[實用新型]基于橋梁振動的接觸式摩擦發(fā)電裝置

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 201721157572.6
• 申請日: 2017-09-11
• 公開（公告）號: CN207460028U
• 公開（公告）日: 2018-06-05
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 張鶴;陶伊平;全力威;呂朝鋒;駱季奎;董樹榮
• 申請（專利權(quán)）人: 浙江大學(xué)
• 主分類號: H02N1/04
• 分類號: H02N1/04
• 代理公司: 杭州天昊專利代理事務(wù)所(特殊普通合伙) 33283
• 代理人: 何碧珩

本實用新型提供一種基于橋梁振動的接觸式摩擦發(fā)電裝置，該發(fā)電裝置應(yīng)用于箱梁式的橋梁結(jié)構(gòu)上，包括多個接觸式摩擦發(fā)電單元，接觸式摩擦發(fā)電單元分布式安裝在箱梁的內(nèi)部和下表面，接觸式摩擦發(fā)電單元能夠多個接觸式摩擦發(fā)電裝單元串聯(lián)并將所產(chǎn)生的電能隨橋梁振動，收集箱梁結(jié)構(gòu)振動的機(jī)械能并將收集的機(jī)械能轉(zhuǎn)換為電能進(jìn)行存儲或者為用電設(shè)備供電。本實用新型安裝在橋梁結(jié)構(gòu)內(nèi)部和下表面，將環(huán)境動荷載引起的橋梁振動機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電能，經(jīng)過該供電薄膜裝置中的電源控制集成系統(tǒng)的穩(wěn)壓、變壓處理，對橋上各用電設(shè)備進(jìn)行供電或者進(jìn)行電能存儲，保證系統(tǒng)的持續(xù)供電，為箱梁結(jié)構(gòu)提供一種全新的環(huán)保綠色能源。

技術(shù)領(lǐng)域

本實用新型涉及用于橋梁結(jié)構(gòu)的俘能發(fā)電裝置。

背景技術(shù)

在現(xiàn)今提倡節(jié)能環(huán)保的大環(huán)境下，太陽能、風(fēng)能等清潔能源已在交通設(shè)施中廣泛應(yīng)用，但受限于其尺寸和布置要求，往往只能作為附屬設(shè)施小規(guī)模使用。因此，需要一種能更廣泛使用且能與交通設(shè)施結(jié)構(gòu)本身相結(jié)合，作為結(jié)構(gòu)一部分而非簡單的附加設(shè)施的供能器材。

橋梁結(jié)構(gòu)在動荷載下常會發(fā)生較大的結(jié)構(gòu)振動，在橋梁工程設(shè)計中往往會采取結(jié)構(gòu)優(yōu)化和附加減振裝置以控制結(jié)構(gòu)振動強(qiáng)度，而其中減振裝置的實質(zhì)就是能量吸收裝置。結(jié)合近年俘能器的快速發(fā)展和廣泛應(yīng)用，以及一些振動俘能器應(yīng)用的提出，使得接觸式摩擦發(fā)電裝置在橋梁振動控制及振動能量收集再利用上的應(yīng)用成為可能。

實用新型內(nèi)容

本實用新型所要解決的技術(shù)問題是提供基于橋梁振動的接觸式摩擦發(fā)電裝置，能利用橋梁結(jié)構(gòu)的振動變形提供電能。

本實用新型解決技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案是：基于橋梁振動的接觸式摩擦發(fā)電裝置，該發(fā)電裝置應(yīng)用于箱梁式的橋梁結(jié)構(gòu)上，包括多個接觸式摩擦發(fā)電單元，接觸式摩擦發(fā)電單元分布式安裝在箱梁的內(nèi)部和下表面，接觸式摩擦發(fā)電單元能夠多個接觸式摩擦發(fā)電裝單元串聯(lián)并將所產(chǎn)生的電能隨橋梁振動，收集箱梁結(jié)構(gòu)振動的機(jī)械能并將收集的機(jī)械能轉(zhuǎn)換為電能進(jìn)行存儲或者為用電設(shè)備供電。

進(jìn)一步地，接觸式摩擦發(fā)電單元包括上基板和下基板，上基板和下基板之間通過彈簧連接，上基板的內(nèi)表面涂設(shè)第一介電材料，下基板的內(nèi)表面涂設(shè)第二介電材料，第一介電材料和第二介電材料的極性相反，當(dāng)接觸式摩擦發(fā)電單元收到擠壓振動時，上基板和下基板的內(nèi)表面接觸并產(chǎn)生摩擦，當(dāng)擠壓的力撤銷時，在彈簧的回復(fù)力作用下上基板和下基板分開的過程中，摩擦電荷經(jīng)過外加電路產(chǎn)生電流，接觸式摩擦單元的外部通過高分子柔性防水絕緣材料封裝并預(yù)留電線接口，外加電路通過電線接口連接至上基板和/或下基板從而將其產(chǎn)生的電流輸出。

接觸式摩擦發(fā)電裝置在橋梁結(jié)構(gòu)上的理論電能輸出可通過如下理論計算進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計及優(yōu)化。在外加動荷載p(x,t)作用下，簡支橋梁的動力響應(yīng)可根據(jù)振型疊加法求得，以主坐標(biāo)表示的動力平衡微分方程如下：

其中q_j(t)為第j階位移響應(yīng)，ζ_j為第j階振型阻尼比，λ_j為第j階固有頻率， M_j為模態(tài)質(zhì)量，為模態(tài)荷載，φ_j(x)為第j階振型，l為橋梁長度。由方程可求得橋梁在各階振型下的位移響應(yīng)，并可根據(jù)振型疊加法求得橋上任意位置的位移響應(yīng)如下：

根據(jù)求得的接觸式摩擦發(fā)電裝置工作位置的橋梁振動位移響應(yīng)，可求得發(fā)電裝置中運動部分的振動響應(yīng)，其振動響應(yīng)可簡單描述為：

由接觸式摩擦發(fā)電裝置中輸出電壓V(t)和位移過程x(t)的關(guān)系方程可求得輸出電壓：