專利名稱：用于瀝青混凝土路面的壓電自發(fā)電能量采集與照明裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及了一種用于瀝青混凝土路面的壓電自發(fā)電能量采集與照明裝置，通過
將壓電自發(fā)電單元鋪設(shè)于瀝青混凝土路面下或直接用壓電材料作為路面組成部分，利用車輛振動或壓擠能量產(chǎn)生電能。
背景技術(shù)：
目前，一方面煤炭、石油等傳統(tǒng)能源在不斷匱乏，另一方面隨著能源價格的不斷上漲，電能十分寶貴。而通常公路使用的路燈，信號燈以及其他照明燈具采用交流電網(wǎng)供電。由于電網(wǎng)采用中低壓為主，對于長距離低壓電網(wǎng)而言電力損耗驚人。 潛在可用的環(huán)境能源有太陽能、風能等。豐富的太陽能是取之不盡、無污染、廉價、人類能夠自由利用的能源。但目前存在所需光照要求復雜、占地面積大、光電轉(zhuǎn)化率低、光伏發(fā)電成本高的不足。至于風能發(fā)電，風能發(fā)電優(yōu)勢突出，風能資源量大質(zhì)優(yōu)，但不穩(wěn)定性大，連續(xù)性、可靠性差；且時空分布不均。壓電自發(fā)電相對傳統(tǒng)電能生產(chǎn)模式有相當明顯的優(yōu)勢。首先它是真正的可再生性清潔能源，具有完全無污染的生產(chǎn)方式，確保了它在國家法律法規(guī)上的重要地位。其次壓電自發(fā)電產(chǎn)生能量的獲取不受地域的限制，凡是有車輪駛過的地方，即將壓電自發(fā)電單元鋪設(shè)于公路混凝土路面下或直接用壓電材料作為路面組成部分，就可以產(chǎn)生清潔的電能；最后由于電能的產(chǎn)生是相對小范圍的，所以電能在利用的時候可以不受輸電網(wǎng)絡(luò)的影響。特別適合于交通信號燈、路燈等公共用電設(shè)施的使用。
當汽車在公路上行駛時，會擠壓壓電自發(fā)電單元，使其產(chǎn)生少量電量。除了用在公路上，也可用于鐵路以及機場自動人行道的類似系統(tǒng)，在實踐中具有重要應用價值。
壓電陶瓷作為壓電發(fā)電裝置的機械-電能換能元件，是壓電發(fā)電裝置的核心元件，極化后的壓電陶瓷對外呈壓電性，壓電發(fā)電裝置利用壓電陶瓷的正壓電效應產(chǎn)生電壓和電荷，它的性能直接影響著壓電發(fā)電裝置的性能優(yōu)劣。由于壓電發(fā)電裝置相對于其他發(fā)電裝置，具有結(jié)構(gòu)簡單、不發(fā)熱、無電磁干擾等優(yōu)點，使其成為自供能系統(tǒng)研究領(lǐng)域中的焦點，在實際應用中有廣闊的發(fā)展前途。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的通過將壓電自發(fā)電單元鋪設(shè)于公路混凝土路面下或直接用壓電材料作為路面組成部分，利用車輛振動或壓擠能量產(chǎn)生電能，給公路上所使用的路燈，信號燈以及其他照明裝置提供電能。 本發(fā)明的用于瀝青混凝土路面的壓電自發(fā)電能量采集與照明裝置(參見附圖1-7)，由壓電自發(fā)電單元1、能量采集裝置2、 DC-DC變換裝置3、能量存儲裝置4、電源監(jiān)測與管理系統(tǒng)5以及道路照明裝置6組成，并且所述的單元、裝置和系統(tǒng)依次導線相連；在外部車輛振動或壓擠下產(chǎn)生的機械能通過壓電自發(fā)電單元1轉(zhuǎn)化為交流電能，再經(jīng)過能量采集裝置2進行電量收集，經(jīng)過整流、濾波能量存儲和限幅后，得到直流的供電電壓，提供給DC-DC變換裝置3 ;經(jīng)DC-DC變換裝置3的輸出提供給能量存儲裝置4足夠的充電電壓和電流，由電源監(jiān)測與管理系統(tǒng)5實時監(jiān)控，根據(jù)監(jiān)測的能量存儲裝置工作狀態(tài)進行調(diào)節(jié)，從而提供合適的電壓與電流給道路照明裝置6。 其中壓電自發(fā)電單元1由疊堆式結(jié)構(gòu)的壓電陶瓷片組成，以高性能壓電陶瓷材料通過金屬導電材料進行串并聯(lián)組合，其串并聯(lián)的數(shù)量由電壓和電流的大小決定，按照獨立單元模塊的形式，被置于瀝青混凝土路面下。 壓電自發(fā)電單元1轉(zhuǎn)化的電能，再經(jīng)過能量采集裝置2收集電量，即經(jīng)過橋式整流電路7整流、電容濾波能量存儲電路8濾波能量存儲，最后經(jīng)穩(wěn)壓二極管9限幅后，得到直流的供電電壓，提供給DC-DC變換裝置3。 DC/DC變換裝置3將得到直流的供電電壓經(jīng)DC-DC變換裝置3后輸出給能量存儲裝置4如可充電電池等，其充電電壓和電流由電源監(jiān)測與管理系統(tǒng)5實時監(jiān)控，根據(jù)監(jiān)測的電源模塊工作參數(shù)，調(diào)節(jié)控制開關(guān)，使可充電電池能提供合適的電壓與電流給道路照明裝置6。 本發(fā)明中，所述用于公路的壓電自發(fā)電能量采集與照明裝置的壓電自發(fā)電單元l，其材料為f丐鈦礦(Peerovskite)結(jié)構(gòu)的鋯鈦酸鉛(Lead Zirconate-titanate ;PZT)?？筛鶕?jù)壓電自發(fā)電單元1發(fā)電能力的強弱，選擇壓電自發(fā)電單元1內(nèi)壓電陶瓷片的數(shù)量和串并聯(lián)連接方式，使能量采集裝置2的輸出電流、電壓與DC/DC變換裝置3的輸入電流、電壓相匹配。 本發(fā)明中，考慮到壓電自發(fā)電單元l發(fā)出的是毫安級的交流電流，所述用于公路的壓電自發(fā)電能量采集裝置2中橋式整流電路7用到的整流二極管采用正向壓降電壓較小的二極管，型號為1N57系列；電容濾波能量存儲電路8用到的鉭電容AVX100uF/16V，型號為D型；其限幅用穩(wěn)壓二極管電路用到的穩(wěn)壓二極管型號為IN47系列。該型號穩(wěn)壓二極管功率為1W，當工作電壓遠小于穩(wěn)定電壓值時，該穩(wěn)壓二極管不起作用；只有大于穩(wěn)定電壓值時，才起到保護DC-DC變換裝置3的作用，防止因DC-DC變換裝置3輸入電壓過高而損壞DC-DC變換器。DC-DC變換裝置3中DC-DC變換的選型是根據(jù)能量存儲裝置4的電壓和電流的需要進行選擇。 本發(fā)明中，能量存儲裝置4采用可充電電池如鎳氫電池和鋰離子電池等。電源監(jiān)測與管理系統(tǒng)5，由低功耗微處理器和含電壓、電流檢測單元模塊電路共同構(gòu)成的裝置組成，對能量存儲裝置4的工作參數(shù)進行監(jiān)測，調(diào)節(jié)控制開關(guān)，使可充電電池能提供合適的電壓與電流給道路照明裝置6。 本發(fā)明中，道路照明裝置6是直流電壓供電的LED節(jié)能燈，它由能量存儲裝置4根據(jù)LED節(jié)能燈正常工作所需電壓、電流的大小經(jīng)過適當?shù)穆?lián)結(jié)后提供給道路照明裝置6。
采集與照明裝置的實物模擬圖。
采集與照明裝置的結(jié)構(gòu)框圖。
采集裝置的原理圖。
采集裝置電路原理圖。
對鎳氫電池充電的電路原理圖。
對鋰離子電池充電的電路原理圖。


圖1是用于公路的壓電自發(fā)電能量 圖2是用于公路的壓電自發(fā)電能量 圖3是用于公路的壓電自發(fā)電能量 圖4是用于公路的壓電自發(fā)電能量 圖5是用于公路的壓電自發(fā)電能量 圖6是用于公路的壓電自發(fā)電能量
圖7是用于公路的壓電自發(fā)電能量電源監(jiān)測與管理系統(tǒng)單元原理圖。
具體實施例方式
用于公路的壓電自發(fā)電能量采集與照明裝置的實物模擬圖如圖1所示。圖1中1是壓電自發(fā)電單元，2是能量采集裝置，3是DC-DC變換裝置，4是能量存儲裝置，5是電源監(jiān)測與管理系統(tǒng)，6是道路照明裝置。 用于公路的壓電自發(fā)電能量采集與照明裝置的具體實施方式
如圖2-圖7所示。如圖2所示，壓電自發(fā)電單元1的工作方式是通過車輛振動或壓擠壓電陶瓷，利用壓電陶瓷的正壓電效應，產(chǎn)生電能，通過導線將電能引出給壓電自發(fā)電能量采集裝置2進行電量收集，再經(jīng)DC-DC變換裝置3的輸出提供給能量存儲裝置4足夠的充電電壓和電流，由電源監(jiān)測與管理系統(tǒng)5實時監(jiān)控，根據(jù)監(jiān)測的能量存儲裝置工作狀態(tài)進行調(diào)節(jié)，提供合適的電壓與電流給道路照明裝置6。如圖3所示，該實施方式中的壓電自發(fā)電能量采集裝置2包括橋式整流電路7、電容濾波能量存儲電路8和，穩(wěn)壓二極管限幅9。如圖4所示中，整流二極管要求其正向?qū)▔航当M可能小，因此在本專利中二極管采用型號為1N5711。 1N5711二極管的最大反向電壓VM = 60V，小電流時正向?qū)▔航礦F = 0.41V，最大整流電流IF = 15mA，反向電流IK = 200nA，反向恢復時間t = l.Ons，結(jié)電容C。 = 2. OpF。由于鉭電容具有體積小、使用濕度范圍寬、壽命長、絕緣電阻高、漏電流小、阻抗頻率特性好、可靠性高等優(yōu)點；本專利中采用鉭電解電容AVX100uF/16V，型號為D型。壓電自發(fā)電能量采集裝置2的工作方式是壓電自發(fā)電單元1轉(zhuǎn)化的交流電能，經(jīng)過橋式整流電路7整流、電容濾波能量存儲電路8濾波，最后經(jīng)穩(wěn)壓二極管9限幅，穩(wěn)壓二極管型號為IN4735，該穩(wěn)壓二極管具有6. 2V的穩(wěn)壓效果，但工作電壓遠小于6. 2V時，該穩(wěn)壓二極管不起作用；只有大于6. 2V時，才起到保護DC-DC變換裝置3的作用。DC/DC變換裝置3的工作方式是采用降壓型DC-DC變換器，能量采集裝置2的輸出的直流電壓通過DC-DC變換裝置3的DC-DC變換器的Vin端口 ， DC-DC變換器選擇依據(jù)是根據(jù)能量存儲裝置4即可充電電池如鎳氫電池和鋰離子電池等的所需充電電壓、電流大小進行適當選取。實施時，如圖5所示，如果能量存儲裝置4選用鎳氫電池組，則DC-DC變換器的輸出電壓要求是5. 2V左右，最大不超過6V。圖5中DC-DC轉(zhuǎn)換器選用了 MAXM公司的MAX1896芯片，其輸入電壓范圍是2. 6V-5. 5V，輸出最大可調(diào)電壓為13V。如果能量存儲裝置4選用鋰離子電池，前述壓電自發(fā)電能量采集裝置2經(jīng)DC-DC變換裝置3變換后，還需通過由鋰離子電池充電專用芯片LTC1733構(gòu)成的模塊電路，對鋰離子電池充電，輸出電壓要求是4. IV，如圖6所示中，LTC1733的輸入電壓范圍是4. 5V-6. 5V，輸出電壓是4. IV或4. 2V可調(diào)，專用來給鋰離子電池充電。 同時，由低功耗微處理器和含電壓、電流傳感器檢測模塊電路共同構(gòu)成的裝置組成的電源監(jiān)測與管理系統(tǒng)5，對電源模塊工作狀態(tài)實時監(jiān)控并通過控制相應的開關(guān)進行調(diào)節(jié)，用于公路的壓電自發(fā)電能量電源監(jiān)測與管理系統(tǒng)單元原理圖如圖7所示。
具體實施時，采用的是超低功耗的MSP430F14X系列，MSP430F14x單片機具有極低的功耗、強大的處理能力、豐富的片上外圍模塊，方便高效的開發(fā)方式。本發(fā)明主要采用的MSP430F14x單片機，是F14x系列中功能最強大的一款。它具有一個硬件乘法器、6個I/O端口 (每個有8個I/O 口 ) 、1個精確的模擬比較器、2個具有捕捉/比較寄存器的定時器、8路12位A/D轉(zhuǎn)換器、片內(nèi)看門狗定時器、2個串行通信接口和60KB的FlashROM， 2KB RAM。F14x還具有強大的擴展功能，其具有48個I/0引腳，每個I/O 口分別對應輸入、輸出、功能選擇、中斷等多個寄存器，使得功能口和通用I/O 口可以復用，大大增強了端口功能和靈活性，提高了對外圍設(shè)備的開發(fā)能力。 低功耗微處理器采集的信號有電壓信號和電流信號，對鋰離子電池還需采集溫度信號，電壓的測量采用電阻分壓取樣測量電壓，通過測量分壓電阻的電壓值來測量電池組端電壓，電阻分壓比l : 7，電阻精度±0.5% ;其中分壓電阻的電壓值采樣通過微處理器內(nèi)部ADC完成。電流的測量采用精密電流采樣電阻測量電流。在電池的負極串聯(lián)一個20毫歐精密電阻，通過測量這個電阻的電壓降來測量工作電流，電阻精度為0. 5% ;精密電阻兩端電壓的測量也是通過微處理器內(nèi)部的ADC采樣完成。溫度的測量采用負溫度系數(shù)的熱敏電阻測量溫度，通過測量熱敏電阻的阻值來測量電池溫度，熱敏電阻阻值精度為1% ;熱敏電阻應緊貼電池表面。也可以采用專用的電池工作狀態(tài)芯片來完成電池工作狀態(tài)監(jiān)測與管理。 照明裝置主要選用直流電壓供電的LED節(jié)能燈，規(guī)格種類較多，可以根據(jù)能量存儲裝置種類進行選擇，比如能量存儲裝置是鎳氫電池，可選擇鎳氫電池組對6V或12V等多種規(guī)格LED節(jié)能燈供電，如果能量存儲裝置是鋰離子電池，可對3. 7V左右規(guī)格的LED節(jié)能燈進行供電等。
權(quán)利要求
一種用于瀝青混凝土路面的壓電自發(fā)電能量采集與照明裝置，其特征在于，該裝置主要由壓電自發(fā)電單元(1)、能量采集裝置(2)、DC-DC變換裝置(3)、能量存儲裝置(4)、電源監(jiān)測與管理系統(tǒng)(5)和道路照明裝置(6)組成，并且所述的單元、裝置和系統(tǒng)依次導線相連；壓電自發(fā)電單元(1)通過車輛振動或壓擠壓電陶瓷產(chǎn)生電能，通過導線將電能引出給壓電自發(fā)電能量采集裝置(2)進行電量收集，再經(jīng)DC-DC變換裝置(3)的輸出提供給能量存儲裝置(4)足夠的充電電壓和電流，由電源監(jiān)測與管理系統(tǒng)(5)實時監(jiān)控，根據(jù)監(jiān)測的能量存儲裝置工作狀態(tài)進行調(diào)節(jié)，提供合適的電壓與電流給道路照明裝置(6)。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的用于瀝青混凝土路面的壓電自發(fā)電能量采集與照明裝置，其特征是壓電自發(fā)電單元(1)由疊堆式結(jié)構(gòu)的壓電陶瓷片組成，以高性能壓電陶瓷材料通過金屬導電材料進行串并聯(lián)組合，其串并聯(lián)的數(shù)量由電壓和電流的大小決定，按照獨立單元模塊的形式，被置于瀝青混凝土路面下。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的用于瀝青混凝土路面的壓電自發(fā)電能量采集與照明裝置，其特征是能量采集裝置(2)包括橋式整流電路(7)、電容濾波能量存儲電路(8)和穩(wěn)壓二極管(9);通過壓電自發(fā)電單元(1)轉(zhuǎn)化的電能，為毫安級的交流電流，經(jīng)過能量采集裝置(2)中的橋式整流電路(7)整流、電容濾波能量存儲電路(8)濾波能量存儲，最后經(jīng)穩(wěn)壓二極管(9)限幅，得到直流的供電電壓，提供給DC-DC變換裝置(3)。
4. 根據(jù)權(quán)利要求3所述的用于瀝青混凝土路面的壓電自發(fā)電能量采集與照明裝置，其特征是橋式整流電路(7)用到的整流二極管主要選用正向壓降電壓較小的二極管。
5. 根據(jù)權(quán)利要求3所述的用于瀝青混凝土路面的壓電自發(fā)電能量采集與照明裝置，其特征是電容濾波能量存儲電路(8)用到的電容主要選用鉭電容AVX100uF/16V，型號為D型。
6. 根據(jù)權(quán)利要求3所述的用于瀝青混凝土路面的壓電自發(fā)電能量采集與照明裝置，其特征是穩(wěn)壓二極管(9)根據(jù)DC-DC變換裝置(3)所需輸入電壓選用相應的穩(wěn)壓二極管，型號為IN47系列。
7. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的用于瀝青混凝土路面的壓電自發(fā)電能量采集與照明裝置，其特征是DC/DC轉(zhuǎn)換器(3)輸入為經(jīng)電容濾波電路(8)濾波，再經(jīng)穩(wěn)壓二極管(9)限幅后得到直流的供電電壓，DC/DC變換裝置(3)的輸出給能量存儲裝置(4)， DC-DC變換裝置主要用于調(diào)整和轉(zhuǎn)換壓電裝置產(chǎn)生的電能，并將電能提供給能量存儲裝置(4)。
8. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的用于瀝青混凝土路面的壓電自發(fā)電能量采集與照明裝置，其特征是能量存儲裝置(4)采用可充電鎳氫電池或和鋰離子電池。
9. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的用于瀝青混凝土路面的壓電自發(fā)電能量采集與照明裝置，其特征是電源監(jiān)測與管理系統(tǒng)(5)，由低功耗微處理器和含電壓、電流檢測單元模塊電路共同構(gòu)成的裝置組成，對能量存儲裝置(4)工作狀態(tài)實時監(jiān)控并進行調(diào)節(jié)。
10. 根據(jù)權(quán)利要求9所述的用于瀝青混凝土路面的壓電自發(fā)電能量采集與照明裝置，其特征是所述的電源監(jiān)測與管理系統(tǒng)(5)根據(jù)監(jiān)測的電源模塊工作狀態(tài)進行調(diào)節(jié)，調(diào)節(jié)控制開關(guān)，從而提供合適的電壓與電流給道路照明裝置(6)。
11. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的用于瀝青混凝土路面的壓電自發(fā)電能量采集與照明裝置，其特征是照明裝置(6)是可充電電池組供電的LED節(jié)能型照明裝置。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種用于瀝青混凝土路面的壓電自發(fā)電能量采集與照明裝置。將壓電自發(fā)電單元鋪設(shè)于瀝青混凝土路面下，利用車輛振動或壓擠能量產(chǎn)生電能，提供給能量存儲裝置存儲和利用，最后經(jīng)電源管理系統(tǒng)，提供給道路照明裝置作為工作能源。該裝置包括壓電自發(fā)電單元(1)、能量采集裝置(2)、DC-DC變換裝置(3)、能量存儲裝置(4)、電源監(jiān)測與管理系統(tǒng)(5)和道路照明裝置(6)，并且上述的單元、裝置和系統(tǒng)依次導線相連，能量存儲裝置由電源監(jiān)測與管理系統(tǒng)實時監(jiān)控，根據(jù)監(jiān)測的能量存儲裝置工作狀態(tài)進行調(diào)節(jié)，從而提供合適的電壓與電流給道路照明裝置。本發(fā)明不僅可以有效解決城鄉(xiāng)公路燈具供電不便的難題，而且既節(jié)能，又環(huán)保。
文檔編號E01C7/00GK101783616SQ201010028909
公開日2010年7月21日 申請日期2010年1月4日 優(yōu)先權(quán)日2010年1月4日
發(fā)明者卿輝, 吳少鵬, 周靜, 唐寧, 孫華君, 李哲, 林偉, 陳軍, 陳文 申請人:武漢理工大學