[发明专利]一种路面冲击能的俘电装置和计算方法

说明书

本发明公开了一种路面冲击能的俘电装置和计算方法，俘电装置利用高于路面的压块将车重传递至压电堆，压电堆产生形变生d₃₃模式的发电，相较于传统埋在路面一下的压电堆减小了路面能量损耗，提高能效利用率；利用冲击锤将车速转换为向下的位移激励传递给压电悬臂梁，所述压电悬臂梁发生振动产生d₃₁模式的发电，实现了全面利用车速及车重的两种俘电来源，提高了能效利用率，解决了现有路面冲击能的俘电装置仅利用车重进行俘电且能效利用率较低问题。

技术领域

本发明涉及本发明涉及发电技术领域，具体涉及一种路面冲击能的俘电装置和计算方法。

背景技术

随着交通信息化、智能化的发展，公路交通附属电子设备，智能路面技术、物联网、绿色电动汽车充电设施等处于快速发展时期，它们都需要一个稳定持续的电源供应，但大部分高速公路的路段达不到此条件。目前利用车重俘电方式已有一些研究，在以往设计中，车重通过一定厚度的路面层才传递到压电堆，能效利用率较低。

发明内容

为了解决现有路面冲击能的俘电装置仅利用车重进行俘电且能效利用率较低问题，本发明提供一种路面冲技能的俘电装置和计算方法，所述俘电装置利用车重对压电堆进行发电以及利用车速对压电悬臂梁进行发电，实现了全面利用车速及车重的两种俘电来源，提高了能效利用率，同时给出了俘电装置的俘电计算方法。

为了实现以上目的，本发明采取的一种技术方案是：

一种路面冲击能的俘电装置，包含冲击锤、压电悬臂梁、压块及压电堆，所述压块平行路面嵌入公路内部且所述压块顶部露出路面，所述压块底部外侧设置压电堆，所述压块顶部设有可容纳冲击锤锤头的容置槽，所述锤头和容置槽之间设置弹性器件，所述容置槽底部设有通孔，所述冲击锤的锤柄穿过所述通孔抵达压块内腔，所述锤柄最下端高于压块内腔底部，所述锤柄设置垂直于锤柄方向的压电悬臂梁，所述压电悬臂梁包含压电层、基层及质量块，所述压电层贴在基层的上表面，所述质量块位于压电层及基层远离锤柄的一端；

所述压电悬臂梁利用冲击锤锤头将车速转换为向下的位移激励进行振动发电，所述压电堆利用冲击锤锤头传递车重进行发电。

进一步地，所述锤柄设置多个垂直于锤柄方向的压电悬臂梁，所述多个压电悬臂梁成对称分布。

进一步地，所述压电层为压电片，所述多个压电片采用并联结构连接。

进一步地，所述基层采用钢材料。

本发明还提供一种路面冲击能的俘电方法，包括如下步骤：

步骤1：车轮首先接触压块并将车重传递给压电堆，所述压电堆发生形变产生d₃₃模式的电荷，从而求出电压、电能及功率：

其中，n为压电堆的压电片数，h为压电堆的压电片高度，l＝n*h为压电堆的高度，A为压电堆的横截面积，∈^T为在常应力下的介电常数，d₃₃为耦合系数，为等效电容，为压电椎的内应力，为施加在压电堆的有效车重，F₀为加载到压电堆上的车重，一般取1/4的总车重，碾压时间τ_D＝D/V，两轮的相隔时间τ_L＝L/V，V为车速，D为压电堆平行车辆行驶方向的直径，L为车轴距；

步骤2：车轮接触冲击锤锤头并将车速转换为位移激励传递给压电悬臂梁，所述压电悬臂梁发生振动产生d₃₁模式的电量及电压为：

其中，ε_p为压电层每点的应变和车速有关，b为压电悬臂梁的梁宽度，L为压电悬臂梁的梁长度，d₃₁为应变耦合系数。

进一步地，步骤二包括如下步骤：