用于从车辆的经过回收能量的压电机械装置的制作方法

专利名称：用于从车辆的经过回收能量的压电机械装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及通过压电机械(Piezo-ElectroMechanical, PEM)装置从车辆的通过回收能量。
具体地，本发明发现有益的但是未排他的从在城市/郊区/私人道路、高速公路等上的车辆的经过回收能量的应用。
背景技术：
如人们所知，目前存在着各种对能够利用车辆的经过来产生电能的系统的开发行为。
例如，即将在以色列的某些道路上进行实验，这些道路铺设有包含压电晶体的新的路面，当被小汽车和/或卡车的车轮变形时，每个压电晶体能够产生电势差，即电压。实际上，在每次的车辆通过时，单独的压电晶体表现为类似微小的发电机。通过采用压电路面，回收在经过中的车辆的势能。据估计，一公里具有压电表面的道路可产生多达400kW的电能。
另外，国际专利申请W02004067850描述了基于发电机飞轮技术的一种道路斜坡， 这种道路斜坡能够将在经过中的车辆的动能转换为电能。
申请人已经进行了深入的研究，旨在调查开发能够从在经过中的车辆回收动能和势能两者的创新装置的可能性。发明内容
因此，本发明的目的是提供一种能够回收在经过中的车辆的动能和势能两者的装 置。
通过本发明的范围，实现上述目的如在所附的权利要求中限定的，本发明涉及用于从车辆的经过回收能量的装置。
具体地，本发明涉及用于从车辆的经过回收能量的装置，该装置预定要布置在适合于车辆经过的道路的路面上。
详细而言，根据本发明的所述装置包括
·磁元件，所述磁元件产生磁场；
·线圈，包括金属绕组，所述金属绕组限定配置为容纳所述磁元件的空洞；
压电设备(means);以及
·机械设备，配置为当车辆在所述装置上经过时，
-将所述磁元件插入到所述线圈的所述空洞中，以便产生与所述线圈的所述绕组相关联的磁通量的第一变化(first variation),从而在所述线圈上感应出第一电压,并且
-将所述车辆的重力至少部分地传送到所述压电设备上，以便使所述压电设备变形。
上述的压电设备配置为当其被变形时产生至少一第二电压。


为了更好的理解本发明，现在参考附图(未按照比例)来描述通过非限定性示例提 供的一些优选实施例，在附图中
-图1示出根据本发明的一个优选实施例的用于从车辆的经过回收能量的装置的 顶视-图2示出在图1中所示的装置的第一截面图；以及
-图3示出在图1中所示的装置的一部分的第二截面图。
具体实施方式
提供下面的说明使得本领域专家能够实现和使用发明。对于所呈现的实施例的各 种修改对于专家而言将非常明显，并且在此描述的一般原理可以被应用到其他实施例和应 用中，而不离开本发明的保护范围。
因此，本发明不应当意欲仅限于此处描述和图示的实施例，而是给出符合在此呈 现的和在所附的权利要求中限定的原理和特征的最宽的保护范围。
本发明涉及适合于在路面上安装的、用于从车辆的经过回收能量的压电机械 (PEM)装置。下面，为了描述简单且不失一般性，在明白该PEM装置可以用在诸如城市/郊 区/私人道路、高速公路等的任何类型的道路上的情况下，将关于其在一般道路上的使用 而描述根据本发明的该PEM装置。
具体地,该PEM装置包括电机械(electromechanical)设备,用于从经过它的车 辆回收动能；以及，压电设备，用于从经过它的车辆回收势能。
详细而言，该PEM装置利用由在经过中的车辆的车轮带来的压迫和随后的释放以 在金属线圈中插入/抽出与路面成一体的一个或多个永磁体，以便产生可以用于产生电能 的感应电动势。
另外，该PEM装置包括使得在PEM装置上经过的车辆的势能被收集的压电材料层。
图1示出根据本发明的一个优选实施例的PEM装置I的顶视图。
具体地,如图1中所示,该PEM装置I包括上结构，该上结构继而又包括一对刚性 (rigid)上平台11，该一对刚性上平台11在平面上中具有大体相同的矩形形状和相同的尺 寸，对于两个上平台11而言该相同的尺寸包括相同的深度D和比深度D大体上大的相同的 宽度W。
而且，总是如图1中所示，这两个上平台11是并排的，更确切的说，在平面中关于 平行于这两个上平台11的较长边的对称轴对称布置，并且通过滑动系统12相互耦合，该滑 动系统12相应于所述对称轴布置并且耦合到上平台11的最接近所述对称轴的两个较长 边。滑动系统12配置为使上平台11能够受压同时保持对齐，并且可以方便地成为一般借 助于小引导件获得的机械系统。
在使用中，PEM装置I被布置在道路的路面(在图中未示出)上，使得两个上平台11 的较长边关于道路上的交通方向(在图1中交通方向以若干黑箭头指示)正交布置，即，使得 上平台11的对称轴与道路上的交通方向正交。
图2示出了 PEM装置I的沿着在两个上平台11的较短边之间延伸并且平行于道路上的交通方向和两个上平台11的较短边、并且因此与上平台11的对称轴和与上平台11的较长边正交的任何直线的第一截面图(为了说明清楚，在图1中示出示例性虚线线段1-1， 沿着该线段，有可能获得在图2中所示的第一截面图)。在图2中，黑箭头再次指示道路上的交通方向。
具体地，如图2中所示，PEM装置I还包括下结构，该下结构延伸在上结构之下，并且包括刚性下平台13和在所述下平台13下延伸的压电材料层14。
而且，总是如图2中所示，每个上平台11具有各自的上表面Ila和各自的下表面 11b，在使用中经过的车辆的车轮2 (或一对车轮)可以通过上表面Ila上，下表面Ilb面向下结构并具体地面向下平台13。所述下平台13具有上表面13a和下表面13b，上表面13a 面向两个上平台11的下表面I Ib,下表面13b在所述压电材料层14上延伸，即，它被所述压电材料层14覆盖。
在使用中，PEM装置I固定在路面上，使得下结构与下面的路面成为一体，并且使得压电材料层14在路面和下平台13之间。
为描述简便，图2中所示的上结构关于下结构的位置此后称为静止位置(rest position),当PEM装置I未被车轮2压迫时，该位置由PEM装置呈现(assume)。
详细而言，如图2中所示，在静止位置中，即，当PEM装置I未被车轮2压迫时，相对于下平台13抬高上平台11，并且PEM装置I具有第一高度H (以下称为静止高度)，该高度H与下平台13正交并且被包括在滑动系统12的上端和其上放置了 PEM装置I的路面之间。
优选的是，该上结构沿着上平台11的、与滑动系统12相距最远的较长边耦合到下结构(在图2中未示出的特征)。
具体地，上结构耦合到下结构，使得其位置可以相对于所 述下结构而改变，详细而言，使得它可以呈现图2中所示的静止位置和压迫位置这两者，在该压迫位置中，PEM装置I 具有比静止高度H低的第二高度H’(以下称为压迫高度)，并且上平台11因此相对于静止位置更接近下平台13，当车轮2压迫PEM装置I时呈现所述压迫位置。
图3示出PEM装置I的第二截面图，具体是PEM装置I的一部分的、沿着在上平台 11中的一个的分别的较长边之间延伸、并且平行于上平台11的对称轴和上平台11的较长边、并且因此与道路上的交通方向正交并且与两个上平台11的较短边正交的任何线段的第二截面图(为了说明清楚，在图1中示出示例性虚线线段11-11，沿着该线段，有可能获得在图3中所示的第二截面图)。
具体地，在图3中所示的PEM装置I的部分包括上平台11中的一个的一部分、下平台13的一部分、压电材料层14的一部分和插入在上平台11和下平台13之间、具体插入在上平台11的下表面Ilb和下平台13的上表面13a之间插入的一对阻尼器或线圈弹簧15。
另外，图3还示出固定到下平台13的上表面13a的永磁体16和线圈或螺旋管17， 线圈或螺旋管17与永磁体16对应地固定到上平台11的下表面11b，并且由螺旋线圈构成， 该螺旋线圈由例如铜的金属制成，在内部限定了预定为容纳永磁体16的空洞。
详细而言，总是参考图3，在静止位置中，S卩，当车辆的车轮未压迫PEM装置I时，相对于永磁体16抬高线圈17，而在压迫位置中，S卩，当通过经过的车辆的车轮压迫PEM装置I 时，将永磁体16插入到线圈17内，具体地插入在线圈17的空洞中。
另外，为了说明清楚，在图3中还示出了下面内容
·各种椭圆,其表不由永磁体16产生的磁场线；
·两个黑箭头，其表示由在PEM装置I上经过的车辆的车轮施加在上平台11的上 表面Ila上的并且导致上平台11的压迫的力；以及，
·若干白箭头，其表示当车辆在PEM装置I的顶部上时由下平台13施加在下面的 压电材料层13的力。
因此，基于前面已述的和已在图1、2和3中图示的内容，在下面的路面上固定下结 构，使得它不能移动，而当被外部原动机(prime-mover )、例如经过的车辆的车轮压迫并随 后释放时，上结构能够因为阻尼器15的弹性作用而相对于下结构振荡。
具体地，在没有外部刺激存在的情况下，即，当上结构未被任何车辆压迫时，阻尼 器15将上结构保持在静止位置。相反，当先前被经过的车辆的车轮压迫的上结构不再受到 任何压迫时(例如，因为此时经过的车辆的车轮已经驶离PEM装置1)，阻尼器15将所述上结 构回归到静止位置。
然而，对于关于PEM装置I的单个部分的图3所示的部分，下平台13的上表面13a 优选地具有各自的固定到其上的永磁体16的阵列，这些磁体彼此充分地分开，以将分别产 生的磁场之间的相互交互看作是可忽略的。
而且，再次对于关于PEM装置I的单个部分的图3所示的部分，每个上平台11的 下表面Ilb优选地具有固定到其上的线圈或螺旋管17的阵列，每个线圈或螺旋管17通过 围绕各自的内部中空的线筒缠绕适当数量的金属绕组来制造。具体地，对于每个永磁体16， 存在相应的线圈17。
在由经过的车辆的车轮带来的上结构的压迫的时刻，每个永磁体16被机械地迫 使进入各自的线圈17，以便在与各自的线圈17的绕组相关联的磁通量中产生变化。以这种 方式，根据已知的法拉第-诺伊曼-楞次感应定律在每个线圈17的端子处产生感应电压。
在车辆车轮离开上结构的时刻，由于阻尼器15的弹性反作用，每个永磁体16被机 械强制地从各自的线圈17脱离。以这种方式，在与线圈17的绕组相关联的磁通量中产生 相反的变化，并且因此在每个线圈17的端子处产生感应电压，该感应电压与各自的永磁体 16插入到线圈17中而产生的感应电压相反。
线圈17优选地彼此电串联，使得在所述电串联的端子处的合成电压是在所有的 线圈17的端子处的感应电压的和。通过车辆的车轮的经过引起的PEM装置I的压迫和释 放而感应的所述合成电压是由所述压迫产生的正脉冲和由所述释放产生的连续的负脉冲 形成的电压。
因此，PEM装置I的电机械设备，即，上结构、下平台13、阻尼器15、永磁体16和线 圈17，使得能够由于对同一 PEM装置I的影响(在动量上的改变)而回收经过的车辆所损失 的动能。
另外，压电材料层14使得经过的车辆的势能(因为重力)能够被吸收和转换为电 能，并且具体地使得与同一压电材料层14的压迫相关联的机械能能够回收。
事实上，一旦永磁体16已经完全插入到线圈17中，在PEM装置I上的经过的车辆 的重力(势能)通过上结构、阻尼器15和下平台13直接地在压电材料层14上施加压力。以 这种方式，当经过的车辆的车轮压迫PEM装置I时，压电材料层14吸收上结构和阻尼器15的突然停止(end-stop)的影响的一部分,将其转换为电能。
具体地，由在PEM装置I上经过的车辆的重力通过上结构、阻尼器15和下平台13 在压电材料层14上施加的压力使所述压电材料层14变形，压电材料层14然后产生一个或多个电压。
因此，PEM装置I能够既通过电机械设备回收经过的车辆的动能，并且又通过压电材料层14回收经过的车辆的势能。
最后，PEM装置I优选地也包括具有平滑电容器的、被称为格里茨(Graetz)桥的电子双半波整流系统。
具体地，所述具有平滑电容器的电子双半波整流系统连接到线圈17的电串联的端子，并且配置为获取和整流在线圈17的电串联的端子处存在的合成电压。
另外，所述具有平滑电容器的电子双半波整流系统也连接到压电材料层14，并且配置为获取由后者产生的电压，并且在输出中供应最后电压。所述最后电压为由压电材料层14产生的所述电压和在线圈17的电串联的端子处获取并且被整流的合成电压的和。
最后，在来自具有平滑电容器的电子双半波整流系统的输出中提供的最后电压可以方便地发送到一个或多个电池，更确切的说发送到缓冲电池，以存储所产生的电能。逆变器型的电子装置也可以连接到电池，以提供在电网频率(50Hz)下的交流电压的输出。
申请人已经在MATLAB 环境中执行了各种实验模拟，旨在评估根据本发明的 PEM装置的性能、效率和成本。
在下面通过非限定性示例展示在MATLAB 环境中执行的实验模拟中的一个的特定模拟PEM装置的特性。
具体地，
·该特定的模拟PEM装置被用作具有30km/h的速度限制的道路上的减速带；
·该特定的模拟PEM装置具有7cm的静止高度H (对于在被限制到30km/h的区域中的减速带允许的最大值)，交叉地，它是2. 65m宽(即上平台11的宽度W是2. 65m),并且它在车辆的行驶方向上具有50cm的深度(即，该特定的模拟PEM装置的深度是50cm，该特定的模拟PEM装置的深度是两个上平台11的深度D和滑动系统12的深度的和)；
·该特定的模拟PEM装置的上平台11和下平台13是碳纤维的，该碳纤维是非磁材料，并且能够承受车辆的重量，并且具有大约1000欧元的总成本(该总成本与单个单元 (unit)的采购有关；该总的成本在PEM装置的大规模工业生产的情况下将充分地降低)。
该特定的模拟PEM装置包括与路面一体的24个永久盘磁体(permanent disc magnet) 16,每个永久盘磁体16具有20cm的直径、2cm的高度，1. 4特斯拉的剩余电感和大约300欧元的成本；
·该特定的模拟PEM装置包括24个线圈17 (即，为每个如上所述的永磁体16提供一个)，每个线圈17由铜制成并且2cm高；
·采用该特定的模拟PEM装置的上结构的向下速度，以便在2. 5ms中完成永磁体 16在线圈17内的整体陷入；
当被经过的车辆的车轮压迫时，该特定的模拟PEM装置的上结构降低3cm，即，该特定的模拟PEM装置在压迫位置中具有4cm的压迫高度H’(在没有压迫的情况下，永磁体 16被认为在相对于线圈17的Icm的距离处)；
在线圈17上感应的电压Vi是大约70V脉冲的，并且被模拟为持续与2. 5毫秒相等的At的力rect (第一近似假设)；
·如上所述，所使用的等效电子模型的电路是函数Vi · rect^(t-At/2)的强制R-L-C系列，其中，电阻R考虑铜的电阻率和线圈17被制作成的几何形状，电感L考虑由与永磁体16相关的磁路返回的电感，而电容C考虑被提供为作为电能的第一累加器 (accumulator)的270mF电容器的等效电容；具体地，由于所述装置被设计为使得电阻是亚临界的，有可能对于强制脉冲持续的时间，利用响应(在电容器的端子处的电压)的阻尼的振荡过程，使电容器升高到自然过压(显然为了明确地保证单个正半波的利用，将提供适当的串联二极管)；以这种方式，电容器可以在大约120V的值充电(因此，通过利用瞬变 (transitory)，可以不使用升压变压器来提高电动势(EMF));用于这些目的的电容器的零售成本是大约每法拉第10欧元；
·从执行的该模拟，显现了电容器能够在每次压迫(显然，车辆的通过产生两次压迫)时使用大约2000焦耳的能量进行自身充电；
·电容器中的能量比初始存储时间慢得多地、通过被称为DC/DC稳定器的以及以大约200欧元的零售成本市售的电路被传送到电池或逆变器型装置；
·在每次压迫上释放的能量是大约1977焦耳(事实上，并不是在电容器上首先累积的能量的全部被供应到电池，因为电容器不释放到零电压而是释放到所述电池的最小输入电压诸如12V);
·假定每天大约13，000辆车辆的城 市交通流量(考虑了对于大的城市中心的平均的值)，该特定模拟PEM装置可以产生51，402兆焦耳的电能；
·假定累积装置能够在24小时中平稳地返回由特定模拟PEM装置提供的所有能量，可获得大约600W;
·总之，该特定模拟PEM装置花费大约9500欧元来制造单个单元(在工业生产的情况下，该成本可以大概被降低到大约1000欧元)，并且考虑到I千瓦时当前花费大约O.13582欧元，所以该特定模拟PEM装置将其成本最多摊销在一或两年中。
刚才描述的示例是关于使用为在具有30km/h的速度限制的道路上的减速带的、 根据本发明的PEM装置的特定情况。显然，根据本发明的PEM装置也可以被使用为在具有 40km/h和/或50km/h的速度限制的道路上的减速带。
可以从前面的说明立即理解明白本发明的优点。
具体地，根据本发明的PEM装置可以被用作当前在道路上安装的所有减速带的替换品，具有该替换所必须包含的所有相关的经济优点。
而且，除了允许回收不然会在与急速行进的冲击中或在车辆的制动系统中损耗的能量的大部分，根据本发明的PEM装置也容易适合于执行用于监控交通流量和优化交通灯控制的传感器的角色。
另一方面，根据本发明的PEM装置不需要要求在路面下的特定挖掘的特殊安装工作。事实上，所提出的PEM装置在道路上的安装很简单，并且不需要很多时间，不论是安装或可能的拆除，由此限制了在工作期间对交通的不便。
也应当注意，根据本发明的PEM装置可以在远离安装位置的地点(生产工厂)装配并且随后由道路管理方安装。
最后，可以明白，可以对于本发明进行各种修改，所有这些修改全部落在所附的权 利要求限定的本发明的保护范围内。
权利要求
1.一种意欲布置在用于车辆经过的道路的路面上的、从车辆经过回收能量的装置，所述装置(I)包括 磁元件(16)，所述磁元件(16)产生磁场； 线圈(17)，所述线圈(17)包括金属绕组，所述金属绕组限定配置为容纳所述磁元件(16)的空洞； 压电设备(14);以及 机械设备，所述机械设备配置为当车辆在所述装置(I)上经过时， -将所述磁元件(16)插入到所述线圈(17)的所述空洞中，以便产生与所述线圈(17)的所述绕组相关联的磁通量的第一变化，从而在所述线圈(17)上感应出第一电压，并且 -将所述车辆的重力至少部分地传送到所述压电设备(14)上，以便使所述压电设备(14)变形； 所述压电设备(14)配置为当其被变形时产生至少一个第二电压。
2.根据权利要求1所述的装置，包括 多个磁兀件(16),每个磁兀件(16)产生各自的磁场； 与每个磁元件(16)对应的线圈(17)，线圈(17)包括金属绕组，所述金属绕组限定配置为容纳所述磁元件(16)的空洞； 所述机械设备配置为，当车辆在所述装置(I)上经过时，将每个磁元件(16)插入到所述对应的线圈(17)的所述空洞中，以便产生各自的与所述对应的线圈(17)的所述绕组相关联的磁通量的第一变化，从而在所述对应的线圈(17)上感应出各自的第一电压。
3.根据权利要求1或2所述的装置，其中，所述机械设备还配置为，在车辆在所述装置(I)上经过后，将每个磁元件(16)从所述对应的线圈(17)的所述空洞抽出，以便产生各自的与所述对应的线圈(17)的所述绕组相关联的所述磁通量的第二变化，从而在所述对应的线圈(17)上感应出各自的第三电压。
4.根据权利要求3所述的装置，其中，对于每个线圈(17)，所述各自的第三感应电压与所述各自的第一感应电压相反。
5.根据权利要求3或4所述的装置，其中，所述机械设备包括 下结构，包括所述压电设备(14)，所述下结构意欲被固定在所述路面上，并且每个磁元件(16)被固定到所述下结构； 上结构，意欲用于车辆在其上经过，并且每个线圈(17)被固定到所述上结构；以及 弹性设备(15)，被插在所述上结构和所述下结构之间，并且配置为， -当车辆在所述上结构上经过时，允许所述上结构在所述车辆施加的力的作用下接近所述下结构，使得每个磁元件(16)被插入所述对应的线圈(17)的所述空洞中， -当车辆在所述上结构上经过时，将作用于所述上结构上的所述车辆的重力的至少一部分传送在所述下结构上，使得所述压电设备(14)变形， -在车辆已经在所述上结构上经过后，移动所述上结构远离所述下结构，使得每个磁元件(16)从所述对应的线圈(17)的所述空洞中抽出，并且 -当没有车辆在所述上结构上经过时，将所述上结构保持在距离所述下结构的给定距离处，所述给定距离使得没有磁元件(16)被导致插入在所述对应的线圈(17)的所述空洞中。
6.根据权利要求5所述的装置，其中，所述压电设备由压电材料层(14)组成； 其中，所述上结构具有意欲用于车辆在其上经过的上表面(Ila)和每个线圈(17)被固定到其上的下表面(lib); 其中，所述下结构包括下平台(13)，所述下平台(13)具有面向所述上结构的所述下表面(IIb)的上表面(13a)和由所述压电材料层(14)覆盖的下表面(13b)，所述下结构意欲被固定在所述路面上，使得所述压电材料层(14)被包括在所述下平台(13)和所述路面之间； 并且，其中，所述弹性设备(15)被插入在所述上结构的所述下表面(Ilb)和所述下平台(13)的所述上表面(13a)之间。
7.根据权利要求6所述的装置，其中，每个磁元件(16)被固定在所述下结构(13)的所述上表面(13a)上的各自的第一位置中； 并且，其中每个线圈(17)被固定在所述上平台(11)的所述下表面(Ilb)上的各自的第二位置中，使得当所述上结构在由所述车辆施加的所述力的作用下接近所述下结构时，固定在所述下结构(13)的所述上表面(13a)上的各自的第一位置中的对应的磁元件(16)被插入到所述线圈(17)的所述空洞中。
8.根据权利要求6或7所述的装置，其中，所述下平台(13)由碳纤维制成。
9.根据权利要求5-8任一项所述的装置，其中所述上结构包括通过滑动系统(12)相互耦合的两个上平台(11)。
10.根据权利要求9所述的装置，其中，每个上平台(11)由碳纤维制成。
11.根据权利要求5-10任一项所述的装置，其中，所述弹性设备(15)包括至少一个阻尼器或弹簧。
12.根据权利要求3-11任一项所述的装置，进一步包括具有平滑电容器的双半波整流器电子系统，所述双半波整流器电子系统配置为 -获取每个线圈(17)上感应的所述各自的第一电压； -获取和整流每个线圈(17)上感应的所述各自的第三电压； -获取由所述压电设备(14)产生的所述第二电压； -提供通过将获取的每个第一电压、获取和整流的每个第三电压和获取的所述第二电压相加获得的输出电压。
13.根据权利要求12所述的装置，进一步包括所述耦合到具有平滑电容器的双半波整流器电子系统的累加器；所述累加器配置为 -从所述具有平滑电容器的双半波整流器电子系统获取所述输出电压；并且 -存储所述获取的输出电压。
14.根据前述权利要求任一项所述的装置，其中，每个线圈(17)的所述绕组由铜制成。
15.根据前述权利要求任一项所述的装置，其中，每个磁元件(16)是永磁体。
全文摘要
本发明涉及一种预定要放置在路面上的、用于从车辆经过回收能量的装置。所述装置包括磁元件(16)，产生磁场；线圈(17)，包括金属绕组，所述金属绕组限定配置为容纳所述磁元件(16)的空洞；压电设备(14)；以及，机械设备，其配置为当车辆在所述装置上经过时，它们将所述磁元件(16)插入在所述线圈(17)的所述空洞中，以便产生与所述线圈(17)的所述绕组相关联的磁通量的第一变化，从而在所述线圈(17)上感应第一电压。所述机械设备还配置为使得当车辆在所述装置上经过时，它们将所述车辆的重力至少部分地传送到所述压电设备(14)上，以便压电设备变形。所述压电设备(14)配置为当其变形时产生至少一个第二电压。
文档编号F03G7/08GK103003568SQ201180023878
公开日2013年3月27日 申请日期2011年5月13日 优先权日2010年5月13日
发明者亚历山德罗·塞尔维尼, 弗朗西斯科·里根蒂·福吉内, 丹尼尔·埃尔特蒙特 申请人:罗马第三大学