[發明專利]基于三維超材料的路面振動能量回收發電裝置及方法

有效

• 申請號: 201710132172.8
• 申請日: 2017-03-07
• 公開（公告）號: CN106787946B
• 公開（公告）日: 2019-01-18
• 發明（設計）人: 陳世斌;劉鑫;楊雙建;馬景存;余娜;趙軒
• 申請（專利權）人: 長安大學
• 主分類號: H02N2/18
• 分類號: H02N2/18
• 代理公司: 西安通大專利代理有限責任公司 61200
• 代理人: 徐文權

本發明公開了一種基于三維超材料的路面振動能量回收發電裝置及方法，包括多懸臂梁環形結構、上半球殼和下半球殼；上半球殼和下半球殼的材料為三維超材料，多懸臂梁環形結構設置在上半球殼和下半球殼組成的中空球體內部；本發明的三維超材料球殼能實現全向性的振動波匯聚，能最大化地回收路面振動波能量，多懸臂梁環形結構能夠最有效的轉化電能；在減少頻繁振動對路面損傷的同時還能將其轉化為電能，從而實現了能量的有效利用。

技術領域

本發明涉及道路振動能量及超材料技術領域，特別涉及一種基于三維超材料的路面振動能量回收發電裝置及方法。

背景技術

超材料是最近非常熱門的一類自然界沒有的具有特殊性質的用于聲學的人造材料。超材料的波匯聚特性在振動能量吸收方面展現了極大的應用前景。而超材料又分為一維、二維和三維，其中三維超材料由于能實現全向性振動波匯聚，應用前景更加廣闊。

現代社會的噪聲主要是低頻噪聲，包括交通低頻噪聲和電氣低頻噪聲。其中道路車輛行走中產生的振動能量作為一種新型的新能源引起人們極大的關注，一經提出便很快在道路振動能量中被轉化利用。

截止2013年，我國公路里程達到423萬公里，汽車保有量達到1.37億輛，形成了全國高速公路日機動車平均交通量21305輛，汽車保有量年增長率14％，科技部規劃2020-2030年混合動力汽車和純電動汽車占50％的背景下，如果把我國車輛-道路形成的動載荷循環產生的振動能量有效的收集起來轉化為電能，其應用前景將大為廣闊，可真正實現能源的替代。

2012年Climente等在《Applied Physics Letters》上設計出全向性聲學超材料，并對其進行了仿真研究；同年，Scientific American Online也在線報道了構建聲波超材料無線充電的前景，超材料的波匯聚特性在電能轉化方面展現了極大的應用前景。

瀝青路面的軸向振動及結構振動的頻率通常在0-50Hz，要滿足瀝青路面振動能量高效率回收，還要匹配路面瀝青厚度尺寸，同時振動回收系統還要具有封裝性及壓實抵抗力，而近幾年出現的超材料能夠實現全向性聲波匯聚使上述問題迎刃而解。

發明內容

本發明的目的在于提供一種基于三維超材料的路面振動能量回收發電裝置及方法，以解決交通路面的噪音震動能量回收的問題。

為實現上述目的，本發明采用以下技術方案：

一種基于三維超材料的路面振動能量回收發電裝置，包括多懸臂梁環形結構、上半球殼和下半球殼；上半球殼和下半球殼的材料為三維超材料，多懸臂梁環形結構設置在上半球殼和下半球殼組成的中空球體內部；

多懸臂梁環形結構包括主體和壓電懸臂梁；主體包括橫桿和半圓盤，壓電懸臂梁包括懸臂梁固定端、壓電陶瓷和基板；橫桿的一端固定平行設置在下半球殼的上表面，橫桿的另一端垂直固定在半圓盤的一側，且指向下半球殼上表面的圓心；半圓盤的另一側沿著半圓盤弧等間距設置有若干個懸臂梁固定端，每個懸臂梁固定端上垂直設置有基板，每個基板的上下表面均固定設置有壓電陶瓷。

進一步的，基板的型號為SUS301，其楊氏模量為193GPa。

進一步的，每個基板的固定方向均不相同；每個基板的厚度均不相同，基板長度范圍為0.1-0.5mm。

進一步的，壓電陶瓷為PZT-5H。

進一步的，每個壓電陶瓷的長度均不相同，厚度為0.2mm。

進一步的，懸臂梁固定端內設置有全橋整流電路；懸臂梁固定端上還連接有導線；上半球殼上設置有貫穿上半球殼的導線槽，懸臂梁固定端上的導線從導線槽中引出。