[发明专利]一种适应于铁路路基面上和轨道结构中的压电发电方法

说明书

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。