一种基于箱梁振动的悬臂式压电俘能装置
阅读说明：本技术 一种基于箱梁振动的悬臂式压电俘能装置 (Cantilever type piezoelectric energy harvesting device based on box girder vibration ) 是由 曹茂森 胡帅涛 张鑫 李帅 于 2020-06-30 设计创作，主要内容包括：本发明提供了一种基于箱梁振动的悬臂式压电俘能装置,该俘能装置应用于箱梁式的桥梁结构上,包括多个悬臂式压电俘能发电单元,所述悬臂式压电俘能发电单元包括一个能在一定范围内弯曲变形的刚性有机材料板,多个能够随刚性有机材料板的弯曲变形而伸缩的压电薄膜等。本发明将多个悬臂式压电俘能发电单元通过电线串联起来,内置于防水封装材料中,安装在箱梁结构侧面、下表面与内部,将环境动荷载引起的桥梁振动机械能转化为电能,当产生电能富余时能够及时进行存储,保证桥梁系统的持续供电,为桥梁结构提供一种全新的环保绿色能源。(The invention provides a cantilever type piezoelectric energy harvesting device based on box girder vibration, which is applied to a box girder type bridge structure and comprises a plurality of cantilever type piezoelectric energy harvesting power generation units, wherein each cantilever type piezoelectric energy harvesting power generation unit comprises a rigid organic material plate capable of bending deformation within a certain range, a plurality of piezoelectric films capable of stretching along with the bending deformation of the rigid organic material plate and the like. According to the invention, a plurality of cantilever type piezoelectric energy harvesting and generating units are connected in series through electric wires, are arranged in a waterproof packaging material, and are arranged on the side surface, the lower surface and the inside of a box girder structure, so that bridge vibration mechanical energy caused by environmental dynamic load is converted into electric energy, the electric energy can be stored in time when surplus electric energy is generated, the continuous power supply of a bridge system is ensured, and a brand-new environment-friendly green energy source is provided for the bridge structure.)
技术领域
本发明公开了一种基于箱梁振动的悬臂式压电俘能装置，具体涉及用于桥梁结构的俘能装置领域。
背景技术
汽车或列车在桥梁上运行时，振动能量会通过路面或轨道传递到桥梁中，在公铁两用桥梁中，这种振动的传递会更加强烈，另外，环境的扰动也会不同程度的引起桥梁振动。
如今节能环保这个议题被广泛地提起，桥梁设施的供电也与环保密切相关，目前太阳能、风能等清洁能源在交通设施中的应用愈加广泛，但受限于其尺寸和布置要求，往往只能作为附属设施小规模使用，对于箱梁这种封闭结构内部设施的能源供给还有一定困难。因此，需要一种能更广泛使用且能与交通设施结构本身相结合的供能器材。
目前常用的小型俘能装置主要有压电式、电磁式、静电式三种形式，通过以前的研究发展可以发现，压电转换的能量密度是静电和电磁转换的数倍。因此，利用压电材料桥梁振动中采集能量是比较有效的，且能够为小型电器产生足够的电力，这使得压电俘能装置在桥梁振动能量收集再利用上的应用成为可能。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是：针对箱梁内部供能困难的局限，提供一种基于桥梁振动的悬臂式压电俘能装置，能利用桥梁结构的振动变形提供电能。
为了解决以上技术问题，本发明采用的技术方案是：
本发明提出一种基于箱梁振动的悬臂式压电俘能装置，该装置应用于箱梁式的桥梁结构上，包括若干个依次串联的悬臂式压电俘能发电单元，所述悬臂式压电俘能发电单元分布式安装在箱梁的侧面、下表面以及箱梁内部，且距离桥梁支座端一定距离以外的部位，用于收集箱梁结构振动的机械能，并转换为电能进行存储或者为用电设备供电。
进一步的，本发明所提出的基于箱梁振动的悬臂式压电俘能装置，悬臂式压电俘能发电单元主体结构为五层，从下至上依次是：刚性有机材料悬臂基板、第一电极层、PVDF压电薄膜层、第二电极层、柔性防水有机材料层，第一、第二电极层分别覆盖于PVDF压电薄膜层上下两个侧面；柔性防水有机材料层将PVDF压电薄膜层及电极层完全包裹在刚性有机材料悬臂基板之间，形成一个密封的防水空间。
进一步的，本发明所提出的基于箱梁振动的悬臂式压电俘能装置，在悬臂式压电俘能发电单元的***嵌套有一个可沿悬臂轴向移动的配重块，通过调节配重块的位置，以改变所述悬臂式压电俘能发电单元的固有频率使振幅增大，从而增大俘能效率。
进一步的，本发明所提出的基于箱梁振动的悬臂式压电俘能装置，所述刚性有机材料悬臂基板采用能在一定范围内弯曲变形的刚性有机材料，PVDF压电薄膜层能够随刚性有机材料悬臂基板的弯曲变形而伸缩。
进一步的，本发明所提出的基于箱梁振动的悬臂式压电俘能装置，第一、第二电极层采用磷铜，PVDF压电薄膜层的形状为矩形，平行且均匀分布在刚性有机材料悬臂基板上。
进一步的，本发明所提出的基于箱梁振动的悬臂式压电俘能装置，相邻悬臂式压电俘能发电单元之间的间距为10cm。
进一步的，本发明所提出的基于箱梁振动的悬臂式压电俘能装置，当悬臂式压电俘能发电单元安装在箱梁腹板上时，悬臂固定端一侧直接固定粘结在腹板的表面；当悬臂式压电俘能发电单元安装在箱梁底板的内表面、外表面以及箱梁顶板内表面时，首先将悬臂固定端一侧固定粘接在一个垂直于悬臂的基座上，再将基座的一端固定粘结在箱梁上；即：悬臂式压电俘能发电单元始终保持水平。
进一步的，本发明所提出的基于箱梁振动的悬臂式压电俘能装置，多个悬臂式压电俘能发电单元通过电线串连在一起形成供电电路，供电电路依次连接稳压整流器、储能装置和变压装置，稳压整流器、储能装置和变压装置通过电线连接至供电电路的输出端口，供电电路的输出端口连接至用电设备。
进一步的，本发明所提出的基于箱梁振动的悬臂式压电俘能装置，供电电路采用高分子柔性防水绝缘材料封装。
进一步的，本发明所提出的基于箱梁振动的悬臂式压电俘能装置，用电设备包括桥梁结构的健康监测系统、监控系统、阻尼系统、照明装置以及行车指示牌。
本发明采用以上技术方案与现有技术相比，具有以下有益效果：
本发明将悬臂式压电俘能发电单元通过电线串联起来，与电源控制装置一起，内置于防水封装材料中，安装在箱梁结构侧面、下表面与内部，将环境动荷载引起的桥梁振动机械能转化为电能，经过该供电装置中的电源控制集成系统的稳压、变压处理，对桥上各用电设备进行供电或者进行电能存储，本发明的发电装置所产生的电能完全能够为桥梁结构上的健康监测系统、监控系统、阻尼系统、照明装置、行车指示牌等提供足够的电能，还具备电能存储装置，当产生电能富余时能够及时进行存储，保证系统的持续供电，为桥梁结构提供一种全新的环保绿色能源。
附图说明
图1是悬臂式压电俘能发电单元剖面示意图。
图2是箱梁结构剖面示意图。
图3是悬臂式压电俘能发电单元与箱梁的五种粘接方式示意图。
图4是本发明的截面示意图。
图5是图4的1-1断面示意图。
图6是图4的a-a剖面示意图。
图中标号：1-刚性有机材料悬臂基板；2-压电薄膜；3-电极层；4-柔性防水有机材料层；5-配重块；6-基座；7-悬臂式压电俘能发电单元；8-电线；9-高分子防水绝缘封装；10-稳压整流器；11-变压器；12-电能储能装置；13-电流输出端口；14-箱梁。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的技术方案做进一步的详细说明：
本技术领域技术人员可以理解的是，除非另外定义，这里使用的所有术语(包括技术术语和科学术语)具有与本发明所属领域中的普通技术人员的一般理解相同的意义。
本发明提出一种基于箱梁振动的悬臂式压电俘能装置，该发电装置应用于箱梁式的桥梁结构上，包括多个悬臂式压电俘能发电单元，分布式安装在箱梁的侧面、下表面以及箱梁内部并且距离桥梁支座端3m以外的部位，为了保证能够获得足够的获能效益。相邻悬臂式压电俘能发电单元之间的间距为10cm。悬臂式压电俘能发电单元能够多个串联并随桥梁振动产生电能，以收集箱梁结构振动的机械能并将收集的机械能转换为电能进行存储或者为用电设备供电，用电设备包括桥梁结构的健康监测设备、监控系统、阻尼系统、照明装置以及行车指示牌等。
本发明的悬臂式压电俘能装置安装在箱梁14上，箱梁结构剖面如图2所示。图3是悬臂式压电俘能发电单元与箱梁的五种粘接方式示意图。其中，(a)和(b)是悬臂式压电俘能发电单元与箱梁腹板连接的示意图，(c)是悬臂式压电俘能发电单元与箱梁底板的内表面连接的示意图，(d)是悬臂式压电俘能发电单元与箱梁底板的外表面连接的示意图，(e)是悬臂式压电俘能发电单元与箱梁顶板的内表面连接的示意图。当悬臂式压电俘能发电单元安装在箱梁腹板上时，悬臂固定端一侧直接固定粘结在腹板的表面；当悬臂式压电俘能发电单元安装在箱梁底板的内表面和外表面以及箱梁顶板内表面时，首先将悬臂固定端一侧固定粘接在一个垂直于悬臂的基座上，再将基座的一端固定粘结在箱梁上；也就是说，悬臂式压电俘能发电单元始终保持水平。
如图4所示，悬臂式压电俘能装置包括多个悬臂式压电俘能发电单元7，其中各悬臂式压电俘能发电单元都分别按图3中的五种粘接方式与箱梁进行粘接，悬臂式压电俘能发电单元7两两之间的间距在10cm左右，摩悬臂式压电俘能发电单元7数量由用电设备所需电量决定，悬臂式压电俘能发电单元7数量越多，即所能提供的电量越大。
所述悬臂式压电俘能发电单元7结构如图1所示，主体结构可分为五层，依次是：刚性有机材料悬臂基板1、电极层3、PVDF压电薄膜层2、电极层3、柔性防水有机材料层4，此外还包括嵌套在悬臂***的可沿悬臂轴向移动的配重块，配重块可沿着悬臂轴向滑动，以调节所述悬臂式压电俘能发电单元的自振频率，可使得安装在桥梁各个部位的发电单元悬臂的自振频率与该部位桥梁振动的频率相耦合，从而增大悬臂的振幅，进而提高获能效率。
当刚性有机材料悬臂基板受桥梁振动作用而发生变形时，将带动压电薄膜一起发生变形，从而在压电薄膜内发生极化现象，在两个相对表面上会产生正负相反的电荷，电荷通过电极层汇集，并通过悬臂固定端连接的导线输出形成电流，即利用压电效应将波浪能转化为电能。
进一步的，压电材料的力电耦合方程为：
其中εi表示总体应变，
本实施案例中，刚性有机材料悬臂基板采用能在一定范围内弯曲变形的刚性有机材料，电极层3采用磷铜。PVDF压电薄膜层2为矩形，厚度为2mm，平行且均匀分布在刚性有机材料悬臂基板1上；电极层3的厚度为1mm，全覆盖于PVDF压电薄膜层2上下两个侧面；柔性防水有机材料层4厚5mm，将PVDF压电薄膜层2及电极层3完全包裹在刚性有机材料悬臂基板1之间，形成一个密封的防水空间；刚性有机材料悬臂基板1厚3mm，各层材料间采用强力胶粘结。PVDF压电薄膜层2能够随刚性有机材料悬臂基板1的弯曲变形而伸缩。
当所述的PVDF压电薄膜层2，受到箱梁14振动荷载作用时，将随着刚性有机材料悬臂基板1一起发生变形，PVDF压电薄膜层2内部会发生极化现象，两个相对表面上会出现正负相反的电荷，电荷通过电极层3输形成电流，装置对外放电。
多个悬臂式压电俘能发电单元7通过电线8串连在一起形成供电电路，电线起到连接各悬臂式压电俘能发电单元7、稳压整流器10、变压器11、电能储能器12、连接用电设备的电路输出端口13及传输电流的作用，如图5所示。供电电路采用高分子柔性防水绝缘材料封装，形成所述悬臂式压电俘能装置。
供电电路上还包括稳压整流器10、变压器11和储能装置12，稳压整流器10、变压器11和储能装置12通过电线8连接至供电电路的输出端口13，供电电路的电流输出端口13连接至用电设备，如图5所示，用电设备主要指桥梁上的用电设备，具体包括桥梁结构的健康监测设备、监控系统、阻尼系统、照明装置以及行车指示牌等。稳压整流器10、变压器11、电能储能器12和连接用电设备的电路输出端口13，通过电线8与各悬臂式压电俘能发电单元7相连，通过电路输出端口13与外部用电设备相连并为其供电，储能装置存储富余电能。
供电电路采用高分子柔性防水绝缘材料9封装，形成悬臂式压电俘能装置，悬臂式压电俘能装置安装在箱梁侧面、下表面与内部距离梁支座端3m以外的部位，悬臂式压电俘能装置与箱梁14的接触面采用高强粘合剂固定，如图6所示。
所述悬臂式压电俘能发电单元7的固定端通过与刚性有机材料悬臂基板一体化的扁平状延伸面与箱梁14或基座6粘接，为粘合剂的使用提供足够的接触面，确保悬臂式压电俘能发电单元7能够牢固地固定在箱梁侧面、下表面与内部，电流输出端口13设置在悬臂式压电俘能发电单元7的一侧，走线的空间设置在摩擦式静电单元7的同侧，防止内部走线在振动中发生交错缠绕影响发电效果和整体系统的稳定，如图6所示。
压电俘能材料可以根据其力电转换特性，将环境荷载作用下产生的桥梁振动所产生的机械能转化为电能，并进行收集和利用，为桥上各用电设施提供电能，起到变害为利的目的。箱梁结构应用广泛，如能对箱梁结构振动产生的机械能进行合理利用，完全能够为该结构上多种设备提供用电，将富余电量存储于起来，能够保证该自供能体系的持续供电。
悬臂式压电俘能装置结构简单、易于加工制作、便于微型化和集成化，材料的能量采集和应用工作环境限制少、效率高、绿色环保，相关技术的开发利用将产生巨大的经济效益，为建设资源节约型社会提供助力，具有一定市场潜力和经济价值。
以上内容结合附图对本发明的实施方式作了详细地说明。此外，需要说明的是以上具体实施方式仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照实例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。