专利名称：一种适应于铁路路基面上和轨道结构中的压电发电方法
技术领域：
本发明涉及一种利用铁路列车通过时路基和轨道振动能量压电发电的方法及其 系统。
背景技术：
目前存在多种发电类型或方法，如火电、水电、核电、风电等等，其中使用燃料的火 力发电存在一定的能源消耗和污染问题，水力发电只能用于江河地段，原子能发电复杂庞 大需要大量投资，因此，目前各行各业时刻需要的电能是相当宝贵的，而清洁的可再生能源 如太阳能、风能、海洋能、地热能等，在很大程度上受到地理、地貌、地形和气候等自然条件 的限制，而目前可再生能源的利用仍然只占一小部分。由于石油、煤炭等目前大量使用的传 统化资源枯竭，同时新的能源生产供应体系又未能建立，在交通运输业、工商业、金融业等 一系列行业存在潜在的能源危机。充分开发利用新能源、提高能耗效率是当务之急，目前国 内外正积极开展这方面的研究，并取得了很好的成效。目前，既不属于矿物资源也不属于自 然能源或原子能，而是充分利用人民生活、生产活动和交通运输过程可重新利用的能量，即 利用列车运行通过时对轨道和路基产生的压力，作用于具有压电效应的元件上，转换为电 能输出，构成无能耗无污染的发电系统。1880年居里兄弟首次发现晶体的压电现象，即石英晶体在机械压力作用下，在两 端面之间会出现电势差。压电效应已被应用到与人们生产、生活、军事、科技密切相关的许 多领域，实现了力_电转换等功能。例如用压电陶瓷将外力转换成电能的特性，可以生产出 不用火石的压电打火机、煤气灶打火开关、炮弹触发引信等。此外，压电陶瓷还可以作为敏 感材料，应用于扩音器、电唱头等电声器件，用于压电地震仪，可以对人类不能感知的细微 振动进行监测，并精确测出震源方位和强度，从而预测地震，减少损失。利用压电效应制作 的压电驱动器具有精确控制的功能，是精密机械、微电子和生物工程等领域的重要器件。利 用振动能量作用压电元件进行发电也是一项取得初步成效的研究。本发明将压电装置设置在铁路路基面上或轨道结构中，利用振动能量产生电能并 予以存储以供利用。与传统的利用振动能量相比，利用铁路路基和轨道振动能量发电具有 显著的优点铁路轨道线路结构稳定，列车运行时间和运行线路固定，列车轴重和自重远大 于汽车，因此可以收集利用的铁路路基轨道振动能量大且稳定，采用压电装置可以收集存 储巨大电能。公路路面振动能量受到汽车行驶路线具有随机性和离散性，压电装置的设置 面积大，收集利用率低。
发明内容
本发明的目的在于，提出一种利用铁路路基和轨道振动能量压电发电的方法及其 装置，将压电装置布设在铁路路基面上或轨道结构中，振动发电装置固定在铁路两侧路肩 或钢轨轨腰上，利用振动能量产生电能并予以存储以供利用。本发明提出的利用铁路路基 和轨道振动能量压电发电的方法及其系统将列车运行过程中浪费的机械动能有效地转换为电能，系统简单可靠，无能耗，无污染，可广泛应用于铁路沿线隧道、工务驻地等照明用 电，系统节能环保，具有显著的经济价值和社会价值。为实现上述目的，本发明采用如下技术措施将压电装置铺设于有砟和无砟轨道结构的铁路路基面上或弹性支承板式无砟轨 道的支承板下或固定在扣件装置的绝缘缓冲垫板中，将振动发电装置固定在有砟或无砟轨 道结构两侧路肩或钢轨轨腰上，列车通过时动荷载从钢轨向轨道结构和路基传递，压电和 振动发电装置受到周期性动力作用，将振动能量进行收集并经过电能转换装置转换为电 能，再通过电能存储装置或负载装置进行存储或利用。该方法包括以下步骤(图1)a.在有砟或无砟轨道结构的铁路路基面上或弹性支承板式无砟轨道的支承板下 或固定在扣件装置的绝缘缓冲垫板中布设压电装置，在有砟或无砟轨道结构两侧路肩或钢 轨轨腰上布置振动发电装置，该压电和振动发电装置接收列车行驶过程中的振动能量发 电；b.将压电和振动发电装置产生的电能传输到一个电能转换装置中，对变化的电能 进行调整和转换；c.经过电能转换装置调整和转换后的电能由电能存储装置存储，并通过负载控制 模块给负载供电，负载包括铁路沿线隧道、工务驻地等各种照明通信用电；所述的电能转换装置调整和变化的电能由电能存储装置接受时，电能转换装置对 电能存储装置的充电电压和电流进行自动控制。所述的电能转换装置对压电装置收集的振 动能量产生的电能进行调整和转换包括以下两步1)将压电和振动发电装置产生的交流电整流为直流电；2)电能转换装置测试步骤1)的直流电压，选择合适的直流变换模块(DC/DC)转换 为合适的直流电压和电流对电能存储装置进行充电。本发明还提供一种用于上述方法的压电发电系统，该压电发电系统包括压电装 置、电能转换装置和电能存储装置，压电装置用于收集列车运行时产生的振动能量，电能转 换装置在正压电效应和振动效应作用下将振动能量转化为电能，用于对电能进行调整和变 换，电能转换装置调整和变换后的电能供给存储装置进行存储。本发明的优点1、铁路轨道线路结构特点，列车运行时间和运行线路固定，列车轴重和自重远大 于汽车，因此可以收集利用的铁路路基轨道振动能量大且稳定，采用压电装置可以收集存 储巨大电能。2、本发明与现有的各种发电能源不同。它直接利用铁路列车通过时路基轨道振动 能量压电发电，不消耗其它矿物能源和自然资源。该发明配套的蓄电池组与控制供电系统 只需要放置在既有铁路路肩或边坡处，对既有铁路结构无任何影响，对行车安全无任何影 响。本发明作为一种清洁能源，可广泛应用于铁路沿线隧道、工务驻地等照明用电，系 统节能环保，具有显著的经济价值和社会价值。
图1 系统结构2 有砟轨道压和振动发电电装置布置图；图3 无砟轨道压电和振动发电装置布置图
权利要求
一种适应于铁路路基面上和轨道结构中的压电发电方法，其特征在于，将压电装置铺设于有砟和无砟轨道结构的铁路路基面上或弹性支承板式无砟轨道的支承板下或固定在扣件装置的绝缘缓冲垫板中，将振动发电装置固定在有砟或无砟轨道结构两侧路肩或钢轨轨腰上，列车通过时动荷载从钢轨向轨道结构和路基传递，压电和振动发电装置受到周期性动力作用，将振动能量进行收集并经过电能转换装置转换为电能，再通过电能存储装置或负载装置进行存储或利用。
2.如权利要求1所述的压电发电方法，所述的电能转换装置对压电装置收集的振动能 量产生的电能进行调整和转换包括以下两步将压电装置和振动发电装置产生的交流电整 流为直流电；电能转换装置测试步骤的直流电压，选择合适的直流变换模块(DC/DC)转换 为合适的直流电压和电流对电能存储装置进行充电。
3.一种用于如权利要求1所述的压电发电方法的压电发电系统，该压电发电系统包括 压电装置、振动发电装置、电能转换装置和电能存储装置，压电装置和振动发电装置用于收 集列车运行时产生的振动能量，电能转换装置在正压电效应和振动效应的作用下将振动能 量转化为电能，用于对电能进行调整和变换，电能转换装置调整和变换后的电能供给存储 装置进行存储。
4.如权利要求1所述的压电发电方法，其铺设于有砟轨道结构的路基面上的压电装置 沿铁路线路纵向铺设，以线路中线为中心，铺设宽度在动荷载主要分布范围在3m以内。
5.如权利要求1所述的压电发电方法，其铺设于无砟轨道结构的路基面上的压电装置 沿铁路线路纵向铺设，以线路中心线为中心，铺设宽度在底座或支承层宽度范围在2. 4 3m之间内。
6.如权利要求1所述的压电发电方法，其铺设于弹性支承板式无砟轨道的支承板下的 压电装置铺设在支承板下，压电装置大小为支承板大小。
7.如权利要求1所述的压电发电方法，其固定在扣件装置的绝缘缓冲垫板中的压电装 置在垫板的制作过程中将压电装置直接植入成形。
8.如权利要求3或4所述的压电发电方法，其特征在于，压电装置中的压电元件包括压 电陶瓷、压电聚合物和压电复合材料其中之一或其组合，直接作为路基组成部分。
9.如权利要求5或6所述的压电发电方法，其特征在于，压电装置中的压电元件为压电 聚合物。
全文摘要
本发明涉及一种适应于铁路路基面上和轨道结构中的压电发电方法。将压电和振动发电装置设置在铁路路基面上或轨道结构中，利用振动能量产生电能并予以存储以供利用。本发明包括设置于路基面和轨道结构中的压电和振动发电装置，用于将列车运行时产生的动能转换为电能；电能变换装置，用于调整和转换压电装置产生的电能，并将电能存储于存储装置或负载装置。以上压电装置与电力变换装置进行连接，电能变换装置与存储装置或负载相连。本发明将浪费的机械动能有效地转换为电能，系统简单可靠，无能耗，无污染，可广泛应用于铁路沿线隧道、工务驻地等照明用电，系统节能环保，具有显著的经济价值和社会价值。
文档编号H02J7/04GK101814858SQ20101013212
公开日2010年8月25日 申请日期2010年3月25日 优先权日2010年3月25日
发明者何华武, 刘杰, 史存林, 叶阳升, 姚建平, 张千里, 王立军, 程爱君, 程远水, 董亮, 蔡德钩, 闫宏业, 马伟斌 申请人:中国铁道科学研究院铁道建筑研究所