能由儲能裝置或最終用戶使用端接收，并對電能進(jìn)行存儲或利用。優(yōu)選的是，所述步驟A中的壓電俘能單元包括壓電換能器及其中間填充物，多個壓電俘能器縱橫陣列，用填充物黏結(jié)在一起，形成可俘獲大面積路面振動能的換能單元；
所述每個壓電換能器有2片電極，分別通過環(huán)氧樹脂粘接在壓電陶瓷片的上下，引線和電極間通過焊接或?qū)щ娔z連接；
所述壓電陶瓷片可以是單片也可以是多層壓電薄片組成，包括層積式壓電疊堆；
所述壓電俘能單元內(nèi)各個壓電俘能器之間通過引線進(jìn)行串/并聯(lián)連接。優(yōu)選的是，所述每個壓電換能器通過引線與調(diào)整器和DC/DC變換器在電學(xué)上進(jìn)行串聯(lián)連接，經(jīng)過調(diào)整和變換后的電能可通過串聯(lián)或并聯(lián)的方式接入儲能裝置或最終用戶。本發(fā)明的有益效果是:本發(fā)明一種行車荷載路面振動能量壓電發(fā)電測量方法及其系統(tǒng)具有以下優(yōu)點(diǎn):
1)、本系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單、應(yīng)用廣泛，可用于多種壓電俘能器、車輛、路面；
2)、本方法和系統(tǒng)可用于單獨(dú)測量壓電俘能器的壓電性能；
3 )、本方法亦適用于對路面的監(jiān)控和檢測。


圖1是本發(fā)明一種行車荷載路面振動能量壓電發(fā)電測量方法及其系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意 圖2是本發(fā)明一種行車荷載路面振動能量壓電發(fā)電測量方法及其系統(tǒng)的控制總模塊的功能構(gòu)成 圖3是本發(fā)明一種行車荷載路面振動能量壓電發(fā)電測量方法及其系統(tǒng)的測量總模塊的功能構(gòu)成 圖4是本發(fā)明一種行車荷載路面振動能量壓電發(fā)電測量方法及其系統(tǒng)的單個壓電俘能器結(jié)構(gòu)示意圖。
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合附圖對本發(fā)明的較佳實(shí)施例進(jìn)行詳細(xì)闡述，以使本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)和特征能更易于被本領(lǐng)域技術(shù)人員理解，從而對本發(fā)明的保護(hù)范圍做出更為清楚明確的界定。請參閱圖1至圖4，本發(fā)明實(shí)施例包括:
行車荷載路面振動能量壓電發(fā)電測量系統(tǒng)，該測量系統(tǒng)包括設(shè)置于路面的壓電換能單元、控制總模塊和測量總模塊，
控制總模塊包括車輛控制子模塊和電功率控制子模塊，由變速電機(jī)、載重物以及功率元件構(gòu)成。變速電機(jī)用于控制車輛的行駛速度，載重物用于對車輛進(jìn)行配重，功率元件則可調(diào)整最終輸出的電能。測量總模塊包括車輛測量子模塊、路面測量子模塊和電參數(shù)測量子模塊，由速度、力和位移傳感器，以及示波器和萬用表構(gòu)成；速度傳感器用于測量車輛的實(shí)際行駛速度，力傳感器用于測量車輛行駛時的載重和路面的應(yīng)力，位移傳感器用于測量路面的變形量，示波器用于測量壓電俘能單元所產(chǎn)生的交流電的電壓和電流，萬用表用于測量電力變換模塊轉(zhuǎn)換后的直流電的電流和電壓。電力變換包含整流器和DC/DC變換器，調(diào)整和變換步驟包括:
a.整流過程，將壓電俘能單元產(chǎn)生的交流電轉(zhuǎn)變?yōu)橹绷麟姡?br> b.DC/DC變換過程，對上述步驟a產(chǎn)生的直流電進(jìn)行電壓和電流的變換。壓電換能單元將路面振動能轉(zhuǎn)化為電能；由控制總模塊對行駛車輛進(jìn)行速度調(diào)整和載重施加，并對輸出電功率進(jìn)行電參數(shù)調(diào)整；由測量總模塊對車輛的速度和載重、路面的應(yīng)力和變形、壓電換能單元所俘獲的交流電的電流和電壓以及變換后的電壓和電流進(jìn)行測量；所產(chǎn)生的電能可作為一種電力供應(yīng)加以存儲和利用。一種行車荷載作用下路面振動能量壓電發(fā)電的測量方法，其特征在于:包括以下步驟:
A.在路面中置入至少一個壓電俘能單元，用于接收車輛行駛所產(chǎn)生的路面振動能量，該壓電俘能單元以壓電材料作為工作介質(zhì)，并利用正壓電效應(yīng)將振動能量轉(zhuǎn)化成電能；所述壓電俘能單元包括壓電換能器及其中間填充物，多個壓電俘能器縱橫陣列，用填充物黏結(jié)在一起，形成可俘獲大面積路面振動能的換能單元；
所述每個壓電換能器有2片電極，分別通過環(huán)氧樹脂粘接在壓電陶瓷片的上下，引線和電極間通過焊接或?qū)щ娔z連接；
所述壓電陶瓷片可以是單片也可以是多層壓電薄片組成，包括層積式壓電疊堆；
所述壓電俘能單元內(nèi)各個壓電俘能器之間通過引線進(jìn)行串/并聯(lián)連接。每個壓電換能器通過引線與調(diào)整器和DC/DC變換器在電學(xué)上進(jìn)行串聯(lián)連接，經(jīng)過調(diào)整和變換后的電能可通過串聯(lián)或并聯(lián)的方式接入儲能裝置或最終用戶。B.將壓電俘能單元產(chǎn)生的電能送至一個調(diào)整器和變換器中，對電力進(jìn)行調(diào)整和變換； C.經(jīng)調(diào)整和變換后的電能由儲能裝置或最終用戶使用端接收，并對電能進(jìn)行存儲或利用。實(shí)施例的技術(shù)路線是:在車輛的作用下，路面內(nèi)部產(chǎn)生應(yīng)變和應(yīng)力，引起埋設(shè)其內(nèi)部的壓電俘能單元的壓電效應(yīng)，產(chǎn)生電能。車輛的速度和載重分別由控制總模塊下的速度控制子模塊和載重控制子模塊控制，而車輛實(shí)際的速度和載重量則由測量總模塊下的速度和重量測量子模塊分別測量，路面內(nèi)部的變形和應(yīng)力則由測量總模塊下的應(yīng)變和應(yīng)力測量子模塊分別測量。在車輛不同的速度和載重作用下，置于路面內(nèi)部的壓電俘能單元亦產(chǎn)生不同大小的電能。所產(chǎn)生電的電壓和電流大小由測量總模塊中的電壓和電流測量子模塊分別進(jìn)行測量。此時所產(chǎn)生的電為交流電。由于壓電俘能單元所產(chǎn)生的為高電壓、小電流的交流電，不能直接使用，需要先將所產(chǎn)生的電能降壓和穩(wěn)壓處理。因此，所產(chǎn)生的電與電力變換環(huán)節(jié)相連，進(jìn)行整流和變換。電力變換裝置對電能的調(diào)整和變換包括以下步驟:1)利用整流器，將壓電材料產(chǎn)生的交流電變?yōu)橹绷麟姡?)利用DC/DC變換器，對整流過程產(chǎn)生的直流電進(jìn)行電壓和電流交換。在本實(shí)例中，采用了全橋整流器和壓電俘能單元的電能輸出端子相連，用于將壓電俘能單元的交流電轉(zhuǎn)換成直流電；DC/DC變換器和全橋整流器連接，用于調(diào)整全橋整流器輸出的電壓和電流。功率控制子模塊與DC/DC變換器相連，采用功率控制開關(guān)器件，來執(zhí)行控制信號指令的傳達(dá)，并分別用電流和電壓傳感器來采集DC/DC變換器輸出端的電壓和電流信號，以PWM形式向儲能裝置或最終用戶端輸出。本發(fā)明一種行車荷載路面振動能量壓電發(fā)電測量方法及其系統(tǒng)具有以下優(yōu)點(diǎn):
1)、本系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單、應(yīng)用廣泛，可用于多種壓電俘能器、車輛、路面；
2)、本方法和系統(tǒng)可用于單獨(dú)測量壓電俘能器的壓電性能；
3 )、本方法亦適用于對路面的監(jiān)控和檢測。以上所述僅為本發(fā)明的實(shí)施例，并非因此限制本發(fā)明的專利范圍，凡是利用本發(fā)明說明書及附圖內(nèi)容所作的等效結(jié)構(gòu)或等效流程變換，或直接或間接運(yùn)用在其他相關(guān)的技術(shù)領(lǐng)域，均同理包括在本發(fā)明的專利保護(hù)范圍內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種行車荷載作用下路面振動能量壓電發(fā)電的測量系統(tǒng)，其特征在于:該測量系統(tǒng)包括設(shè)置于路面的壓電換能單元、控制總模塊和測量總模塊，所述壓電換能單元將路面振動能轉(zhuǎn)化為電能；由控制總模塊對行駛車輛進(jìn)行速度調(diào)整和載重施加，并對輸出電功率進(jìn)行電參數(shù)調(diào)整；由測量總模塊對車輛的速度和載重、路面的應(yīng)力和變形、壓電換能單元所俘獲的交流電的電流和電壓以及變換后的電壓和電流進(jìn)行測量；所產(chǎn)生的電能可作為一種電力供應(yīng)加以存儲和利用。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的行車荷載作用下路面振動能量壓電發(fā)電的測量系統(tǒng)，其特征在于:所述的控制總模塊包括車輛控制子模塊和電功率控制子模塊，由變速電機(jī)、載重物以及功率元件構(gòu)成，變速電機(jī)用于控制車輛的行駛速度，載重物用于對車輛進(jìn)行配重，功率元件則可調(diào)整最終輸出的電能。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的行車荷載作用下路面振動能量壓電發(fā)電的測量系統(tǒng)，其特征在于:所述的測量總模塊包括車輛測量子模塊、路面測量子模塊和電參數(shù)測量子模塊，由速度、力和位移傳感器，以及示波器和萬用表構(gòu)成；速度傳感器用于測量車輛的實(shí)際行駛速度，力傳感器用于測量車輛行駛時的載重和路面的應(yīng)力，位移傳感器用于測量路面的變形量，示波器用于測量壓電俘能單元所產(chǎn)生的交流電的電壓和電流，萬用表用于測量電力變換模塊轉(zhuǎn)換后的直流電的電流和電壓。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的行車荷載作用下路面振動能量壓電發(fā)電的測量系統(tǒng)，其特征在于:所述的電力變換包含整流器和DC/DC變換器，調(diào)整和變換步驟包括: a.整流過程，將壓電俘能單元產(chǎn)生的交流電轉(zhuǎn)變?yōu)橹绷麟姡? b.DC/DC變換過程，對上述步驟a產(chǎn)生的直流電進(jìn)行電壓和電流的變換。
5.一種行車荷載作用下路面振動能量壓電發(fā)電的測量方法，其特征在于:包括以下步驟: A.在路面中置入至少一個壓電俘能單元，用于接收車輛行駛所產(chǎn)生的路面振動能量，該壓電俘能單元以壓電材料作為工作介質(zhì)，并利用正壓電效應(yīng)將振動能量轉(zhuǎn)化成電能； B.將壓電俘能單元產(chǎn)生的電能送至一個調(diào)整器和變換器中，對電力進(jìn)行調(diào)整和變換； C.經(jīng)調(diào)整和變換后的電能由儲能裝置或最終用戶使用端接收，并對電能進(jìn)行存儲或利用。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的行車荷載作用下路面振動能量壓電發(fā)電的測量方法，其特征在于:所述步驟A中的壓電俘能單元包括壓電換能器及其中間填充物，多個壓電俘能器縱橫陣列，用填充物黏結(jié)在一起，形成可俘獲大面積路面振動能的換能單元； 所述每個壓電換能器有2片電極，分別通過環(huán)氧樹脂粘接在壓電陶瓷片的上下，引線和電極間通過焊接或?qū)щ娔z連接； 所述壓電陶瓷片可以是單片也可以是多層壓電薄片組成，包括層積式壓電疊堆； 所述壓電俘能單元內(nèi)各個壓電俘能器之間通過引線進(jìn)行串/并聯(lián)連接。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的路面振動能量壓電發(fā)電的測量方法及其系統(tǒng)，其特征在于:所述每個壓電換能器通過引線與調(diào)整器和DC/DC變換器在電學(xué)上進(jìn)行串聯(lián)連接，經(jīng)過調(diào)整和變換后的電能可通過串聯(lián)或并聯(lián)的方式接入儲能裝置或最終用戶。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種行車荷載作用下路面振動能量壓電發(fā)電的測量系統(tǒng)，該測量系統(tǒng)包括設(shè)置于路面的壓電換能單元、控制總模塊和測量總模塊，所述壓電換能單元將路面振動能轉(zhuǎn)化為電能；由控制總模塊對行駛車輛進(jìn)行速度調(diào)整和載重施加，并對輸出電功率進(jìn)行電參數(shù)調(diào)整；由測量總模塊對車輛的速度和載重、路面的應(yīng)力和變形、壓電換能單元所俘獲的交流電的電流和電壓以及變換后的電壓和電流進(jìn)行測量；所產(chǎn)生的電能可作為一種電力供應(yīng)加以存儲和利用。通過上述方式，本發(fā)明能夠?yàn)橄到y(tǒng)研究路面壓電俘能技術(shù)的機(jī)理、技術(shù)的應(yīng)用和推廣提供了條件，具有較高的學(xué)術(shù)價值和社會價值。
文檔編號G01R31/34GK103116133SQ20131004130
公開日2013年5月22日 申請日期2013年2月3日 優(yōu)先權(quán)日2013年2月3日
發(fā)明者孫春華, 尚廣慶, 張永康, 杜建紅, 朱學(xué)超 申請人:蘇州市職業(yè)大學(xué)