一種壓電式節(jié)能道路照明系統(tǒng)的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本實用新型涉及一種基于壓電材料提供電能的道路節(jié)能照明系統(tǒng)，可以感應(yīng)車輛 自動開啟關(guān)閉并自動供能的照明系統(tǒng)，車輛離開后自動關(guān)閉。
【背景技術(shù)】
[0002] 目前，全球能源的日益緊張。我國道路上普遍使用的是太陽能路燈照明系統(tǒng)。該 系統(tǒng)利用太陽能電池板，在白天將太陽能轉(zhuǎn)化為電能作為唯一的供電源。但是，在太陽輻照 不足的天氣里以及某些地方?jīng)]有足夠的太陽照射的情況下，太陽能難以保證供電系統(tǒng)的正 常運行。并且，該系統(tǒng)同樣需要監(jiān)控路燈控制系統(tǒng)，需要人為開啟和關(guān)閉路燈，在某些公路 上若長時間沒有車輛經(jīng)過，造成能源浪費。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003] 為了避免路燈因早開或晚關(guān)，以及沒有車輛經(jīng)過而亮燈造成的能源浪費，本實用 新型提供一種新型照明系統(tǒng)，該照明系統(tǒng)不僅可以保證路燈的能源供給自給自足，而且不 需要人為控制照明系統(tǒng)，達到自動感應(yīng)開關(guān)燈的效果。車輛駛來是自動開燈，車輛離開自動 關(guān)閉。
[0004] 本實用新型的技術(shù)方案是：設(shè)計一種壓電式節(jié)能道路照明系統(tǒng)，其特征在于，包括 若干組壓電換能結(jié)構(gòu)1、兩級能量降壓式DC-DC變換電路3、光學(xué)傳感器7、穩(wěn)壓整流系統(tǒng)8 和變壓輸出系統(tǒng)9 ;所述壓電換能結(jié)構(gòu)1包括兩個鈸型金屬帽11和兩個陶瓷片10 ;陶瓷片 10與鈸型金屬帽11開口端相連接，且兩片陶瓷片10未接觸；若干組壓電換能結(jié)構(gòu)1相互 并聯(lián)，且兩端的鈸型金屬帽11上各設(shè)有一導(dǎo)電片，作為電極；壓電換能結(jié)構(gòu)1將所受到的擠 壓力變?yōu)殡娔芎?，通過兩級能量降壓式DC-DC變換電路3將交流電轉(zhuǎn)變?yōu)橹绷麟?，?jīng)過光學(xué) 傳感器7傳入穩(wěn)壓整流電路8 ;經(jīng)過穩(wěn)壓整流電路8穩(wěn)壓整流后，傳入變壓輸出電路9,經(jīng)過 變壓輸出電路9調(diào)節(jié)輸出電壓后，傳給路燈。
[0005] 本實用新型的進一步技術(shù)方案是：所述兩級能量降壓式DC-DC變換電路3包括若 干二極管、放大電路T、動態(tài)電容Cr、靜態(tài)電容Cf、儲存電容D、電感L、負載&和電源P;電源 P與整個電路串聯(lián)，其中若干二極管組成整流橋后，與儲存電容D、動態(tài)電容Cr、靜態(tài)電容Cf、 負載&相互并聯(lián)；動態(tài)電容Cr與儲存電容D之間串聯(lián)有放大電路T，儲存電容D與靜態(tài)電 容Cf之間串聯(lián)有電感L。
[0006] 本實用新型的進一步技術(shù)方案是：所述負載為穩(wěn)壓整流電路，所述電源P為壓電 換能系統(tǒng)。
[0007] 發(fā)明效果
[0008] 本實用新型的技術(shù)效果在于：將行駛車輛的機械能轉(zhuǎn)化為電能提供給照明系統(tǒng)， 不需要其他能源的供給；沒有車輛及行人經(jīng)過時，照明系統(tǒng)自動關(guān)閉，避免浪費多余的照明 電能；不需要人工控制系統(tǒng)，該照明系統(tǒng)可以實現(xiàn)自動開啟關(guān)閉的功能。
【附圖說明】
[0009] 圖1 :是本實用新型應(yīng)用在實際中的總體效果圖。
[0010] 圖2 :是外力作用于壓電式能量轉(zhuǎn)換系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0011] 圖3 :是鈸型壓電換能結(jié)構(gòu)示意圖。
[0012] 圖4 :是本實用新型結(jié)構(gòu)示意圖。
[0013] 圖5 :是壓電式兩級能量降壓式DC-DC變換電路的電路圖。
[0014] 附圖1標記說明：1_壓電換能結(jié)構(gòu)；2-路燈；3-兩級能量降壓式DC-DC變換電路； 4-電路回路；5-車輪載荷；6-路面；7-光學(xué)傳感器；8-穩(wěn)壓整流電路；9-變壓輸出電路； 10-陶瓷片；11-鈸型金屬帽。
【具體實施方式】
[0015] 下面結(jié)合具體實施實例，對本實用新型技術(shù)方案進一步說明。
[0016] 1、在圖1中，埋在道路表面以下lcm-5cm范圍內(nèi)的壓電式節(jié)能道路照明系統(tǒng)包括 壓電換能結(jié)構(gòu)1，兩級能量降壓式DC-DC變換電路3,光學(xué)傳感器7,穩(wěn)壓整流電路8,以及變 壓輸出電路9五個部分組成。該系統(tǒng)通過電路回路4與道路兩旁的路燈2相連接，且每一 組的壓電換能結(jié)構(gòu)1僅供能于相距前方0_50m的路燈2。光學(xué)傳感器7主要用于對光照強 度的感應(yīng)，當光照低于設(shè)定值時，則導(dǎo)通壓電式能量轉(zhuǎn)換系統(tǒng)，使其為照明系統(tǒng)供電。穩(wěn)壓 整流電路8主要用于對壓電換能系統(tǒng)的輸出電壓進行穩(wěn)壓整流。變壓輸出電路9主要用于 根據(jù)負載照明系統(tǒng)所需的電壓進行調(diào)節(jié)輸出電壓。當車輛以40km/h的速度行駛過道路時， 壓電換能系統(tǒng)會立即對車輛前方的照明系統(tǒng)提供電能，使得前方50m范圍的燈可以自動開 啟，當車輛及行人離去后，照明系統(tǒng)自動關(guān)閉。燈亮可持續(xù)3. 5s，車輛可以在3. 5s內(nèi)到達下 一個壓電系統(tǒng)，此時該路燈關(guān)閉，下一個路燈開啟。
[0017] 2、在圖2中，車輪載荷5作用到路面6表面，使得壓電換能結(jié)構(gòu)1受到垂直路面的 擠壓應(yīng)力，產(chǎn)生應(yīng)變變形，繼而產(chǎn)生變形能。高效率的壓電換能結(jié)構(gòu)1將應(yīng)變能轉(zhuǎn)換為可利 用的電能，電流分辨通過光學(xué)傳感器7,穩(wěn)壓整流電路8,以及變壓輸出電路9流向路燈，從 而實現(xiàn)對照明系統(tǒng)電能的供應(yīng)。
[0018] 3、在圖3中，表示壓電換能結(jié)構(gòu)1，即由兩片鈸型金屬帽11，及它們之間夾的壓電 陶瓷片10粘接組成。選取PZT-82為壓電陶瓷材料，采用厚度為2mm;選取厚度為0. 5mm的 H62黃銅片制備鈸型金屬帽；粘銅萬能膠為制作壓電換能器的粘膠劑。鈸型金屬帽側(cè)壁厚 度為0? 5mm，內(nèi)腔高度為3mm，頂圓半徑為2mm，帽端小圓半徑為4mm。通過并聯(lián)方式連接3 組壓電換能結(jié)構(gòu)1，兩端口的鈸型金屬帽11各粘接一導(dǎo)電片，作為電極。
[0019] 同時，通過電路回路4將壓電換能系統(tǒng)，光學(xué)傳感器7,穩(wěn)壓整流電路8,以及變壓 輸出電路9相串聯(lián)。兩級能量降壓式DC-DC變換電路是能量接口電路，是連接鈸式換能結(jié) 構(gòu)和穩(wěn)壓整流電路的，串聯(lián)于系統(tǒng)中。其作用是將鈸式換能結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的交變電流轉(zhuǎn)變?yōu)橹?流電，并給儲存電容充電供負載使用，這里的負載是穩(wěn)壓整流電路，即將其電流進行整流， 穩(wěn)壓。以及后續(xù)的放大。光學(xué)傳感器相當于一個開關(guān)，用于開啟和關(guān)閉整個系統(tǒng)，串聯(lián)在整 個系統(tǒng)中。
[0020] 4、在圖4中，兩級能量降壓式DC-DC變換電路3由二極管串聯(lián)組成的整流橋與儲 存電容并聯(lián)，在整流橋和儲存電容之間串聯(lián)放大電路T，以及在動態(tài)電容Cr和靜態(tài)電容Cf 之間串聯(lián)電感L，同時將負載與動態(tài)電容，靜態(tài)電容相并聯(lián)，從而可以延長充電時間，提高能 量轉(zhuǎn)換效率。當機械能轉(zhuǎn)化為電能時，儲存電容Cr充電，收集電量，通過電路供電到負載Rl 上。
[0021] 實際應(yīng)用中，在道路表面下鋪設(shè)壓電式能量轉(zhuǎn)換系統(tǒng)，并且將其與路燈照明系統(tǒng) 相連接。依據(jù)壓電材料的性能和壓電效應(yīng)的原理，即在外力作用下，壓電換能器的核心材料 壓電陶瓷內(nèi)部的正負電荷發(fā)生規(guī)律性相對位移，從而導(dǎo)致其表面出現(xiàn)異性極化電荷，形成 電位移，從而將機械能轉(zhuǎn)化為電能。當車輛和行人在路面上經(jīng)過時，交通荷載垂直于路面的 部分力作用于道路中的壓電式能量轉(zhuǎn)換系統(tǒng)中，轉(zhuǎn)換為電能。產(chǎn)生的電能可以立即傳送給 路燈照明系統(tǒng)，使得道路兩旁的路燈自動開啟，當車輛離開后，沒有電能輸入，路燈自動關(guān) 閉。
[0022] 當載荷直接作用于該縱向極化的壓電材料時，通過正壓電效應(yīng)使兩端電極面極化 出現(xiàn)電荷，由于兩級斷路，電荷聚集形成高壓，此時兩個級面間產(chǎn)生的電壓值為：
[0024] 其中：V-F作用下壓電材料產(chǎn)生的電壓
[0025] g-壓電電壓常數(shù)
[0026] d-壓電應(yīng)變常數(shù)
[0027] t-壓電材料厚度
[0028] A-壓電材料面積
[0029] 針對高頻率，以及動態(tài)載荷作用，壓電式能量轉(zhuǎn)換系統(tǒng)由鈸型（Cymbal)壓電換 能結(jié)構(gòu)，兩級能量降壓式DC-DC變換電路，光學(xué)傳感器，穩(wěn)壓整流系統(tǒng)，以及變壓輸出系統(tǒng) 組成。其中，鈸型（Cymbal)壓電換能結(jié)構(gòu)可以在頻帶范圍為OHz~20Hz的環(huán)境中有效的 將振動機械能轉(zhuǎn)換為電能，在頻帶范圍內(nèi)輸出功率為155. 71uW左右。針對道路車載頻率 1HZ-20HZ，應(yīng)力幅值為0. 5Mpa的半正弦載荷作用下，可以產(chǎn)生378. 5-282. 2V的開路電壓， 在7.8N，IOOHz的載荷作用下可以收集到30mW的電量。
[0030] 因此，將鈸型壓電換能結(jié)構(gòu)進行并聯(lián)，可以提供給照明系統(tǒng)220V的電壓，以及4KJ 的電能，每個路燈功率為250W，因此可以提供3-4個路燈的電能，照明時間可持續(xù)3. 5s。
[0031] 根據(jù)標準接口電路最大輸出功率理論，采用降壓式DC-DC變換電路與鈸型壓電換 能結(jié)構(gòu)相并聯(lián)，可將壓電式換能器中的交變電流轉(zhuǎn)換為直流電流，并給存儲電容充電供負 載使用。同時，該電路通過自適應(yīng)調(diào)節(jié)占空比，使其與照明系統(tǒng)阻抗匹配。
【主權(quán)項】
1. 一種壓電式節(jié)能道路照明系統(tǒng)，其特征在于，包括若干組壓電換能結(jié)構(gòu)（I)、兩級能 量降壓式DC-DC變換電路（3)、光學(xué)傳感器（7)、穩(wěn)壓整流電路（8)和變壓輸出電路（9);所 述壓電換能結(jié)構(gòu)（1)包括兩個鈸型金屬帽（11)和兩個陶瓷片（10);陶瓷片（10)與鈸型金 屬帽（11)開口端相連接，且兩片陶瓷片（10)未接觸；若干組壓電換能結(jié)構(gòu)（1)相互并聯(lián)， 且并聯(lián)后，兩端的鈸型金屬帽（11)上各設(shè)有一導(dǎo)電片，作為電極；壓電換能結(jié)構(gòu)（1)將其所 受到的擠壓力變?yōu)殡娔芎?，通過兩級能量降壓式DC-DC變換電路（3)將交流電轉(zhuǎn)變?yōu)橹绷?電，經(jīng)過光學(xué)傳感器（7)傳入穩(wěn)壓整流電路（8);經(jīng)過穩(wěn)壓整流電路（8)穩(wěn)壓整流后，傳入 變壓輸出電路（9)，經(jīng)過變壓輸出電路（9)調(diào)節(jié)輸出電壓后，通過電路回路傳給路燈。2. 如權(quán)利要求1所述的一種壓電式節(jié)能道路照明系統(tǒng)，其特征在于，所述兩級能量降 壓式DC-DC變換電路（3)包括若干二極管、放大電路T、動態(tài)電容Cr、靜態(tài)電容Cf、儲存電容 D、電感匕負載&和電源P;電源P與整個電路串聯(lián)，其中若干二極管組成整流橋后，與儲存 電容D、動態(tài)電容Cr、靜態(tài)電容Cf、負載&相互并聯(lián)；動態(tài)電容CR與儲存電容D之間串聯(lián)有 放大電路T，儲存電容D與靜態(tài)電容Cf之間串聯(lián)有電感L。3. 如權(quán)利要求2所述的一種壓電式節(jié)能道路照明系統(tǒng)，其特征在于，所述負載為穩(wěn)壓 整流電路，所述電源P為壓電換能系統(tǒng)。
【專利摘要】本實用新型涉及一種壓電式節(jié)能道路照明系統(tǒng)，其技術(shù)方案是包括若干組壓電換能結(jié)構(gòu)、兩級能量降壓式DC-DC變換電路、光學(xué)傳感器、穩(wěn)壓整流電路和變壓輸出電路；壓電換能結(jié)構(gòu)將所受到的擠壓力變?yōu)殡娔芎?，通過兩級能量降壓式DC-DC變換電路將交流電轉(zhuǎn)變?yōu)橹绷麟?，?jīng)過光學(xué)傳感器傳入穩(wěn)壓整流電路；經(jīng)過穩(wěn)壓整流電路穩(wěn)壓整流后，傳入變壓輸出電路，經(jīng)過變壓輸出電路調(diào)節(jié)輸出電壓后，傳給路燈將行駛車輛的機械能轉(zhuǎn)化為電能提供給照明系統(tǒng)，不需要其他能源的供給；沒有車輛及行人經(jīng)過時，照明系統(tǒng)自動關(guān)閉，避免浪費多余的照明電能；不需要人工控制系統(tǒng)，該照明系統(tǒng)可以實現(xiàn)自動開啟關(guān)閉的功能。
【IPC分類】F21S9/04, H05B37/02, F21W131/103
【公開號】CN204901643
【申請?zhí)枴緾N201520346825
【發(fā)明人】朱相宇, 趙天, 張永杰
【申請人】西北工業(yè)大學(xué)
【公開日】2015年12月23日
【申請日】2015年5月26日