本實(shí)用新型涉及壓電陶瓷發(fā)電及電能收集技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種基于壓電效應(yīng)的橡膠支座結(jié)構(gòu)及其發(fā)電系統(tǒng)。

背景技術(shù)：

研究表明，當(dāng)對(duì)陶瓷片施加壓力或拉力時(shí)，陶瓷片的兩端會(huì)產(chǎn)生極性相反的電荷，通過回路而形成電流，這種效應(yīng)稱為壓電效應(yīng)。具有這種性能的陶瓷稱為壓電陶瓷，其表面電荷的密度與所受的機(jī)械應(yīng)力成正比。人們利用壓電陶瓷的這種特性，已經(jīng)研制出多種機(jī)械性能轉(zhuǎn)化為電能的裝置：

(1)步行壓電發(fā)電

人在運(yùn)動(dòng)過程中會(huì)浪費(fèi)一些機(jī)械性能，因此有不少針對(duì)這些能量的利用研究，例如壓電發(fā)電鞋，壓電發(fā)電鞋就是把發(fā)電裝置植入鞋底，通過人體在行走時(shí)腳對(duì)鞋底的沖擊使壓電陶瓷變形而產(chǎn)生電荷。

(2)微型發(fā)電機(jī)

美國德克薩斯州大學(xué)的Shashank Priya教授采用壓電元器件制造了一種微型發(fā)電機(jī)。這種小型發(fā)電機(jī)由時(shí)速8-16公里的風(fēng)力驅(qū)動(dòng)壓電雙晶梁結(jié)構(gòu)產(chǎn)生振動(dòng)，從而在壓電陶瓷上產(chǎn)生電能。這種微型發(fā)電機(jī)能夠?yàn)闊o線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)提供最多50mW的功率。

(3)機(jī)械力發(fā)電

現(xiàn)在煤氣灶上用的一種新式電子打火機(jī)，就是利用壓電陶瓷制成的。它是一種將機(jī)械力轉(zhuǎn)換為電能產(chǎn)生電火花而引燃?xì)怏w的裝置，是壓電陶瓷作機(jī)電換能材料使用的典型實(shí)例之一。

上述這些將機(jī)械能轉(zhuǎn)換為電能的裝置，缺點(diǎn)在于：①壓電陶瓷無法獲得較大的應(yīng)力變化幅度，部分裝置僅限于人為施加；②外部激勵(lì)導(dǎo)致壓電陶瓷拉壓是一個(gè)隨機(jī)概率事件，不能保證壓電陶瓷變形的頻繁度；③大部分裝置發(fā)電量小，能量轉(zhuǎn)化效率不高，難以提供充足的電能供人們大規(guī)模使用。

現(xiàn)今，隨著我國社會(huì)的發(fā)展進(jìn)步和人們生活水平的日益提高，許多人購買了私家車；為了交通的便捷，政府興建了許多橋梁，尤其是拱橋、斜拉橋、懸索橋。隨著建橋技術(shù)的提高，橋梁向著大跨徑、輕型化發(fā)展，橋梁上的車流量不斷增大。行駛于橋梁上的機(jī)動(dòng)車使橋梁頻繁振動(dòng)，橋梁支座上的壓力變化迅速，“隱藏”著大量被廢棄的能量。如今也有人提出在橋梁支座上安裝壓電發(fā)電裝置，將機(jī)動(dòng)車通過橋梁時(shí)在橋梁支座上產(chǎn)生的壓力轉(zhuǎn)換為電能，從而實(shí)現(xiàn)發(fā)電?，F(xiàn)有的橋梁支座壓電發(fā)電裝置，為了獲得足夠的壓力或拉力，均需要將陶瓷壓電裝置大面積鋪設(shè)在橋梁上，不僅需要耗費(fèi)大量的人力物力，施工難度大、成本高，而且維修更換麻煩，無法滿足技術(shù)發(fā)展的需求。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本實(shí)用新型為了解決現(xiàn)有技術(shù)需要大面積在橋梁上鋪設(shè)陶瓷壓電裝置的問題，提供一種基于壓電效應(yīng)的橡膠支座結(jié)構(gòu)，該橡膠支座結(jié)構(gòu)隨著橋梁的震動(dòng)能夠獲得較大的振幅，從而給予內(nèi)部的壓電片較大的應(yīng)力變化幅度，同時(shí)保證壓電片變形的頻繁程度，提高發(fā)電量及發(fā)電效率，提高了能量轉(zhuǎn)換效率，無需大面積鋪設(shè)于橋梁上。

本實(shí)用新型還提供一種基于壓電效應(yīng)的橡膠支座結(jié)構(gòu)的發(fā)電系統(tǒng)。

本實(shí)用新型基于壓電效應(yīng)的橡膠支座結(jié)構(gòu)，包括底部橡膠層、加勁板、頂部橡膠層及若干壓電片；加勁板設(shè)置在底部橡膠層上，若干壓電片均勻間隔設(shè)置在加勁板上，若干壓電片并聯(lián)連接，頂部橡膠層設(shè)置在若干壓電片上；所述壓電片的覆蓋面積至少占加勁板面積的4/5。

在一個(gè)優(yōu)選的實(shí)施例中，所述壓電片黏貼固定在加勁板上。壓電片與加勁板的粘結(jié)強(qiáng)度最好大于10Mpa。

優(yōu)選地，若所述加勁板為矩形，則所述壓電片覆蓋面積為以加勁板短邊長為直徑的圓形；若所述加勁板為圓形，則所述壓電片覆蓋整個(gè)加勁板。

為了兼顧減震及壓電效應(yīng)的效果，同時(shí)使壓電片的輸出能量盡可能大，本實(shí)用新型可將底部橡膠層、頂部橡膠層、加勁板分別設(shè)為10層，每層加勁板上均設(shè)有若干壓電片，不同層加勁板上的壓電片并聯(lián)連接。

本實(shí)用新型基于壓電效應(yīng)的橡膠支座結(jié)構(gòu)的發(fā)電系統(tǒng)，包括至少一個(gè)上述基于壓電效應(yīng)的橡膠支座結(jié)構(gòu)，以及蓄電池和控制裝置；所述至少一個(gè)基于壓電效應(yīng)的橡膠支座結(jié)構(gòu)安裝在橋梁的箱梁與橋墩之間；各基于壓電效應(yīng)的橡膠支座結(jié)構(gòu)中的壓電片以并聯(lián)方式連接后，經(jīng)導(dǎo)線與蓄電池連接；所述控制裝置設(shè)置在橋梁的供電電路上，蓄電池受控于控制裝置、經(jīng)供電電路向橋上用電設(shè)備供電。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本實(shí)用新型具有如下有益效果：

1、橡膠支座結(jié)構(gòu)設(shè)有兩個(gè)橡膠層，即底部橡膠層和頂部橡膠層，在底部橡膠層上設(shè)置加勁板，若干壓電片并聯(lián)連接后設(shè)置在加勁板上。橡膠支座結(jié)構(gòu)安裝在橋梁的箱梁與橋墩之間，并聯(lián)后的壓電片通過充電電路與蓄電池連接。該橡膠支座結(jié)構(gòu)隨著橋梁的震動(dòng)或受壓能夠獲得較大振幅，從而給予內(nèi)部的壓電片較大的應(yīng)力變化幅度，同時(shí)保證壓電片變形的頻繁程度，提高發(fā)電量及發(fā)電效率，提高了能量轉(zhuǎn)換效率。

2、由于橡膠支座結(jié)構(gòu)不需要如現(xiàn)有技術(shù)中壓電裝置那樣大面積安裝鋪設(shè)于橋梁上，而發(fā)電系統(tǒng)基于上述橡膠支座結(jié)構(gòu)，安裝及維修方便，成本低，具有很高的實(shí)用性。

附圖說明

圖1為本實(shí)用新型基于壓電效應(yīng)的橡膠支座結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2為本實(shí)用新型發(fā)電系統(tǒng)的電路結(jié)構(gòu)示意圖；

其中，1、橡膠支座結(jié)構(gòu)，11、底部橡膠層，12、加勁板，13、壓電片，14、頂部橡膠層，2、箱梁，3、橋墩，4、導(dǎo)線，5、蓄電池，6、控制裝置，7、分電盤，8、電量計(jì)。

具體實(shí)施方式

為進(jìn)一步詳細(xì)描述本實(shí)用新型，以下結(jié)合附圖及實(shí)施例對(duì)本實(shí)用新型進(jìn)行詳細(xì)描述，但本實(shí)用新型的具體實(shí)施方式不限于此。

實(shí)施例

如圖1所示，本實(shí)用新型基于壓電效應(yīng)的橡膠支座結(jié)構(gòu)，包括底部橡膠層11，所述底部橡膠層11的上部設(shè)置有加勁板12，所述加勁板12的上部設(shè)置有若干并聯(lián)連接的壓電片13，所述壓電片13的上部設(shè)置有頂部橡膠層14。底部橡膠層11、頂部橡膠層14均為天然橡膠。

壓電片13黏貼固定在加勁板12上，其中黏貼劑可選用過聚氨酯膠水，從而使壓電片13與加勁板12的粘結(jié)強(qiáng)度大于10Mpa，確保壓電陶瓷片與加勁板12之間不發(fā)生粘結(jié)性破壞。壓電片13的覆蓋面積至少占加勁板12面積的4/5，并均勻間隔設(shè)置在加勁板12上，使得壓電片13與加勁板12的受力面積盡可能一致。加勁板12能夠使得壓電片13的受力更加均勻，便于收集更大面積的壓力，從而利于提高發(fā)電量及發(fā)電效率。若加勁板為矩形，所述壓電片覆蓋面積為以加勁板短邊長為直徑的圓形；若加勁板為圓形，所述壓電片可覆蓋整個(gè)加勁板；一般來說，圓形壓電陶瓷片比矩形壓電陶瓷片的輸出電壓高。

壓電片13為壓電陶瓷片，壓電陶瓷片的厚度為1-2mm，優(yōu)選為1.5mm。壓電陶瓷應(yīng)具有較高的壓電常數(shù)、介電系數(shù)、極限強(qiáng)度；宜選用鋯鈦酸鉛(PZT)壓電陶瓷，而其中PZT-5X的居里點(diǎn)在一般PZT的居里點(diǎn)之上，大于300-400之間，且沒有較低的相變點(diǎn)，在較大的溫度范圍內(nèi)性能都比較穩(wěn)定，作為換能材料，它的壓電效應(yīng)十分顯著。本實(shí)施例的壓電陶瓷片由壓電陶瓷PZT-5X構(gòu)成，壓電陶瓷PZT-5X的優(yōu)點(diǎn)在于PZT-5(接收型)具有高機(jī)電耦合系數(shù)、高壓電應(yīng)變常數(shù)和高電阻率，各機(jī)電參數(shù)具有優(yōu)異的時(shí)間穩(wěn)定性和溫度穩(wěn)定性，適用于低功率共振和非共振。

加勁板12優(yōu)選FRP加勁板(簡(jiǎn)稱FRP板)。相對(duì)于其它橡膠支座(例如板式橡膠支座)中的加勁板，F(xiàn)RP板提高了橡膠支座的阻尼耗能能力，自身能夠很好地起到阻尼耗能的作用。FRP板包括一層樹脂膠液、一層纖維布，各個(gè)角度均勻疊合于樹脂膠液中，纖維布的層數(shù)為5-7層，得到基材毛坯，然后加入模具中加溫加壓成型。FRP加勁板的模具是上表層有1.5mm的下陷，下陷部分表面的長寬都相比原來的尺寸小1cm。FRP加勁板的壓縮性能優(yōu)于其他材料制成的加勁板的壓縮性能。采用FRP板的橡膠支座比其他的減隔震支座性能更好，而且由于FRP板的密度相對(duì)于鋼板或者其他的加勁板材料來說都小很多，所以相比其他相同尺寸下的橡膠支座(如板式橡膠支座和盆式橡膠支座)，重量更小，造價(jià)更低。

研究表明，n層壓電元件的輸出能量為單層壓電元件的n倍。在本實(shí)用新型中，加勁板和橡膠層數(shù)是成倍數(shù)關(guān)系，橡膠層數(shù)是加勁板的2倍，是為了更好保護(hù)加勁板，不讓其直接受力，防止損壞。為了達(dá)到壓電片并聯(lián)的效果，采用多層FRP加勁板的結(jié)構(gòu)，有益于壓電效應(yīng)產(chǎn)生的電量。實(shí)驗(yàn)表明，當(dāng)FRP加勁板達(dá)到10層時(shí)，若繼續(xù)增加FRP加勁板的層數(shù)，則FRP加勁板相對(duì)于橡膠支座結(jié)構(gòu)等效為剛體，受壓后會(huì)產(chǎn)生很大的變形，黏貼在其上面的PZT-5X壓電陶瓷片也會(huì)隨之產(chǎn)生大變形而損壞，從而達(dá)不到減震和壓電的效果。因此，本實(shí)用新型橡膠支座結(jié)構(gòu)優(yōu)選設(shè)置10層FRP加勁板、20層橡膠，10層FRP加勁板一共可黏貼10層壓電元件，不同層加勁板上的壓電元件并聯(lián)連接，故一個(gè)橡膠支座結(jié)構(gòu)輸出能量為單層FRP加勁板輸出電能的10倍。也就是說，F(xiàn)RP加勁板的層數(shù)是在做了相應(yīng)的壓力變換后得出的，在此比例下，10層FRP加勁板受力時(shí)，產(chǎn)生的電量和受力是最好的。

如圖2，本實(shí)用新型的發(fā)電系統(tǒng)包括橡膠支座結(jié)構(gòu)1、導(dǎo)線4、蓄電池5、控制裝置6、分電盤7及電量計(jì)8；其中橡膠支座結(jié)構(gòu)有多個(gè)，安裝在橋梁的箱梁2與橋墩3之間。各橡膠支座結(jié)構(gòu)中的壓電片以并聯(lián)方式連接后，經(jīng)導(dǎo)線與蓄電池5連接，蓄電池5受控于控制裝置、經(jīng)橋梁的供電電路向橋上用電設(shè)備供電?？稍趬弘娖?3與蓄電池5之間的電路中設(shè)置二極管，以控制電流單向流向蓄電池5；所述二極管可設(shè)置在蓄電池的輸入端。

在橋梁發(fā)生震動(dòng)或者有汽車駛過時(shí)，橡膠支座結(jié)構(gòu)1發(fā)生形變，使得設(shè)置在其內(nèi)部的壓電片13受壓彎曲釋放出一定的電能，并經(jīng)過導(dǎo)線存儲(chǔ)到蓄電池5中，達(dá)到集電目的。蓄電池5通過供電電路向橋上用電設(shè)備供電，供電電路上設(shè)置有控制裝置6、分電盤7及電量計(jì)8。分電盤7用于控制電壓和電流，防止電壓過大擊穿壓電陶瓷片。電量計(jì)8用于監(jiān)測(cè)發(fā)電量，可以監(jiān)測(cè)到壓電陶瓷片的壓電效應(yīng)和內(nèi)部的變形是不是增大。依據(jù)橋型的不同，本發(fā)電系統(tǒng)產(chǎn)生的電能會(huì)有所差異，當(dāng)產(chǎn)生的電能充足時(shí)，可以為橋上用電設(shè)施供電，如路燈、標(biāo)志燈或景觀燈等。此外，還可以在控制裝置內(nèi)設(shè)置智能控制單元，通過智能控制單元實(shí)現(xiàn)蓄電池向用電設(shè)備的智能供電，該智能控制單元與遠(yuǎn)程監(jiān)控中心連接，接收遠(yuǎn)程監(jiān)控中心的控制命令。

下面以具有高級(jí)電耦合系數(shù)、高壓電應(yīng)變常數(shù)和高電阻率的PZT-5X壓電陶瓷片為例，對(duì)本實(shí)用新型的橡膠支座結(jié)構(gòu)及發(fā)電系統(tǒng)做更進(jìn)一步的說明：

某橋梁橫跨江河，全長約1.285公里，其中橋梁全長876米，主橋最大寬度33.5米，最大跨度139米，為雙向六車道單塔斜拉索橋,車速80km/h,最平均日交通量40000～80000輛。橡膠支座結(jié)構(gòu)采用尺寸250mm×210×75mm，考慮橡膠支座結(jié)構(gòu)的尺寸、壓電振子的固有頻率和成本最小的原則選取PZT-5X壓電陶瓷片的尺寸為50mm×30mm×1.5mm。對(duì)于壓電元件，在外界應(yīng)力作用下，上下表面會(huì)產(chǎn)生壓電電荷，壓電元件相當(dāng)于一個(gè)電容，電容在兩極產(chǎn)生電荷后就儲(chǔ)存了一定的能量。假設(shè)換能器所轉(zhuǎn)換的電能全部輸出并儲(chǔ)存。對(duì)于壓電陶瓷片，橡膠支座結(jié)構(gòu)所受應(yīng)力：

作用在PZT-5X壓電陶瓷片兩端的力為：F_max＝δ_maxA＝40000N

電荷Q的計(jì)算表達(dá)式為：Q＝d₃₃F

壓電元件的電容計(jì)算式為：

流過壓電片13厚度方向的電流強(qiáng)度I可以表示為:

在壓電片13厚度方向上產(chǎn)生的電壓可以表示為：

車輪通過一次對(duì)橡膠支座結(jié)構(gòu)所轉(zhuǎn)換的電能W：

式中：F—壓電片所承受壓力；h—壓電片厚度；A—壓電片面積；w—加載頻率；ε—壓電材料的自由介電常數(shù)，ε＝ε₀×ε_r；ε₀—壓電材料的真空介電常數(shù)ε₀＝8.854×10^-12F/m＝8，ε_r—壓電材料的相對(duì)介電常；d₃₃—壓電系數(shù)；ε₃₃＝4500ε₀，K₃₃＝0.77，d₃₃＝750pcN^-1N

由以上公式可計(jì)算得：

電流I＝d₃₃Fw＝750×10-¹²C/N×40000N×0.1HZ＝3μA

產(chǎn)生電能為：

由于橡膠支座結(jié)構(gòu)設(shè)置了10層FRP加勁板、20層橡膠，10層FRP加勁板一共可黏貼固定10層壓電元件；當(dāng)一輛機(jī)動(dòng)車通過橋梁時(shí)，對(duì)PZT-5X壓電陶瓷片，一層FRP加勁板上有四片PZT-5X壓電陶瓷片，產(chǎn)生45.2mJ的電能，一個(gè)橡膠支座結(jié)構(gòu)共產(chǎn)生10倍的電能，即產(chǎn)生452mJ的電能。按車流量4-8萬計(jì)算，每對(duì)橡膠支座共可以產(chǎn)生(1.8-3.6)×10⁴J的能量，可以供一個(gè)50W的節(jié)能燈泡兩個(gè)小時(shí)左右。若橋長876米，則橡膠支座中壓電陶瓷片產(chǎn)生的電量能很好地為橋面上的設(shè)施供電。

這里只提供一個(gè)具體的例子來進(jìn)行說明。實(shí)際上壓電陶瓷可以根據(jù)材料的抗壓強(qiáng)度，使其兩端能夠承受更大的壓力，選用PZT-5X等轉(zhuǎn)化率高的材料，增加壓電片的層數(shù)等，均可使壓電陶瓷產(chǎn)生的電量成倍增加。本實(shí)用新型安裝簡(jiǎn)單，使用周期長，不會(huì)對(duì)原有橋梁結(jié)構(gòu)做實(shí)質(zhì)性的改變，能夠?qū)崿F(xiàn)廢棄能量的二次利用，綠色環(huán)保，具有長遠(yuǎn)的社會(huì)經(jīng)濟(jì)效益。

上述實(shí)施例為本實(shí)用新型較佳的實(shí)施方式，但本實(shí)用新型的實(shí)施方式并不受上述實(shí)施例的限制，其他的任何未背離本實(shí)用新型的精神實(shí)質(zhì)與原理下所作的改變、修飾、替代、組合、簡(jiǎn)化，均應(yīng)為等效的置換方式，都包含在本實(shí)用新型的保護(hù)范圍之內(nèi)。