CN107493030A - 基于桥梁振动的摩擦式静电发电装置 - Google Patents

基于桥梁振动的摩擦式静电发电装置 Download PDF

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张鹤
陶伊平
张晨辉
吕朝锋
骆季奎
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    • H02N—ELECTRIC MACHINES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
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Abstract

本发明提供一种基于桥梁振动的摩擦式静电发电装置，该发电装置应用于箱梁式的桥梁结构上，包括多个摩擦式静电发电单元，摩擦式静电发电单元分布式安装在箱梁的侧面、下表面以及箱梁内部距离桥梁支座端3m以外的部位，摩擦式静电发电单元能够多个摩擦式静电发电装单元串联并将所产生的电能随桥梁振动，收集箱梁结构振动的机械能并将收集的机械能转换为电能进行存储或者为用电设备供电。本发明将摩擦发电单元通过电线串联起来，内置于防水封装材料中，安装在箱梁结构侧面、下表面与内部，将环境动荷载引起的桥梁振动机械能转化为电能，当产生电能富余时能够及时进行存储，保证***的持续供电，为桥梁结构提供一种全新的环保绿色能源。

Description

基于桥梁振动的摩擦式静电发电装置
技术领域
本发明涉及用于桥梁结构的俘能发电装置。
背景技术
在现今提倡节能环保的大环境下，太阳能、风能等清洁能源已在交通设施中广泛应用，但受限于其尺寸和布置要求，往往只能作为附属设施小规模使用。因此，需要一种能更广泛使用且能与交通设施结构本身相结合，作为结构一部分而非简单的附加设施的供能器材。
桥梁结构在动荷载下常会发生较大的结构振动，在桥梁工程设计中往往会采取结构优化和附加减振装置以控制结构振动强度，而其中减振装置的实质就是能量吸收装置。结合近年俘能器的快速发展和广泛应用，以及一些振动俘能器应用的提出，使得摩擦式静电俘能装置在桥梁振动控制及振动能量收集再利用上的应用成为可能。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种基于桥梁振动的摩擦式静电发电装置，能利用桥梁结构的振动变形提供电能。
本发明解决技术问题所采用的技术方案是：基于桥梁振动的摩擦式静电发电装置，该发电装置应用于箱梁式的桥梁结构上，包括多个摩擦式静电发电单元，摩擦式静电发电单元分布式安装在箱梁的侧面、下表面以及箱梁内部距离桥梁支座端3m以外的部位，摩擦式静电发电单元能够多个摩擦式静电发电装单元串联并将所产生的电能随桥梁振动，收集箱梁结构振动的机械能并将收集的机械能转换为电能进行存储或者为用电设备供电。
进一步地，摩擦式静电发电单元包括第一基板和第二基板，第一基板的宽度小于第二基板，第一基板和第二基板相互接触的这一面上分别涂设有极性相反的介电材料层，第一基板和第二基板的外部设有硬质的防水封装，第一基板通过与其横向方向一致的弹簧与防水封装连接，当摩擦式静电发电单元收到挤压振动时，在弹簧的作用下，第一基板和第二基板发生相对移动，使得第一基板和第二基板的接触面积发生改变，从而发生电荷转移，电荷经外加电路产生电流，防水封装上预留有电线接口，外加电路通过电线接口连接至第一基板和/或第二基板从而将其产生的电流输出。
摩擦式静电发电装置在桥梁结构上的应用可通过如下理论计算过程开展结构设计和优化工作。在外加动荷载p(x,t)作用下，简支桥梁的动力响应可根据振型叠加法得到，以主坐标表示的动力平衡微分方程如下：
其中qj(t)为第j阶位移响应，ζj为第j阶振型阻尼比，λj为第j阶固有频率，Mj为模态质量，为模态荷载，φj(x)为第j阶振型，l为桥梁长度。由方程可求得桥梁在各阶振型下的位移响应，并可根据振型叠加法求得桥上任意位置的位移响应如下：
根据求得的摩擦式静电发电装置工作位置的桥梁振动位移响应，可求得发电装置中运动部分的振动响应，其振动响应可简单描述为：
由摩擦式静电发电装置中V(t)和x(t)的关系方程可求得输出电压
其中d0＝d1/εr1+d2/εr2，为介电材料的等效厚度，l为电极板上涂有介电材料的长度，w为电极板上涂有介电材料的宽度，σ为介电材料表面电荷密度，ε0为真空介电常数。根据求得的输出电压和输出电路参数特征，可求得摩擦式静电发电装置的理论电能输出，并能根据该关系进行俘能装置结构设计优化。
进一步地，相邻摩擦式静电发电单元之间的间距为8cm。
进一步地，当摩擦式静电发电单元安装在箱梁腹板上时，第一基板这一侧固定粘结在腹板的表面；当摩擦式静电发电单元安装在箱梁底板的内表面时，远离弹簧的这一端固定粘结在底板上；当摩擦式静电发电单元安装在箱梁底板的外表面时，靠近弹簧的这一端固定粘结在底板上；当摩擦式静电发电单元安装在箱梁顶板的内表面时，靠近弹簧的这一端固定粘结在顶板上；也就是说，摩擦式静电发电单元始终保持靠近弹簧的这一端朝上。
进一步地，多个摩擦式静电发电单元通过电线串连在一起形成供电电路，供电电路依次连接稳压整流器、储能装置和变压装置，稳压整流器、储能装置和变压装置通过电线连接至供电电路的输出端口，供电电路的输出端口连接至用电设备。
进一步地，供电电路采用高分子柔性防水绝缘材料封装，形成所述接触式摩擦发电装置。
进一步地，用电设备包括桥梁结构的监控***、阻尼***、照明装置以及行车指示牌。
摩擦式静电俘能材料可以根据其力电转换特性，将环境荷载作用下产生的桥梁振动所产生的机械能转化为电能，并进行收集和利用，为桥上各用电设施提供电能，起到变害为利的目的。箱梁结构应用广泛，如能对箱梁结构振动产生的机械能进行合理利用，完全能够为该结构上的监控***、阻尼***、照明装置、行车指示牌等提供用电，将富余电量存储于起来，能够保证该自供能体系的持续供电。摩擦式静电俘能装置结构简单、易于加工制作、便于微型化和集成化，材料的能量采集和应用工作环境限制少、效率高、绿色环保，相关技术的开发利用将产生巨大的经济效益，为建设资源节约型社会提供助力，具有一定市场潜力和经济价值。
本发明的有益效果是：本发明将摩擦发电单元通过电线串联起来，与电源控制装置一起，内置于防水封装材料中，安装在箱梁结构侧面、下表面与内部，将环境动荷载引起的桥梁振动机械能转化为电能，经过该供电薄膜装置中的电源控制集成***的稳压、变压处理，对桥上各用电设备进行供电或者进行电能存储，本发明的发电装置所产生的电能完全能够为桥梁结构上的监控***、阻尼***、照明装置、行车指示牌等提供足够的电能，还具备电能存储装置，当产生电能富余时能够及时进行存储，保证***的持续供电，为桥梁结构提供一种全新的环保绿色能源。
附图说明
图1是摩擦式静电发电单元的结构图。
图2是箱梁的结构图。
图3是摩擦式静电发电单元与箱梁的五种粘接方式，其中，图3(a)和图3(b)是摩擦式静电发电单元与箱梁腹板连接的示意图，图3(c)是摩擦式静电发电单元与箱梁底板的内表面连接的示意图，图3(d)是摩擦式静电发电单元与箱梁底板的外表面连接的示意图，图3(e)是摩擦式静电发电单元与箱梁顶板的内表面连接的示意图。
图4是本发明的截面图，其中各摩擦式静电发电单元都分别按图3中的五种粘结方式与箱梁进行粘结。
图5是图4的1-1断面图。
图6是图4的a-a剖面图。
图中标号：1-弹簧；2-硬质防水封装；3-第一基板；4-正极介电材料；5-负极介电材料；6-第二基板；7-摩擦式静电发电单元；8-电线；9-高分子防水绝缘封装；10-稳压整流器；11-变压器；12-电能储能装置；13-电流输出端口；14-箱梁。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的具体实施方式作进一步的说明
参照附图。
本发明的摩擦式静电发电装置安装在箱梁14上，摩擦式静电发电装置包括多个摩擦式静电发电单元7，摩擦式静电发电单元7两两之间间距在8cm左右，摩擦式静电发电单元7数量由用电设备所需电量决定，摩擦式静电发电单元7数量越多，即所能提供的电量越大。
摩擦式静电发电单元7结构如图1所示，基本结构为表面接触的第一基板3和第二基板6，第一基板3和第二基板6左右布置，分别在两个基板3、6的接触面上涂有电极性相反的介电材料4、5，单元外置硬质防水封装2。当两基板因箱梁14振动产生相对位移时，介电材料4、5间的接触面积会改变，从而发生电荷转移，电荷经外加电路产生电流，装置对外放电。第一基板3与防水封装2用竖直方向的弹簧1相连，对弹簧1要求有合适的刚度，以使得该发电装置能在箱梁14振动中能通过介电材料4、5的接触面积改变产生电流，从而将机械能转化为电能。
多个摩擦式静电发电单元7通过电线8串连在一起形成供电电路，电线起到连接各摩擦式静电发电单元7、稳压整流器10、变压器11、电能储能器12、连接用电设备的电路输出端口13及传输电流的作用。
供电电路上还包括稳压整流器10、变压器11和储能装置12，稳压整流器10、变压器11和储能装置12通过电线8连接至供电电路的输出端口13，供电电路的电流输出端口13连接至用电设备，用电设备主要指桥梁上的用电设备，具体包括桥梁结构的监控***、阻尼***、照明装置以及行车指示牌等。稳压整流器10、变压器11、电能储能器12和连接用电设备的电路输出端口13，通过电线8与各摩擦式静电发电单元7相连，通过电路输出端口13与外部用电设备相连并为其供电，储能装置存储富余电能。
供电电路采用高分子柔性防水绝缘材料9封装，形成摩擦式静电俘能装置，摩擦式静电俘能装置安装在箱梁侧面、下表面与内部距离梁支座端3m以外的部位，摩擦式静电俘能装置与箱梁14的接触面采用高强粘合剂固定。
摩擦式静电发电单元7整体上呈扁平状，硬质防水封装3与摩擦式静电俘能单元7的外廓形状形状一致，为粘合剂的使用提供足够的接触面，确保摩擦式静电单元装置7能够牢固地固定在箱梁侧面、下表面与内部，电流输出端口13设置在摩擦式静电单元单元7的一侧，走线的空间设置在摩擦式静电单元单元7的同侧，防止内部走线在振动中发生交错缠绕影响发电效果和整体***的稳定。

Claims (7)

1.基于桥梁振动的摩擦式静电发电装置，该发电装置应用于箱梁式的桥梁结构上，其特征是，包括多个摩擦式静电发电单元，摩擦式静电发电单元分布式安装在箱梁的侧面、下表面以及箱梁内部距离桥梁支座端3m以外的部位，摩擦式静电发电单元能够多个摩擦式静电发电装单元串联并将所产生的电能随桥梁振动，收集箱梁结构振动的机械能并将收集的机械能转换为电能进行存储或者为用电设备供电。
2.根据权利要求1所述的基于桥梁振动的摩擦式静电发电装置，其特征是，摩擦式静电发电单元包括第一基板和第二基板，第一基板的宽度小于第二基板，第一基板和第二基板相互接触的这一面上分别涂设有极性相反的介电材料层，第一基板和第二基板的外部设有硬质的防水封装，第一基板通过与其横向方向一致的弹簧与防水封装连接，当摩擦式静电发电单元收到挤压振动时，在弹簧的作用下，第一基板和第二基板发生相对移动，使得第一基板和第二基板的接触面积发生改变，从而发生电荷转移，电荷经外加电路产生电流，防水封装上预留有电线接口，外加电路通过电线接口连接至第一基板和/或第二基板从而将其产生的电流输出。
3.根据权利要求1所述的基于桥梁振动的摩擦式静电发电装置，其特征是，相邻摩擦式静电发电单元之间的间距为8cm。
4.根据权利要求1所述的基于桥梁振动的摩擦式静电发电装置，其特征是，当摩擦式静电发电单元安装在箱梁腹板上时，第一基板这一侧固定粘结在腹板的表面；当摩擦式静电发电单元安装在箱梁底板的内表面时，远离弹簧的这一端固定粘结在底板上；当摩擦式静电发电单元安装在箱梁底板的外表面时，靠近弹簧的这一端固定粘结在底板上；当摩擦式静电发电单元安装在箱梁顶板的内表面时，靠近弹簧的这一端固定粘结在顶板上；也就是说，摩擦式静电发电单元始终保持靠近弹簧的这一端朝上。
5.根据权利要求1所述的基于桥梁振动的摩擦式静电发电装置，其特征是，多个摩擦式静电发电单元通过电线串连在一起形成供电电路，供电电路依次连接稳压整流器、储能装置和变压装置，稳压整流器、储能装置和变压装置通过电线连接至供电电路的输出端口，供电电路的输出端口连接至用电设备。
6.根据权利要求5所述的基于桥梁振动的摩擦式静电发电装置，其特征是，供电电路采用高分子柔性防水绝缘材料封装，形成所述接触式摩擦发电装置。
7.根据权利要求5所述的基于桥梁振动的摩擦式静电发电装置，其特征是，用电设备包括桥梁结构的监控***、阻尼***、照明装置以及行车指示牌。
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