[实用新型]一种高性能轨道交通压电俘能器

说明书

本实用新型提供一种高性能轨道交通压电俘能器，属于俘能器技术领域。该俘能器包括位移传输杆、压缩弹簧、位移传输筒、压电叠堆阵列及金属外壳，位移传输杆将钢轨振动和变形传递给压缩弹簧，再传递给位移传输筒，最后传递给压电叠堆阵列，压电叠堆阵列将钢轨振动和变形产生的机械能转化为电能，为无线传感器网络供电，所有构件经金属外壳封装构成俘能器装置，位移传输杆通过磁力座实现与钢轨的连接。本发明安装容易、影响小、覆盖全、电压可调、适用广、能量大，可实现铁路沿线无线传感器网络的电源供给。

技术领域

本实用新型涉及俘能器技术领域，特别是指一种高性能轨道交通压电俘能器。

背景技术

我国轨道交通系统庞大，车辆营运安全问题至关重要。一种有效的措施是采用无线传感器网络对行车数据以及关键基础设施的健康状况进行实时监测，及时发现不安全因素加以控制或消除。然而，无线传感器网络的电源供给一直是非常棘手的问题。目前的方式是采用电池或电缆供电，一方面极大削弱了无线的核心价值，另一方面铺设电缆和更换电池的费用昂贵，成本较高，尤其在偏远地区。

轨道交通系统中蕴藏着巨大的机械能，尤其是轨道结构的振动机械能，且由于轨道交通路线的特点，这部分能量较稳定，然而目前仍没有被有效地利用。压电材料具有优异的机电转换性能，能实现机械能到电能的转化。基于压电材料开发轨道交通压电俘能器为无线传感器网络电源的供给提供了一种新途径。

近年来，研究者们已开始探索利用压电俘能器俘获轨道结构的机械能，并且开发了多种俘能方式，如在轨枕下安装鼓型压电振子阵列(参见：Yuan Tianchen,Yang Jian,Song Ruigang,Liu Xiaowei在2014年12月发表在Smart Materials and Structures，Vol.23,p.125046上的论文“Vibration energy harvesting system for railroadsafety based on running vehicles”)、在钢轨侧边安装单个压电悬臂梁(参见：GaoMingyuan,Wang Ping,Cao Yong,Chen Rong,Liu Chen在2016年11月发表在Journal ofVibroengineering，Vol.18,pp.4647-4663上的论文“A rail-borne piezoelectrictransducer for energy harvesting of railway vibration”)以及在钢轨下方安装压电叠堆俘能装置(参见：Wang Jianjun,Shi zhifei,Xiang hongjun,Song Gangbing在2015年10月发表在Smart Materials and Structures，Vol.24,p.105017上的论文“Modeling onenergy harvesting from a railway system using piezoelectric transducers”)。其中，鼓型压电振子阵列、单个压电悬臂梁均采用d31模式来进行能量收集，所捕获的功率较小，分别为100毫瓦(160个鼓型压电振子电学并联)和4.9毫瓦，难以有效利用。压电叠堆俘能装置采用d33模式来收集能量，单个装置可从轨道振动中俘获毫焦级的能量，可达到无线传感器网络节点的能量需求水平。已有探索进一步证明了利用压电俘能器收集轨道结构机械振动能的可行性。然而，这些研究还在起步阶段，仍存在诸多问题，比如压电悬臂梁、鼓型压电振子阵列和压电叠堆俘能装置俘获的能量相对较小，鼓型压电振子阵列的安装过于复杂，压电叠堆俘能装置的竖向空间较大，难以实现铁路沿线无线传感器网络的电源供给。

实用新型内容

本实用新型要解决的技术问题是提供一种高性能轨道交通压电俘能器，解决已有轨道交通压电俘能器存在的安装复杂、竖向空间大、输出能量小等问题，从而实现为铁路沿线无线传感器网络供电。