路面的机械能回收装置及其工作方法与流程

本发明属于路面机械能回收装置的技术领域，具体涉及一种路面的机械能回收装置及其工作方法。

背景技术：

随着我国汽车保有量的迅速发展，我国已成为汽车保有量达2.5亿辆的汽车大国，同时随着我国公路建设的迅猛发展，截止2015年全国公路网总里程达到400多万公里，因此各种交通工具引起的路面振动和变形越来越多，因此，路面有可广泛可以转换的机械能，研究路面机械能的回收不仅可以获取较为清洁的能源，还可以在一定程度上减少路面的变形和振动进而起到保护路面的作用，因此近些年来对路面机械能的回收的研究是一个活跃的研究方向。研究路面机械能的回收的能量主要用于道路交通标志牌、警示牌、路灯供电，是一种节能环保的清洁能源；目前对路面机械能回收的装置主要是利用压电材料来实现机械能与电能相互转换，核心机构为压电换能机构，传统的压电换能结构常采用单悬臂梁结构，这种结构形式简单，在低频作用下能产生较大的能量，但是很难运用于路面高压应力的环境中。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种路面机械能回收装置及其工作方法，以解决如何提高机械能回收效率的技术问题。

为了解决上述技术问题，本发明提供了一种路面机械能回收装置，包括：呈环状分布的若干压电传感器组，各压电传感器组输出端分别通过相应开关与一储能装置相连；位于压电传感器组输出端还连接有一控制电路；所述控制电路适于根据压电传感器组的输出电压控制开关导通或截止，以实现储能装置相应充电接口的接通或关闭。

进一步，所述储能装置的各充电接口的前端均连接有一同步电荷降压式变换电路；所述控制电路适于通过控制同步电荷降压式变换电路导通或截止，以实现相应充电接口的接通或关闭。

进一步，所述同步电荷降压式变换电路包括：用于连接压电传感器组输出端的整流电路，与该整流电路相连的第一储能电路，第一储能电路通过一开关管与第二储能电路相连，且通过第二储能电路对储能装置充电；其中将开关管作为所述开关，进行充电接口的接通或关闭控制；以及所述控制电路的输入端适于与第一储能电路端相连，以判断压电传感器组是否输出电压。

进一步，所述第一、第二储能电路的电路结构相同且均为LC振荡电路。

进一步，所述压电传感器组包括电动升降支架，该电动升降支架适于分层放置若干压电传感器，且初始状态时，各压电传感器之间留有间隙；当压电传感器组工作时，所述控制电路中的处理器模块适于控制电动升降支架下降，使相邻压电传感器彼此接触，以与压电传感器组所获得的机械能相匹配，由若干压电传感器共同将机械能转换为电能。

又一方面，本发明还提供了一种路面机械能回收装置的工作方法。

其中所述路面机械能回收装置，包括：

呈环状分布的若干压电传感器组，各压电传感器组输出端分别通过相应开关与一储能装置相连；位于压电传感器组输出端还连接有一控制电路；

所述工作方法包括：

所述控制电路适于根据压电传感器组的输出电压控制开关导通或截止，以实现储能装置相应充电接口的接通或关闭。

进一步，所述储能装置的各充电接口的前端均连接有一同步电荷降压式变换电路；所述控制电路适于通过控制同步电荷降压式变换电路导通或截止，以实现相应充电接口的接通或关闭。

进一步，所述控制电路适于通过控制同步电荷降压式变换电路导通或截止，以实现相应充电接口的接通或关闭的方法包括：

若压电传感器组有输出电压，则控制同步电荷降压式变换电路导通，即对储能装置充电；

若压电传感器组未输出电压，则控制同步电荷降压式变换电路截止，即关闭充电接口。

进一步，所述压电传感器组包括电动升降支架，该电动升降支架适于分层放置若干压电传感器，且初始状态时，各压电传感器之间留有间隙；

当压电传感器组工作时，所述控制电路中的处理器模块适于控制电动升降支架下降，使相邻压电传感器彼此接触，即

压电传感器组中参与机械能与电能转换的压电传感器的数量与压电传感器组所获得的机械能相匹配。

进一步，压电传感器组中参与机械能与电能转换的压电传感器的数量与压电传感器组所获得的机械能相匹配的方法包括：

当上层一个或多个压电传感器的输出电压超过一个或多个压电传感器的最大额定输出电压时，所述处理器模块控制电动升降装置下移，使下层的压电传感器分担上层一个或多个压电传感器所受机械能，即共同将机械能转换为电能输出。

本发明的有益效果是，本发明的路面机械能回收装置及其工作方法，通过环状分布的若干压电传感器组，可以增大压电换能器单位面积范围内的工作数目，使同一车辆经过同一单位面积路面的时候能采集更多的机械能，提高了能量转换利用率。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

图1是本路面机械能回收装置的结构示意图；

图2是本路面机械能回收装置的控制原理图；

图3是本同步电荷降压式变换电路的电路原理图；

图4是本发明的压电传感器组与电动升降支架的结构示意图；

图5是本发明的钹型压电换能器的结构示意图。

图中：压电传感器组 L1-L12、压电传感器 L11-L14、控制电路 S1-S12、电动升降支架 1。

具体实施方式

现在结合附图对本发明作进一步详细的说明。这些附图均为简化的示意图，仅以示意方式说明本发明的基本结构，因此其仅显示与本发明有关的构成。

实施例1

如图1至图4所示，本实施例1提供了一种路面机械能回收装置，包括：呈环状分布的若干压电传感器组，各压电传感器组输出端分别通过相应开关与一储能装置相连；位于压电传感器组输出端还连接有一控制电路；所述控制电路适于根据压电传感器组的输出电压控制开关导通或截止，以实现储能装置相应充电接口的接通或关闭。

其中，环状分布例如但不限于采用圆形分布、或矩形分布方式。图1中L1-L12分别表示相应压电传感器组，S1-S12分别表示相应控制电路，H表示储能装置。当压电传感器组中的相应压电换能器受到外力作用则开始工作产生电能，在同一时刻较先产生电流的压电换能器对应的控制电路导通储能装置对应的充电接口；若压电换能器不受外力，则通过相应控制电路关闭对应的充电接口，避免该充电接口产生放电现象。

为了延长充电时间进而提高换能器的能量转换效率，所述储能装置的各充电接口的前端均连接有一同步电荷降压式变换电路；所述控制电路适于通过控制同步电荷降压式变换电路导通或截止，以实现相应充电接口的接通或关闭。

作为同步电荷降压式变换电路的一种可选的实施方式，所述同步电荷降压式变换电路包括：用于连接压电传感器组输出端的整流电路，与该整流电路相连的第一储能电路，第一储能电路通过一开关管与第二储能电路相连，且通过第二储能电路对储能装置充电；其中将开关管作为所述开关，进行充电接口的接通或关闭控制；以及所述控制电路的输入端适于与第一储能电路端相连，以判断压电传感器组是否输出电压。

优选的，所述第一、第二储能电路的电路结构相同且均为LC振荡电路，通过LC振荡电路原理可以延长充电时间进而提高换能器的能量转换效率。

具体的，通过路面的振动和机械变形，压电换能器释放电能，电能通过整流电路进入相应器件，其中，电感L1、储能电路C1首先进行充电，待开关管T导通后再给电感L2、储能电路C2进行充电，若此后压电换能器未因路面振动或机械变形等产生电能，在第一储能电路将对第二储能电路进行补偿充电，以及电感L1和电感L2中的电荷再继续给储能电路C1和储能电路C2进行充电，因此通过改进的同步电荷降压式变换电路可以使得提取电路的输出功率不受负载影响。

所述压电传感器组包括电动升降支架，该电动升降支架适于分层放置若干压电传感器，且初始状态时，各压电传感器之间留有间隙；当压电传感器组工作时，所述控制电路中的处理器模块适于控制电动升降支架下降，使相邻压电传感器彼此接触，以与压电传感器组所获得的机械能相匹配，由若干压电传感器共同将机械能转换为电能。其中，所述初始状态是指电动支架升起的时候，即使各压电传感器之间留有间隙，仅顶层的压电传感器获得地面的机械能。

作为电动升降支架一种可选的实施方式，所述电动升降支架包括：两块对称放置的侧支架，侧支架由若干节支杆按下往上逐一嵌套而成，且适于逐节收缩，各节支杆均适于通过独立的丝杆机构驱动，且丝杆机构由所述处理器模块控制。

所述处理器模块例如但不限于采用STC系列单片机，可以通过相应AD模块将采集的电压值转换为数字量输入至处理器模块，所述处理器模块的若干输出端均可以通过相应的丝杆电机驱动模块控制丝杆电机转动，进而调节各节支杆的高度，进一步，两侧支架中各节支杆同步伸缩。

所述电动升降支架还可以采用已知的现有技术的来实现。

各节支杆之间两两对称设有若干对凸块，各压电传感器分别放置于相应一对凸块上，并且各凸块的厚度均小于各压电传感器中压电换能器的内腔高度，以使相应节支杆收缩时，相邻压电传感器能够彼此接触。

实施例2

在实施例1基础上，本实施例2提供了一种路面机械能回收装置的工作方法，所述路面机械能回收装置，包括：呈环状分布的若干压电传感器组，各压电传感器组输出端分别通过相应开关与一储能装置相连；位于压电传感器组输出端还连接有一控制电路。

所述工作方法包括：所述控制电路适于根据压电传感器组的输出电压控制开关导通或截止，以实现储能装置相应充电接口的接通或关闭。

为了延长充电时间进而提高换能器的能量转换效率，所述储能装置的各充电接口的前端均连接有一同步电荷降压式变换电路；所述控制电路适于通过控制同步电荷降压式变换电路导通或截止，以实现相应充电接口的接通或关闭。

关于所述同步电荷降压式变换电路的具体电路和工作方式、技术效果参见实施例1的相关论述。

所述控制电路适于通过控制同步电荷降压式变换电路导通或截止，以实现相应充电接口的接通或关闭的方法包括：若压电传感器组有输出电压，则控制同步电荷降压式变换电路导通，即对储能装置充电；若压电传感器组未输出电压，则控制同步电荷降压式变换电路截止，即关闭充电接口。

所述压电传感器组包括电动升降支架，该电动升降支架适于分层放置若干压电传感器，且初始状态时，各压电传感器之间留有间隙；当压电传感器组工作时，所述控制电路中的处理器模块适于控制电动升降支架下降，使相邻压电传感器彼此接触，即压电传感器组中参与机械能与电能转换的压电传感器的数量与压电传感器组所获得的机械能相匹配。

压电传感器组中参与机械能与电能转换的压电传感器的数量与压电传感器组所获得的机械能相匹配的方法包括：

当上层一个或多个压电传感器的输出电压超过一个或多个压电传感器的最大额定输出电压时，所述处理器模块控制电动升降装置下移，使下层的压电传感器分担上层一个或多个压电传感器所受机械能，即共同将机械能转换为电能输出。

具体的，首先，仅压电传感器组最上层的压电传感器工作，且所述处理器模块监控该压电传感器的输出电压；同时判断该压电传感器的输出电压是否大于或等于本压电传感器的最大额定输出电压；若大于或等于，则所述处理器模块控制电动升降装置下移，使上层压电传感器与其下层压电传感器接触，共同将机械能转换为电能输出；若此时两压电传感器的共同输出电压还大于或等于两压电传感器的最大额定输出电压之和时，所述处理器模块控制电动升降装置再次下移，使上层压电传感器与下层压电传感器接触，共同将机械能转换为电能输出，重复本步骤，直至若干压电传感器的共同输出电压小于压电传感器的最大额定输出电压之和时，所述电动升降支架停止下降。

各压电传感器层层叠加，直至压电传感器组中参与机械能与电能转换的压电传感器的数量与压电传感器组所获得的机械能相匹配，以获得机械能转换为电能的最大转换率，提高机械能的利用率。

优选的，实施例1和实施例2中压电传感器中的压电换能器均采用钹式压电换能器。

具体的，钹型压电换能器由两片钹型金属帽及它们之间的压陶瓷粘结组成，如图4，其中Q为钹型压电换能器的直径，Qc为金属帽内腔底部直径，Qd为内腔顶部直径，dc为内腔高度，tm为金属帽的厚度，tp为压电陶瓷的厚度。

此外，当钹型压电换能器在外载荷的作用时，由于钹型金属帽结构特性，金属端帽使压电陶瓷纵向载荷有放大的作用，并将部分纵向应力转换为压电陶瓷的径向应力。

压电陶瓷是人工制造的多晶体铁电材料。在该压电晶体中，正负离子排列的不对称和晶胞正负电荷的不重合形成电偶极矩，利用这种特性，当受外力作用时可以产生压电效应，即可使得机械能转换为电能。

以上述依据本发明的理想实施例为启示，通过上述的说明内容，相关工作人员完全可以在不偏离本项发明技术思想的范围内，进行多样的变更以及修改。本项发明的技术性范围并不局限于说明书上的内容，必须要根据权利要求范围来确定其技术性范围。