[发明专利]一种可实现地层振动能量回收的超材料隔振桩系统及应用

权利要求书

1.一种可实现地层振动能量回收的超材料隔振桩系统，其特征在于，由多个超材料隔振桩阵列组成，可以实现对特定波长范围内振动的捕获与能量转换；

所述超材料隔振桩，包括空心桩(1)、谐振子系统、复合压电换能片(4)、能量收集与输出电压调整电路(5)。

2.如权利要求1所述的可实现地层振动能量回收的超材料隔振桩系统，其特征在于，所述空心桩(1)包括桩体和上、下两个盖板(11)；

所述谐振子系统可以捕获地层中一定频率范围内的振动，谐振子系统包括质量块(2)和弹性支承块(3)；所述质量块(2)设置于两个弹性支承块(3)之间；所述空心桩的内径大于谐振子系统的直径，所述谐振子系统内置于空心桩(1)内；

所述复合压电换能片(4)嵌入谐振子系统内，将谐振子系统捕获的振动中的机械能转化为电能；所述复合压电换能片(4)由压电陶瓷晶片和金属片叠合而成，在谐振子系统由于地层振动影响而产生振动时将系统中的机械能转化为电能，在谐振子系统往复振动时产生交流电；

所述的能量收集与输出电压调整电路(5)布置于空心桩(1)与谐振子系统之间的空隙处，并与复合压电换能片(4)上下表面连接，将复合压电换能片(4)表面的交流电调整为稳定电压的直流电，为用电器供电，并将多余电能存储于储能电容器中。

3.如权利要求2所述的可实现地层振动能量回收的超材料隔振桩系统，其特征在于，所述空心桩(1)、质量块(2)和弹性支承块(3)设计为圆柱体，质量块(2)和弹性支承块(3)的外径小于桩体和盖板的内径。

4.如权利要求2所述的可实现地层振动能量回收的超材料隔振桩系统，其特征在于，通过调整质量块(2)的质量和弹性支承块(3)的刚度改变谐振子系统的自振频率，当振动波以接近自振频率的频率传播到超材料隔振桩处时产生共振，实现对振动波能量的捕获。

5.如权利要求2所述的可实现地层振动能量回收的超材料隔振桩系统，其特征在于，所述复合压电换能片(4)嵌入谐振子系统内的方式有两种：复合压电换能片(4)嵌入质量块(2)与弹性支承块(3)相接处，或者复合压电换能片(4)嵌入弹性支承块(3)内。

6.如权利要求2所述的可实现地层振动能量回收的超材料隔振桩系统，其特征在于，质量块(2)和复合压电换能片(4)之间、复合压电换能片(4)和弹性支承块(3)之间、弹性支承块(3)和空心桩(1)的盖板之间的界面皆通过热硫化粘合剂粘合。

7.如权利要求1所述的可实现地层振动能量回收的超材料隔振桩系统，其特征在于，所述能量收集与输出电压调整电路(5)的电路结构包括桥式整流电路、稳压器、电容、电阻、用电器；复合压电换能片(4)与桥式整流电路相连，然后连接至稳压器的输入端，稳压器的输出端和用电器相连；

当振动被捕获并传递到复合压电换能片(4)表面时，产生往复变化的交流电压，由桥式整流电路整流为直流电后电容C1充电，同时通过正向低压降稳压器为用电器提供稳定的工作电压；正向低压降稳压器输出的电压由下式计算，其中，V_In为压电片内部产生的电压；R1、R2为电阻；I_adj是ADJ脚漏电流，一般其值较小可以忽略不计：

8.一种可实现地层振动能量回收的超材料隔振桩系统的应用，其特征在于，应用于，通过超材料隔振桩的局部共振特性和周期性排布特性实现地层振动的吸收和阻隔，利用压电材料的正压电效应对谐振子吸收的振动能量进行收集和电能转化。

9.如权利要求8所述的可实现地层振动能量回收的超材料隔振桩系统的应用，其特征在于，多根超材料隔振桩根据Bragg散射效应通过调整桩与桩的间距，组成超材料隔振桩阵列，实现对特定波长范围内的波的捕获；通过设计其中每根桩拥有不同的谐振子自振频率，实现对更大频率捕捉范围的覆盖。

10.如权利要求8所述的可实现地层振动能量回收的超材料隔振桩系统的应用，其特征在于，应用于轨道交通建设；

所述空心桩(1)埋置于地层中，用于保护内部谐振子系统和复合压电换能片(4)不被岩土、地下水及锈蚀离子侵入、侵蚀和破坏，并保障超材料隔振桩的整体性；

空心桩1的桩体选用C35P8抗渗混凝土，有良好的抗渗性能，空心桩外径0.8m，内径0.7m，高3.2m；空心桩(1)的盖板选用430型铁素体类不锈钢，耐腐蚀且具有较好延展性直径0.8m，厚度0.1m；质量块(2)由普通含锰钢60制成，刚度较大，密度约7800kg/m³，圆柱形底面直径0.6m、高0.9m；

弹性支承块(3)由聚氨酯橡胶，强度高、弹性好、耐老化，弹性模量约7.8MPa，圆柱形底面直径0.6m、高1.0m；

质量块(2)和弹性支承块(3)组成的谐振子系统纵向的自振频率约为10Hz；

复合压电换能片(4)中间层材料为PZT-5H压电陶瓷，上下层为C5111磷青铜，具有良好导电性和弹性，压电陶瓷和磷青铜之间通过H20S环氧树脂导电胶粘结；

所述正向低压降稳压器可以选择AMS1117系列稳压器；

通过将单个超材料隔振桩按照间距10m组成阵列，可以实现对波长数量级在10¹m范围内的振动的捕获与能量转换。