基于三維超材料的路面振動能量回收發電裝置及方法與流程

本發明涉及道路振動能量及超材料技術領域，特別涉及一種基于三維超材料的路面振動能量回收發電裝置及方法。

背景技術：

超材料是最近非常熱門的一類自然界沒有的具有特殊性質的用于聲學的人造材料。超材料的波匯聚特性在振動能量吸收方面展現了極大的應用前景。而超材料又分為一維、二維和三維，其中三維超材料由于能實現全向性振動波匯聚，應用前景更加廣闊。

現代社會的噪聲主要是低頻噪聲，包括交通低頻噪聲和電氣低頻噪聲。其中道路車輛行走中產生的振動能量作為一種新型的新能源引起人們極大的關注，一經提出便很快在道路振動能量中被轉化利用。

截止2013年，我國公路里程達到423萬公里，汽車保有量達到1.37億輛，形成了全國高速公路日機動車平均交通量21305輛，汽車保有量年增長率14％，科技部規劃2020-2030年混合動力汽車和純電動汽車占50％的背景下，如果把我國車輛-道路形成的動載荷循環產生的振動能量有效的收集起來轉化為電能，其應用前景將大為廣闊，可真正實現能源的替代。

2012年Climente等在《Applied Physics Letters》上設計出全向性聲學超材料，并對其進行了仿真研究；同年，Scientific American Online也在線報道了構建聲波超材料無線充電的前景，超材料的波匯聚特性在電能轉化方面展現了極大的應用前景。

瀝青路面的軸向振動及結構振動的頻率通常在0-50Hz，要滿足瀝青路面振動能量高效率回收，還要匹配路面瀝青厚度尺寸，同時振動回收系統還要具有封裝性及壓實抵抗力，而近幾年出現的超材料能夠實現全向性聲波匯聚使上述問題迎刃而解。

技術實現要素：

本發明的目的在于提供一種基于三維超材料的路面振動能量回收發電裝置及方法，以解決交通路面的噪音震動能量回收的問題。

為實現上述目的，本發明采用以下技術方案：

一種基于三維超材料的路面振動能量回收發電裝置，包括多懸臂梁環形結構、上半球殼和下半球殼；上半球殼和下半球殼的材料為三維超材料，多懸臂梁環形結構設置在上半球殼和下半球殼組成的中空球體內部；

多懸臂梁環形結構包括主體和壓電懸臂梁；主體包括橫桿和半圓盤，壓電懸臂梁包括懸臂梁固定端、壓電陶瓷和基板；橫桿的一端固定平行設置在下半球殼的上表面，橫桿的另一端垂直固定在半圓盤的一側，且指向下半球殼上表面的圓心；半圓盤的另一側沿著半圓盤弧等間距設置有若干個懸臂梁固定端，每個懸臂梁固定端上垂直設置有基板，每個基板的上下表面均固定設置有壓電陶瓷。

進一步的，基板的型號為SUS301，其楊氏模量為193GPa。

進一步的，每個基板的固定方向均不相同；每個基板的厚度均不相同，基板長度范圍為0.1-0.5mm。

進一步的，壓電陶瓷為PZT-5H。

進一步的，每個壓電陶瓷的長度均不相同，厚度為0.2mm。

進一步的，懸臂梁固定端內設置有全橋整流電路；懸臂梁固定端上還連接有導線；上半球殼上設置有貫穿上半球殼的導線槽，懸臂梁固定端上的導線從導線槽中引出。

進一步的，一種基于三維超材料的路面振動能量回收發電裝置的能量回收發電方法，所述基于三維超材料的路面振動能量回收發電裝置包括多懸臂梁環形結構、上半球殼和下半球殼；上半球殼和下半球殼的材料為三維超材料，多懸臂梁環形結構設置在上半球殼和下半球殼組成的中空球體內部；

多懸臂梁環形結構包括主體和壓電懸臂梁；主體包括橫桿和半圓盤，壓電懸臂梁包括懸臂梁固定端、壓電陶瓷和基板；橫桿的一端固定平行設置在下半球殼的上表面，橫桿的另一端垂直固定在半圓盤的一側，且指向下半球殼上表面的圓心；半圓盤的另一側沿著半圓盤弧等間距設置有若干個懸臂梁固定端，每個懸臂梁固定端上垂直設置有基板，每個基板的上下表面均固定設置有壓電陶瓷；

懸臂梁固定端內設置有全橋整流電路；懸臂梁固定端上還連接有導線；上半球殼上設置有貫穿上半球殼的導線槽，懸臂梁固定端上的導線從導線槽中引出；

所述基于三維超材料的路面振動能量回收發電裝置的能量回收發電方法，包括以下步驟：

1)將若干個該裝置并排放置在瀝青路面下，通過導線將若干個該裝置并聯連接起來；

2)當有車輛壓過埋設有該裝置的瀝青路面時，不同頻段的振動波入射，上半球殼和下半球殼會將各個方向的不同頻段的振動波匯聚到球內，匯聚到一起的振動波使球內的每個壓電懸臂梁產生振動，根據正壓電效應，產生電流；

3)產生的電流通過懸臂梁固定端內的全橋整流電路將交流電轉變為直流電，然后通過導線并聯將各個壓電懸臂梁上產生的電流匯聚在一起。

與現有技術相比，本發明有以下技術效果：

本發明的三維超材料球殼能實現全向性的振動波匯聚，能最大化地回收路面振動波能量，多懸臂梁環形結構能夠最有效的轉化電能；在減少頻繁振動對路面損傷的同時還能將其轉化為電能，從而實現了能量的有效利用。三維超材料結構的尺寸、承受壓力能夠匹配瀝青路面厚度，對多懸臂梁環形結構具有保護性；同時能起到隔振作用，減小了瀝青路面內部的振動傳播，延緩了瀝青路面的疲勞損壞。

附圖說明

圖1為本發明基于三維超材料的路面振動能量回收發電裝置的主視圖；

圖2為本發明基于三維超材料的路面振動能量回收發電裝置的俯視圖；

圖3為本發明路面下安裝示意圖。

其中：1-上半球殼；2-下半球殼；3-多懸臂梁環形結構；4-壓電懸臂梁；5-全橋整流電路；6-壓電陶瓷；7-基板；8-導線槽；

具體實施方式

以下結合附圖，對本發明進一步說明：

請參閱圖1和圖2，一種基于三維超材料的路面振動能量回收發電裝置，包括多懸臂梁環形結構3、上半球殼1和下半球殼2；上半球殼1和下半球殼2的材料為三維超材料，多懸臂梁環形結構3設置在上半球殼1和下半球殼2組成的中空球體內部；

多懸臂梁環形結構3包括主體和壓電懸臂梁4；主體包括橫桿和半圓盤，壓電懸臂梁4包括懸臂梁固定端、壓電陶瓷6和基板7；橫桿的一端固定平行設置在下半球殼2的上表面，橫桿的另一端垂直固定在半圓盤的一側，且指向下半球殼2上表面的圓心；半圓盤的另一側沿著半圓盤弧等間距設置有若干個懸臂梁固定端，每個懸臂梁固定端上垂直設置有基板7，每個基板7的上下表面均固定設置有壓電陶瓷6。

基板7的型號為SUS301，其楊氏模量為193GPa。

每個基板7的固定方向均不相同；每個基板7的厚度均不相同，基板7長度范圍為0.1-0.5mm。

壓電陶瓷6為PZT-5H。

每個壓電陶瓷6的長度均不相同，厚度為0.2mm。

懸臂梁固定端內設置有全橋整流電路5；懸臂梁固定端上還連接有導線；上半球殼1上設置有貫穿上半球殼1的導線槽，懸臂梁固定端上的導線從導線槽中引出。

請參閱圖3，若干個該裝置并排放置在瀝青路面下，通過導線將若干個該裝置并聯連接起來；

工作原理包括以下步驟：

1)將若干個該裝置并排放置在瀝青路面下，通過導線將若干個該裝置并聯連接起來；

2)當有車輛壓過埋設有該裝置的瀝青路面時，不同頻段的振動波入射，上半球殼1和下半球殼2會將各個方向的不同頻段的振動波匯聚到球內，匯聚到一起的振動波使球內的每個壓電懸臂梁4產生振動，根據正壓電效應，產生電流；

3)產生的電流通過懸臂梁固定端內的全橋整流電路將交流電轉變為直流電，然后通過導線并聯將各個壓電懸臂梁4上產生的電流匯聚在一起。