專利名稱：一種適應于鐵路路基面上和軌道結構中的壓電發電方法
技術領域：
本發明涉及一種利用鐵路列車通過時路基和軌道振動能量壓電發電的方法及其 系統。
背景技術：
目前存在多種發電類型或方法，如火電、水電、核電、風電等等，其中使用燃料的火 力發電存在一定的能源消耗和污染問題，水力發電只能用于江河地段，原子能發電復雜龐 大需要大量投資，因此，目前各行各業時刻需要的電能是相當寶貴的，而清潔的可再生能源 如太陽能、風能、海洋能、地熱能等，在很大程度上受到地理、地貌、地形和氣候等自然條件 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傳 統化資源枯竭，同時新的能源生產供應體系又未能建立，在交通運輸業、工商業、金融業等 一系列行業存在潛在的能源危機。充分開發利用新能源、提高能耗效率是當務之急，目前國 內外正積極開展這方面的研究，并取得了很好的成效。目前，既不屬于礦物資源也不屬于自 然能源或原子能，而是充分利用人民生活、生產活動和交通運輸過程可重新利用的能量，即 利用列車運行通過時對軌道和路基產生的壓力，作用于具有壓電效應的元件上，轉換為電 能輸出，構成無能耗無污染的發電系統。1880年居里兄弟首次發現晶體的壓電現象，即石英晶體在機械壓力作用下，在兩 端面之間會出現電勢差。壓電效應已被應用到與人們生產、生活、軍事、科技密切相關的許 多領域，實現了力_電轉換等功能。例如用壓電陶瓷將外力轉換成電能的特性，可以生產出 不用火石的壓電打火機、煤氣灶打火開關、炮彈觸發引信等。此外，壓電陶瓷還可以作為敏 感材料，應用于擴音器、電唱頭等電聲器件，用于壓電地震儀，可以對人類不能感知的細微 振動進行監測，并精確測出震源方位和強度，從而預測地震，減少損失。利用壓電效應制作 的壓電驅動器具有精確控制的功能，是精密機械、微電子和生物工程等領域的重要器件。利 用振動能量作用壓電元件進行發電也是一項取得初步成效的研究。本發明將壓電裝置設置在鐵路路基面上或軌道結構中，利用振動能量產生電能并 予以存儲以供利用。與傳統的利用振動能量相比，利用鐵路路基和軌道振動能量發電具有 顯著的優點鐵路軌道線路結構穩定，列車運行時間和運行線路固定，列車軸重和自重遠大 于汽車，因此可以收集利用的鐵路路基軌道振動能量大且穩定，采用壓電裝置可以收集存 儲巨大電能。公路路面振動能量受到汽車行駛路線具有隨機性和離散性，壓電裝置的設置 面積大，收集利用率低。

發明內容
本發明的目的在于，提出一種利用鐵路路基和軌道振動能量壓電發電的方法及其 裝置，將壓電裝置布設在鐵路路基面上或軌道結構中，振動發電裝置固定在鐵路兩側路肩 或鋼軌軌腰上，利用振動能量產生電能并予以存儲以供利用。本發明提出的利用鐵路路基 和軌道振動能量壓電發電的方法及其系統將列車運行過程中浪費的機械動能有效地轉換為電能，系統簡單可靠，無能耗，無污染，可廣泛應用于鐵路沿線隧道、工務駐地等照明用 電，系統節能環保，具有顯著的經濟價值和社會價值。為實現上述目的，本發明采用如下技術措施將壓電裝置鋪設于有砟和無砟軌道結構的鐵路路基面上或彈性支承板式無砟軌 道的支承板下或固定在扣件裝置的絕緣緩沖墊板中，將振動發電裝置固定在有砟或無砟軌 道結構兩側路肩或鋼軌軌腰上，列車通過時動荷載從鋼軌向軌道結構和路基傳遞，壓電和 振動發電裝置受到周期性動力作用，將振動能量進行收集并經過電能轉換裝置轉換為電 能，再通過電能存儲裝置或負載裝置進行存儲或利用。該方法包括以下步驟(圖1)a.在有砟或無砟軌道結構的鐵路路基面上或彈性支承板式無砟軌道的支承板下 或固定在扣件裝置的絕緣緩沖墊板中布設壓電裝置，在有砟或無砟軌道結構兩側路肩或鋼 軌軌腰上布置振動發電裝置，該壓電和振動發電裝置接收列車行駛過程中的振動能量發 電；b.將壓電和振動發電裝置產生的電能傳輸到一個電能轉換裝置中，對變化的電能 進行調整和轉換；c.經過電能轉換裝置調整和轉換后的電能由電能存儲裝置存儲，并通過負載控制 模塊給負載供電，負載包括鐵路沿線隧道、工務駐地等各種照明通信用電；所述的電能轉換裝置調整和變化的電能由電能存儲裝置接受時，電能轉換裝置對 電能存儲裝置的充電電壓和電流進行自動控制。所述的電能轉換裝置對壓電裝置收集的振 動能量產生的電能進行調整和轉換包括以下兩步1)將壓電和振動發電裝置產生的交流電整流為直流電；2)電能轉換裝置測試步驟1)的直流電壓，選擇合適的直流變換模塊(DC/DC)轉換 為合適的直流電壓和電流對電能存儲裝置進行充電。本發明還提供一種用于上述方法的壓電發電系統，該壓電發電系統包括壓電裝 置、電能轉換裝置和電能存儲裝置，壓電裝置用于收集列車運行時產生的振動能量，電能轉 換裝置在正壓電效應和振動效應作用下將振動能量轉化為電能，用于對電能進行調整和變 換，電能轉換裝置調整和變換后的電能供給存儲裝置進行存儲。本發明的優點1、鐵路軌道線路結構特點，列車運行時間和運行線路固定，列車軸重和自重遠大 于汽車，因此可以收集利用的鐵路路基軌道振動能量大且穩定，采用壓電裝置可以收集存 儲巨大電能。2、本發明與現有的各種發電能源不同。它直接利用鐵路列車通過時路基軌道振動 能量壓電發電，不消耗其它礦物能源和自然資源。該發明配套的蓄電池組與控制供電系統 只需要放置在既有鐵路路肩或邊坡處，對既有鐵路結構無任何影響，對行車安全無任何影 響。本發明作為一種清潔能源，可廣泛應用于鐵路沿線隧道、工務駐地等照明用電，系 統節能環保，具有顯著的經濟價值和社會價值。


圖1 系統結構2 有砟軌道壓和振動發電電裝置布置圖；圖3 無砟軌道壓電和振動發電裝置布置圖
權利要求
一種適應于鐵路路基面上和軌道結構中的壓電發電方法，其特征在于，將壓電裝置鋪設于有砟和無砟軌道結構的鐵路路基面上或彈性支承板式無砟軌道的支承板下或固定在扣件裝置的絕緣緩沖墊板中，將振動發電裝置固定在有砟或無砟軌道結構兩側路肩或鋼軌軌腰上，列車通過時動荷載從鋼軌向軌道結構和路基傳遞，壓電和振動發電裝置受到周期性動力作用，將振動能量進行收集并經過電能轉換裝置轉換為電能，再通過電能存儲裝置或負載裝置進行存儲或利用。
2.如權利要求1所述的壓電發電方法，所述的電能轉換裝置對壓電裝置收集的振動能 量產生的電能進行調整和轉換包括以下兩步將壓電裝置和振動發電裝置產生的交流電整 流為直流電；電能轉換裝置測試步驟的直流電壓，選擇合適的直流變換模塊(DC/DC)轉換 為合適的直流電壓和電流對電能存儲裝置進行充電。
3.一種用于如權利要求1所述的壓電發電方法的壓電發電系統，該壓電發電系統包括 壓電裝置、振動發電裝置、電能轉換裝置和電能存儲裝置，壓電裝置和振動發電裝置用于收 集列車運行時產生的振動能量，電能轉換裝置在正壓電效應和振動效應的作用下將振動能 量轉化為電能，用于對電能進行調整和變換，電能轉換裝置調整和變換后的電能供給存儲 裝置進行存儲。
4.如權利要求1所述的壓電發電方法，其鋪設于有砟軌道結構的路基面上的壓電裝置 沿鐵路線路縱向鋪設，以線路中線為中心，鋪設寬度在動荷載主要分布范圍在3m以內。
5.如權利要求1所述的壓電發電方法，其鋪設于無砟軌道結構的路基面上的壓電裝置 沿鐵路線路縱向鋪設，以線路中心線為中心，鋪設寬度在底座或支承層寬度范圍在2. 4 3m之間內。
6.如權利要求1所述的壓電發電方法，其鋪設于彈性支承板式無砟軌道的支承板下的 壓電裝置鋪設在支承板下，壓電裝置大小為支承板大小。
7.如權利要求1所述的壓電發電方法，其固定在扣件裝置的絕緣緩沖墊板中的壓電裝 置在墊板的制作過程中將壓電裝置直接植入成形。
8.如權利要求3或4所述的壓電發電方法，其特征在于，壓電裝置中的壓電元件包括壓 電陶瓷、壓電聚合物和壓電復合材料其中之一或其組合，直接作為路基組成部分。
9.如權利要求5或6所述的壓電發電方法，其特征在于，壓電裝置中的壓電元件為壓電 聚合物。
全文摘要
本發明涉及一種適應于鐵路路基面上和軌道結構中的壓電發電方法。將壓電和振動發電裝置設置在鐵路路基面上或軌道結構中，利用振動能量產生電能并予以存儲以供利用。本發明包括設置于路基面和軌道結構中的壓電和振動發電裝置，用于將列車運行時產生的動能轉換為電能；電能變換裝置，用于調整和轉換壓電裝置產生的電能，并將電能存儲于存儲裝置或負載裝置。以上壓電裝置與電力變換裝置進行連接，電能變換裝置與存儲裝置或負載相連。本發明將浪費的機械動能有效地轉換為電能，系統簡單可靠，無能耗，無污染，可廣泛應用于鐵路沿線隧道、工務駐地等照明用電，系統節能環保，具有顯著的經濟價值和社會價值。
文檔編號H02J7/04GK101814858SQ20101013212
公開日2010年8月25日 申請日期2010年3月25日 優先權日2010年3月25日
發明者何華武, 劉杰, 史存林, 葉陽升, 姚建平, 張千里, 王立軍, 程愛君, 程遠水, 董亮, 蔡德鉤, 閆宏業, 馬偉斌 申請人:中國鐵道科學研究院鐵道建筑研究所