一种轨道振动能量的储能装置的制作方法

1.本实用新型属于机电技术领域，其涉及铁路轨道振动能量存储的一种机电一体化产品，可用于铁路和城市轨道交通领域轨道振动能量的存储、运输、转化,特别是关于一种轨道振动能量的储能装置。


背景技术：

2.目前，国内的新能源发电技术主要是利用包括太阳能、生物质能、风能、地热能、波浪能、洋流能和潮汐能等再生能源，通过现有的技术实现发电的过程。然而，对于轨道交通这样即有山地、平原、高原、河流、湖海地理环境，又有隧道、桥梁、地下特殊等工程环境，空间狭长环境复杂导致很难找到适应各种环境的新能源发电方法，唯一共同的特点是列车车辆行驶过经过的轨道产生巨大的振动能量，可利用价值较高。但是列车车辆行驶时间短、能量大，加之铁路轨道涉及人身安全因素，轨道周围空间狭小等，轨道振动能量的收集、存储和转换利用相对困难。如果在有限的空间内将轨道振动能量由一种形式转换为另一种形式并存储以备释放利用，这会很大的改变我们对可再生能源的看法，积极采取一切手段加以利用。
3.空气作为我们周围常见的介质，其占有一定的空间，但没有固定的形状和体积。在对密闭的容器中的空气施加压力时，空气的体积就被压缩，使内部压强增大。当外力撤消时，空气在内部压强的作用下，又会恢复到原来的体积。如果在容器中有一个可以活动的物体，当空气恢复原来的体积时，该物体将被容器内空气的压力向外推弹出来。这一原理被广泛应用在生产、生活中。压缩空气是仅次于电力的第二大动力能源，又是具有多种用途的工艺气源，其应用范围遍及石油、化工、冶金、电力、机械、轻工、纺织、汽车制造、电子、食品、医药、生化、国防、科研等行业和部门。铁路道床无论是有砟道床还是无砟道床，其轨道底部到道床的空间都是相对较小的，基本无法安装设备。


技术实现要素：

4.本实用新型的目的针对上述已有技术的不足，提出一种结构简单，无污染；能减小占地，提高能量收集效率的轨道振动能量的储能装置。
5.本实用新型的目的是这样实现的，涉及一种轨道振动能量的储能装置，其特征是：包括监控器、控制器、空气压缩单元、压缩空气存储单元、气动发电装置、电池组、振动感知单元，监控器通过网络与控制器连接，进行控制器的工作监控；振动感知单元通过网络与控制器连接进行触发控制器指令的输出；空气压缩单元与压缩空气存储单元通过气管连接；控制器分别通过线缆与压缩空气存储单元中的储气罐和电池组连接，一方面控制压缩空气存储单元储气或者放气；另一方面控制电池组充电或者放电；压缩空气存储单元通过气管与气动发电装置连接，进行压缩空气的输送；气动发电装置通过线缆与电池组连接，实现轨道振动能量的储能，其具体步骤包括：
6.第一步，当列车临近压缩空气存储单元的阵列区域，轨道振动达到振动感知单元
的触发值，振动感知单元触发控制器开启储气模式和充电模式；
7.第二步，控制器查询压缩空气存储单元的储气罐和电池组的编号、状态及电量，通过储气罐的压力和电池组的电量判断是否需要储气和充电：
8.第三步，列车经过轨道振动能量存储系统时，空气压缩单元空气压缩单元利用轨道垂向振动位移推动气缸活塞压缩空气，并不断向储气罐输送，储气罐储气；
9.第四步，控制器控制压缩空气存储单元的储气罐排气溢流阀打开；
10.第五步，控制器关闭压缩空气存储单元的储气罐排气溢流阀；
11.第六步，当列车远离发压缩空气存储单元阵列区域，轨道振动低于振动触发器的触发值；
12.第七步，当压缩空气存储单元的气体压力到达上限，即储气罐充满气体时，控制器向监控器提示转运储气罐或者转运压缩空气；
13.第八步，监控人员通过监控器指示控制器关闭压缩空气存储单元的储气罐进出口阀门，等待人员维护；
14.第九步，当电池组的电量饱和或到达上限时，控制器向监控器提示电池转运或者向周边指定电网供电；
15.第十步，监控人员通过监控器指示控制器关闭电池组进出口通道，维护人员到现场将满电力的电池组取出，跟换带充电的电池组。
16.所述的空气压缩单元包括：轨道、缓冲装置、连接杆、活塞杆转动轴、连接杆转动轴、活塞杆、连接杆支架、气缸壁、复位弹簧、气缸活塞、气缸排气阀、气缸进气阀、气缸座、气缸座转动轴、气缸进气单向阀、气缸排气单向阀；轨道通过缓冲装置与连接杆接触连接；连接杆通过活塞杆转动轴和连接杆转动轴分别与活塞杆和连接杆支架连接；活塞杆与气缸活塞固定连接；气缸活塞与气缸壁滑动接触连接；气缸活塞与复位弹簧固定连接；气缸排气阀和气缸进气阀分别与气缸壁的底部固定连接；气缸座转动轴与气缸壁底部固定连接，与气缸座转动连接；气缸进气单向阀与气缸进气阀通过气管固定连接；气缸排气阀通过气管依次与气缸排气单向阀和压缩空气存储单元的储气罐进气阀固定连接。
17.所述的压缩空气存储单元包括：储气罐进气阀、储气罐、储气罐底座、储气罐排气溢流阀、储气罐排气单向阀；储气罐进气阀与储气罐固定连接；储气罐分别与储气罐底座和储气罐排气溢流阀固定连接；储气罐排气溢流阀通过气管依次连接储气罐排气单向阀和气动发电装置。
18.所述的气动发电装置包括：涡轮a、涡轮b、涡轮c、涡轮d，涡轮a进气孔通过气道与涡轮a排气孔连接；涡轮b进气孔通过气道与涡轮b排气孔连接；涡轮c进气孔通过气道分别与涡轮c排气孔和涡轮c进气道连接；涡轮d进气孔通过气道分别与涡轮d排气孔和涡轮d进气道固定连接；涡轮a、涡轮b、涡轮c、涡轮d与涡轮轴固定连接；气动发电装置转子通过两端气动发电装置轴承与涡轮轴固定连接；气动发电装置定子与电机外壳固定连接。
19.本实用新型的轨道振动能量存储系统原理是：
20.储气时，空气压缩单元利用轨道垂向振动位移推动气缸活塞压缩空气，并不断向储气罐输送的方法将轨道机械能量转化成压缩空气进行储存。
21.储电时，储气罐对气动发电机释放压缩空气，利用压缩空气推动涡轮气动发电装置转子旋转，将机械能再转化为电能输出，最后通过电池组进行充电储能。
22.本实用新型具有如下优点：
23.1）结构简单，无污染，通过空气压缩单元将轨道垂向振动位移利用，并推动气缸活塞压缩空气，使得振动能量以机械能的形式保存、转移。
24.2）气动发电装置即可以利用列车经过时的气流进行发电，又可以利用压缩空气存储单元的压缩空气进行发电，也可以同时作用进行发电，发电利用的空气形式多样。
25.3）压缩空气存储单元的储气罐拆卸方便，可以满足罐体本身的拆卸运输及异地释放取能，同时电池组拆卸方便接口通用，可满足电池的运输和异地放电使用。
26.4）压缩空气存储单元的储气罐采用标准通用接口，可以满足现场灌装标准储气罐，再进行运输异地释放取能。
27.5）采用轨道两旁枕木间依次排列多个空气压缩单元形式形成的阵列可以提高能量收集覆盖轨道的密集度，有利于减小占地，提高能量收集效率。
28.下面结合实施例附图对本实用新型做进一步说明。
附图说明
29.图1为本实用新型轨道振动能量存储系统组成示意图；
30.图2为本实用新型轨轨道振动能量存储单元阵列示意图；
31.图3为本实用新型轨道振动能量存储系统控制原理示意图；
32.图4为本实用新型轨道振动能量存储系统结构示意图；
33.图5为本实用新型气动发电装置示意图；
34.图6为本实用新型轨道振动的发电系统工作流程示意图。
35.图中：1、监控器；2、控制器；3、压缩空气存储单元阵列；31、空气压缩单元；310、轨道；311、缓冲装置；312、连接杆；313、活塞杆转动轴；314、连接杆转动轴；315、活塞杆；316、连接杆支架；317、气缸壁；318、复位弹簧；319、气缸活塞；320、气缸排气阀；321、气缸进气阀；322、气缸座；323、气缸座转动轴；324、气缸进气单向阀；325、气缸排气单向阀；4、压缩空气存储单元；41、储气罐进气阀；42、储气罐；43、储气罐底座；44、储气罐排气溢流阀；45、储气罐排气单向阀；5、气动发电装置；51、涡轮a进气孔；52、涡轮b进气孔53、涡轮a排气孔；54、涡轮b排气孔；55、涡轮c进气孔；56、涡轮c排气孔； 57、涡轮d进气孔；58、涡轮d排气孔；59、涡轮c进气道；510、涡轮d进气道； 511、涡轮a； 512、涡轮b； 513、涡轮c； 514、涡轮d；515、涡轮轴；516、气动发电装置轴承；517、气动发电装置转子；518、气动发电装置定子；519、电机外壳；6、电池组；7、振动感知单元。
具体实施方式
36.为进一步阐述本实用新型达成预定目的所采取的技术手段及方法，以下结合附图及实施例对本实用新型的具体实施方式、结构特征及其方法，详细说明如下。
37.参照图1~图5，本实用新型涉及一种轨道振动能量的储能装置，
38.其特征是：包括监控器1、控制器2、空气压缩单元31、压缩空气存储单元4、气动发电装置5、电池组6、振动感知单元7，监控器1通过网络与控制器2连接进行控制器2的工作监控；振动感知单元7通过网络与控制器2连接进行触发控制器2指令的输出；空气压缩单元31与压缩空气存储单元4通过气管连接；控制器2分别通过线缆与压缩空气存储单元4中的储
气罐和电池组6连接，一方面控制压缩空气存储单元4储气或者放气；另一方面控制电池组6充电或者放电；压缩空气存储单元4通过气管与气动发电装置5连接，进行压缩空气的输送；气动发电装置5通过线缆与电池组6连接。
39.本实用新型的轨道振动能量存储单元阵列原理如图2所示：
40.轨道振动能量存储单元阵列是由轨道道旁依次排列的多个压缩空气存储单元4和气动发电机组成，其数量可根据实际供电需求进行组合。
41.当列车通过时，轨道振动通过空气压缩单元将机械能转换为压缩空气进行存储，多个空气压缩单元31以阵列的形式沿轨道排列有利于能量的转化和汇聚能够快速充满储气罐42提高储存效率，同时也易于维护和管理。
42.空气压缩单元31包括：轨道310、缓冲装置311、连接杆312、活塞杆转动轴313、连接杆转动轴314、活塞杆315、连接杆支架316、气缸壁317、复位弹簧318、气缸活塞319、气缸排气阀320、气缸进气阀321、气缸座322、气缸座转动轴323、气缸进气单向阀324、气缸排气单向阀325；轨道310通过缓冲装置311与连接杆312接触连接；连接杆312通过活塞杆转动轴313和连接杆转动轴314分别与活塞杆315和连接杆支架316连接；活塞杆315与气缸活塞319固定连接；气缸活塞319与气缸壁317滑动接触连接；气缸活塞319与复位弹簧318固定连接；气缸排气阀320和气缸进气阀321分别与气缸壁317的底部固定连接；气缸座转动轴323与气缸壁317底部固定连接，与气缸座322转动连接；气缸进气单向阀324与气缸进气阀321通过气管固定连接；气缸排气阀320通过气管依次与气缸排气单向阀325和压缩空气存储单元4的储气罐进气阀41固定连接。
43.压缩空气存储单元4包括：储气罐进气阀41、储气罐42、储气罐底座43、储气罐排气溢流阀44、储气罐排气单向阀45；储气罐进气阀41与储气罐42固定连接；储气罐42分别与储气罐底座43和储气罐排气溢流阀44固定连接；储气罐排气溢流阀44通过气管依次连接储气罐排气单向阀45和气动发电装置5。
44.如图5所示，气动发电装置5包括：涡轮a、涡轮b、涡轮c、涡轮d，涡轮a进气孔51通过气道与涡轮a排气孔53连接；涡轮b进气孔52通过气道与涡轮b排气孔54连接；涡轮c进气孔55通过气道分别与涡轮c排气孔56和涡轮c进气道59连接；涡轮d进气孔57通过气道分别与涡轮d排气孔58和涡轮d进气道510固定连接；涡轮a511、涡轮b512、涡轮c513、涡轮d514与涡轮轴515固定连接；气动发电装置转子517通过两端气动发电装置轴承516与涡轮轴515固定连接；气动发电装置定子518与电机外壳519固定连接。
45.本实用新型轨道振动能量存储系统控制原理如图3所示：
46.当列车经过轨道振动能量存储系统前，振动感知单元7通过振动加速度触发指令通知控制器2列车临近及行驶方向的信息，控制器2根据空气压缩单元31的空气压力控制储气罐进气阀41打开或关闭来控制其是否储气，并将控制信息传递给监控器1进行监控。
47.列车经过轨道振动能量存储系统时，空气压缩单元31利用轨道310垂向振动位移推动气缸活塞319压缩空气，并不断向储气罐42输送，储气罐42储气；控制器2控制电池组6充电开关打开或关闭来控制电池组6是否充电，列车经过时引起的空气对流通过进气道流向涡轮腔内推动涡轮旋转，并从排气口流出，气动发电机向电池组6充电。
48.列车离开轨道振动能量存储系统时，控制器2控制压缩空气存储单元4的排气阀是否释放压缩空气进行发电以及电池组6是否充电；当压缩空气存储单元4充满气体时，压缩
空气存储单元4的储气罐42等待取出更换空的储气罐42。
49.当控制器2数据异常时，监控器1通过人为方式停止控制器2，空气压缩单元31输送的多余的气体会通过压缩空气存储单元4的溢流阀溢出。
50.参照图4所示，振动能量存储原理：当列车临近压缩空气存储单元阵列3区域，轨道振动达到振动感知单元7的触发值后，触发器触发控制器2打开储气模式和充电模式；列车经过压缩空气存储单元阵列3区域时，两枕木之间的轨道310底部垂向振动产生较大位移，轨道310振动时引起缓冲装置311发生振动并产生垂向振动和位移，缓冲装置311内部装有大刚度弹簧，弹簧振动响应时会过滤部分的高频振动，其中低频共振时能量利用率最高；当轨道310向下运动时，缓冲装置311垂向位移带动与它固定连接的连接杆312以连接杆支架316为支撑，以连接杆转动轴314为中心进行逆时针旋转；连接杆312旋转后带动与其旋转连接的活塞杆315围绕活塞杆转动轴313转动，活塞杆315带动气缸活塞319沿气缸壁317导向向下滑动压缩空气；压缩空气通过气缸排气阀320、气缸排气单向阀325储气罐进气阀41进入压缩空气存储单元4内储存，当压缩空气压力达到存储上限时空气压缩单元输送的多余的气体会通过压缩空气存储单元4的溢流阀溢出；当轨道310向上运动时，复位弹簧318牵引气缸活塞319沿气缸壁317导向向上滑动，空气从气缸进气单向阀324经过气缸进气阀321流入气缸下腔，同时引起缸活塞319利用活塞杆315推动连接杆312以连接杆支架316为支撑，以连接杆转动轴314为中心进行顺时针旋转，将缓冲装置311压紧在轨道310的底部。
51.如图5所示，气动发电装置5的原理：压缩空气存储单元4通过气管将压缩空气从储气罐排气溢流阀44排出，压缩空气经过储气罐排气单向阀45流入气动发电装置5的涡轮a进气孔51和涡轮b进气孔52，同时压缩空气推动涡轮a511、涡轮b512同向旋转，涡轮a511、涡轮b512带动涡轮轴515旋转，压缩空气推动涡轮a511、涡轮b512做功后能量得到释放，顺着流道分别从涡轮a排气孔53、涡轮b排气孔54排出气动发电机5；涡轮轴515中间段在两个气动发电装置轴承516的限位和支撑下，电机转子517与涡轮轴515一起在电机定子518腔体内旋转，气动发电装置5发电向外部输出；当列车经过轨道310时会引起周围的空气快速沿运行方向流动，快速流动的空气会被气动发电装置5的涡轮c进气道59或涡轮d进气道510捕捉（涡轮c进气道59和涡轮d进气道510安装结构为一个面对列车运行方向一个背对列车运行方向），进入涡轮c513或涡轮d514的腔体内，推动涡轮c513或涡轮d514旋转增压，辅助涡轮a511和涡轮b512发电或者自行发电向外输出。
52.列车离开压缩空气存储单元3阵列区域时，控制器2控制压缩空气存储单元3的储气罐排气溢流阀44打开释放压缩空气进入气动发电装置5进行发电，同时控制器2控制电池组6打开充电模式；列车离开压缩空气存储单元阵列3区域时，控制器2控制压缩空气存储单元3的储气罐排气溢流阀44关闭压缩空气无法进入气动发电装置5进行发电，同时控制器2控制电池组6关闭充电模式。
53.当压缩空气存储单元4气体压力到达上限，即储气罐42充满气体时，压缩空气存储单元4的储气罐42等待取出更换空的储气罐42，也可现场通过对接储气罐排气溢流阀44将压缩气体转移至标准储气罐42再进行运输。
54.当电池组6电量饱和或到达上限时，控制器2向监控器1提示电池转运或者向周边指定电网供电，监控人员通过监控器1指示控制器2关闭电池组6充放电通道，维护人员到现场将满电力的电池组6取出，跟换新的空电池组6进行充电。
55.当控制器2数据异常时，监控器1通过人为方式停止控制器2，此时空气压缩单元3输送的多余的气体会通过压缩空气存储单元3的储气罐排气溢流阀44溢出。
56.参照图3和图6，本实用新型涉及一种轨道振动能量的储能装置，包括监控器1、控制器2、空气压缩单元31、压缩空气存储单元4、气动发电装置5、电池组6、振动感知单元7，监控器1通过网络与控制器2连接，进行控制器2的工作监控；振动感知单元7通过网络与控制器2连接进行触发控制器2指令的输出；空气压缩单元31与压缩空气存储单元4通过气管连接；控制器2分别通过线缆与压缩空气存储单元4中的储气罐和电池组6连接，一方面控制压缩空气存储单元4储气或者放气；另一方面控制电池组6充电或者放电；压缩空气存储单元4通过气管与气动发电装置5连接，进行压缩空气的输送；气动发电装置5通过线缆与电池组6连接，实现轨道振动能量的储能，其具体步骤包括：
57.第一步，当列车临近压缩空气存储单元阵列3的区域，轨道振动达到振动感知单元7的触发值，振动感知单元7触发控制器2开启储气模式和充电模式；
58.第二步，控制器2查询压缩空气存储单元4的储气罐42和电池组6的编号、状态及电量，通过储气罐42的压力和电池组6的电量判断是否需要储气和充电：
59.（2a）当控制器2判断储气罐42和电池组6的状态异常或不需要储气和充电时，控制器2关闭该编号储气罐42的进气阀321和该电池组6充电通道；
60.（2b）当控制器2判断储气罐42和电池组6的状态正常且需要储气和充电时，控制器2根据储气罐42的气压和电池组6饱和程度选择开启进气阀321和充电通道；
61.（2c）当控制器2判储气罐42和电池组6的状态均正常，且不需要储气，需要充电时，控制器2根据电池组6的饱和程度选择开启相关的压缩空气存储单元4的储气罐42排气溢流阀向气动发电装置5释放压缩空气发电，同时打开该编号电池组6充电通道；
62.（2d）当控制器2只能判断储气罐42正常，且需要储气，不需要充电时，控制器2根据储气罐42气压开启进气阀，关闭充电通道；
63.（2e）当控制器2只能判电池组6的状态正常，且不需要储气，需要充电时，控制器2根据电池组6的饱和程度选择开启充电通道，关闭进气阀；
64.第三步，列车经过轨道振动能量存储系统时，空气压缩单元31利用轨道垂向振动位移推动气缸活塞319压缩空气，并不断向储气罐42输送，储气罐42储气；
65.（3a）当压缩空气存储单元4的储气罐42压力到达上限时，控制器2打开储气罐排气溢流阀44；
66.（3b）控制器2无指令或异常，储气罐排气溢流阀44自动溢出压缩空气，泄压；
67.第四步，控制器2控制压缩空气存储单元4的储气罐排气溢流阀44打开；
68.（4a）向对应的气动发电装置5释放压缩气体，气动发电装置5工作并向控制器2指定编号的电池组6供电；
69.（4b）在列车经过时引起的剧烈的气流通过气动发电装置5的进气道流向涡轮腔内推动涡轮旋转，并从涡轮腔的排气口流出，气动发电装置5工作并向电池组6供电；
70.第五步，控制器2关闭压缩空气存储单元4的储气罐排气溢流阀44；
71.（5a）列车经过时引起的剧烈的气流通过气动发电装置5的进气道流向涡轮腔内推动涡轮旋转，并从涡轮腔的排气口流出，气动发电装置5工作并向控制器2指定编号的电池组6供电；
72.（5b）列车经过时引起的剧烈的气流通过气动发电装置5的进气道流向涡轮腔内推动涡轮旋转，并从涡轮腔的排气口流出，气动发电装置5空转，不向电池组6供电；
73.第六步，当列车远离发压缩空气存储单元阵列3区域，轨道310振动低于振动触发器的触发值；
74.（6a）控制器2关闭压缩空气存储单元4储气模式和电池组6的充电模式；
75.（6b）控制器2关闭压缩空气存储单元4储气模式，保持电池组6的充电模式，执行第4a步；
76.第七步，当压缩空气存储单元4的气体压力到达上限，即储气罐42充满气体时，控制器2向监控器1提示转运储气罐42或者转运压缩空气；
77.第八步，监控人员通过监控器1指示控制器2关闭压缩空气存储单元4的储气罐42进出口阀门，等待人员维护；
78.（8a）维护人员到现场将满压力的压缩空气存储单元4储气罐42取下，跟换新的空储气罐42；
79.（8b）维护人员到现场将标准储气罐42进口对接储气罐排气溢流阀44，将压缩气体转移至标准储气罐42再进行运输。
80.第九步，当电池组6的电量饱和或到达上限时，控制器2向监控器1提示电池转运或者向周边指定电网供电；
81.第十步，监控人员通过监控器1指示控制器2关闭电池组6进出口通道，维护人员到现场将满电力电池组6取出，跟换新的空电池组6。
82.本实用新型一方面通过空气压缩单元31将轨道310振动能量转换为压缩空气的内能进行存储，当储气罐42到达一定压力后可将其拆卸运输异地释放利用；另方面储气罐42可以对气动发电机释放压缩空气的内能，使得压缩空气推动涡轮气动发电装置转子517旋转，将压缩空气的内能转换为旋转机械能再转化为电能输出，最后通过电池组6进行充电储能。它结构简单、环境适应性强、具有安全环保的特点。
83.以上内容是结合具体的优选实施方式对本实用新型所作的进一步详细说明，不能认定本实用新型的具体实施只局限于这些说明。对于本实用新型所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本实用新型的保护范围。