利用壓電技術在軌道交通上產生再生能源的方法
【專利摘要】利用壓電技術在軌道交通上產生再生能源的方法。其方案是將壓電晶體分別置入于兩根鋼軌與軌枕的各個減震墊之間；考慮到為了產生壓電效應的連續(xù)性又不至于發(fā)生太高的頻率而降低效率，在區(qū)間列車高速運行區(qū)域將壓電換能晶體以奇、偶跳接的方式連成兩路線，這樣在列車高速運行時，從外部進入處理系統(tǒng)的奇、偶雙脈沖高壓電任何一路的頻率都不致過高。在靠近車站兩側及坡道兩側可能產生正、負加速度等的行車緩慢區(qū)域內，將軌枕的兩側分別以連續(xù)并聯(lián)的方法接線。連接后的總線接入脈沖高壓電處理裝置，處理裝置內設有壓電脈沖半波電壓計算機自動收集調整之功能，調整后進行整流再進行逆變?yōu)楣ゎl電后，將其輸入電網。
【專利說明】利用壓電技術在軌道交通上產生再生能源的方法
所屬【技術領域】
[0001]本發(fā)明屬于軌道交通領域。人類在軌道交通上的發(fā)展已經走過了百年以上的歷史，由于軌道交通的大容量、節(jié)能環(huán)保及高效快速等優(yōu)越性，近年來在世界各國、特別是人口稠密地區(qū)都得到了快速發(fā)展。然而，在現(xiàn)代民用高能耗產業(yè)中，集合多學科技術發(fā)展再生能源是不可回避的新課題，軌道交通正是符合這種相對較高能耗的產業(yè)。收集輪軌壓力所產生的能量，即采用壓電技術來收集輪軌壓力的能量，在不給軌道交通帶來行車影響的前提下，將其輪軌壓力能量進行收集后再利用，這將是再生能源的發(fā)展方向及目標。
【背景技術】
[0002]壓電效應是1880年由居里兄弟及杰克斯首先發(fā)現(xiàn)的。經過了 100多年的實際應用及不斷成熟后，今天，這項技術已經被廣泛應用到航天、航海、軍事及大量的民用科技中，其中最簡單的民用品中有壓電打火機、壓電打火電子爐灶等。
[0003]壓電是指:當晶體受到某固定方向外力的作用時，內部就產生電極化現(xiàn)象，同時在某兩個表面上產生符號相反的電荷；當外力撤去后，晶體又恢復到不帶電的狀態(tài)；晶體受力所產生的電荷量與外力的大小成正比。
[0004]壓電打火機、壓電打火電子爐灶等手動壓電設施，可產生瞬間不小于3000伏特的高壓電，本發(fā)明是將這種壓力生電效應應用到軌道交通的鋼軌與軌枕銜接處，當列車通過時由車輪的壓力在傳遞到軌枕前，先將巨大的壓力觸及到本案所涉及到的壓電晶體上，然后再將壓力傳到軌枕上，在壓力觸及到壓電晶體上時，使其瞬間極化發(fā)出高壓電。
[0005]本技術方法是在考慮到不給軌道交通帶來任何行車影響的前提下發(fā)明的，它不直接與軌道交通各專業(yè)發(fā)生直接關系，晶體的厚度是毫米量級的，在受壓時可不考慮形變，因此它也不會給軌道交通造成任何安全隱患。本案是將壓電技術引入軌道交通使其產生再生能源的技術，亦即利用機械壓電方法來收集車輛通過時輪軌碾壓軌道的能量。利用大量收集輪軌碾壓的壓電能量，可為軌道交通增加一個新的、有利用價值的再生能來源。

【發(fā)明內容】

[0006]本案是將壓電技術、即將機械壓力轉換成電能的方法，應用到軌道交通上的。壓電技術的原理是當具有壓電特性的晶體在受到某固定方向外力的作用時，內部就產生電極化現(xiàn)象，同時在某兩個表面上產生符號相反的電荷；當外力撤去后，晶體又恢復到不帶電的狀態(tài)；晶體受力所產生的電荷量與外力的大小成正比。壓電晶體是各相異性的。本案的方法為:將這種晶體的壓電效應利用到軌道交通的鋼軌與軌枕接觸處，當列車通過時產生的強大的重力施壓于鋼軌，在此重力由鋼軌傳遞到軌枕之前，先施力于晶體壓電換能器上，使之產生強大的脈沖高壓電。每根軌枕上都鋪設此種換能器，列車在通過該段線路時，便可產生連續(xù)的脈沖高壓電，再經現(xiàn)已成熟的技術進行收集，并進行變頻調壓后向電網供電，也可經整流后向蓄電池充電，便可達到本發(fā)明收集再生能源的目的了。
[0007]在分析產生脈沖高壓電的持續(xù)時間亦即電量時，不難想到將現(xiàn)代城市輪軌車輛或動車作為實施對象。以城市軌道交通為例，一列軌道交通列車的車廂都在10輛以上，每輛車廂至少裝有4對車輪，車輪的輪間距都是相對固定的，這較容易將其設定為標準計算機模數(shù)，它可與軌交的車速相匹配，每對車輪通過軌枕的時間參數(shù)將為固定的車輪間距模數(shù)提供數(shù)據(jù)，因而所產生的壓電脈沖頻率也能由計算機自動收集調整。值得一提的是本案的設計是將晶體壓電換能器安裝在軌枕與鋼軌接觸處，而此處恰好有鋼軌與軌枕接觸處的減震墊，所以列車強大的壓力不會將相對很薄的晶體壓變形，因而不會因為晶體而減少列車對道床的緩沖作用，此晶體只是承受一個壓力傳遞的過程。
[0008]技術方案
[0009]本案是將壓電晶體分別置入于兩根鋼軌與軌枕的各個減震墊之間，利用膠粘的方法將壓電換能晶體與減震墊固結；根據(jù)壓電換能晶體產生電效應的特性，應在兩個相對應的壓電晶體表面引出產生符號相反電荷的導線，此導線引出后以并聯(lián)的方法連接?？紤]到為了產生壓電效應的連續(xù)性又不至于發(fā)生太高的頻率而降低效率，在區(qū)間列車高速運行區(qū)域將壓電換能晶體以奇、偶跳接的方式連成兩路線，這樣在列車高速運行時，從外部進入處理系統(tǒng)的奇、偶雙脈沖高壓電任何一路的頻率都不致過高，具體接線時可用不同顏色的線來操作。在靠近車站兩側及坡道兩側可能產生正、負加速度等的行車緩慢區(qū)域內，將軌枕的兩側分別以連續(xù)并聯(lián)的方法接線。連接后的總線接入脈沖高壓電處理裝置，處理裝置內設有壓電脈沖半波電壓計算機自動收集調整之功能，調整后進行整流再進行逆變?yōu)楣ゎl電后，將其輸入電網，也可以將其整流后的直流電送入蓄電池作為備用電源或專用電源。
[0010]軌道交通的軌枕數(shù)量一般是1500根/ km左右，此數(shù)據(jù)根據(jù)車速及其他條件設計時略有不同；每輛車有4對車輪(動車、高鐵也有6對車輪的)，分別設在車輛的兩端；以在城市軌道交通上實施為例，以4對車輪、最高限速70km / h計算，車輛通過I公里的時間約為51秒，也就是說在通過換算后51秒內單個車輪要壓過1500根軌枕，平均每秒壓過29根軌枕，亦即是單個車輪在單側所產生的脈沖高壓電的半波頻率是29Hz。在車輛中，車輪間距均為固定值，可將此固定值編入計算機程序內；在車輛行駛中，將速度從O?70km / h變化范圍編入動態(tài)計算機程序，用計算機輪距固定數(shù)據(jù)程序參數(shù)自動計算出每只車輪及車輪與車輪通過某一點的頻率，這個頻率也就是某點發(fā)出半波高壓電的頻率，同時將壓電平均實際振幅一同并入計算機處理，可將L段長度線路的軌枕數(shù)在T時間內求和就可得到T時間的再生電功的功率。此功率即為每列車在單位長度的線路上所發(fā)出的再生能源功率。
[0011]有意義效果
[0012]1、；本發(fā)明是將壓電技術引入到民用方向的又一新的嘗試，它可為緊張的能源在不增加環(huán)境及其他負擔的情況下添加新鮮血液；
[0013]2、本案的實施與行車各專業(yè)都不發(fā)生關系，所以它不會給行車帶來不便，更不會給行車帶來不安全因素；
[0014]3、本案由于采用的是晶體壓電技術，它的使用壽命是以百萬次為單位計算的，相對于軌道交通來說，它一旦植入在一個大修年內可永久運行使用，而無需中間更換或維修；
[0015]4、本方法先期可在城市軌道交通上實施，待積累經驗后，可向鐵路系統(tǒng)的長大線路推廣，它必將帶來廣泛的社會效益及巨大的經濟效益?！緦＠綀D】

【附圖說明】
[0016]圖1是軌枕斷面圖；
[0017]圖2是圖1的局部剖面圖；
[0018]圖3是線路高速行駛區(qū)的接線圖；
[0019]圖4是低速行駛區(qū)的接線圖。
[0020]圖中I是鋼軌，2是壓電轉換晶體，3是減振板，4是軌枕，5是列車高速運行區(qū)的奇數(shù)接線法，6是列車高速運行區(qū)的偶數(shù)接線法，7是列車低速運行區(qū)的接線法，8是計算機頻率調整裝置，9是奇數(shù)接線法的計算機調整裝置，10是奇數(shù)接線法的計算機調整裝置，11是經過奇、偶數(shù)(圖3)計算機調整裝置后或圖4中單一路徑的整流逆變系統(tǒng)。
【具體實施方式】
[0021]當列車車輪從鋼軌頂部I壓過時，鋼軌底部的壓力壓向壓電轉換晶體2，此壓力由減震板3繼續(xù)向下傳至軌枕4而擴散于道床上；當列車在高速運行區(qū)運行時，由圖3中從奇數(shù)5及偶數(shù)6壓電晶體中輸出高壓電后，再分別送入奇、偶數(shù)接線法的計算機調整裝置9和10并對其高壓電進行頻率調整，調整后的高壓電送入整流逆變系統(tǒng)11，將其變?yōu)楣ゎl電后可送入電網，或進一步整流送入蓄電池作為備用電源或專用電源；圖4中7是低速行駛區(qū)從每根軌枕與鋼軌接觸處連續(xù)并聯(lián)輸出的方式，由此輸入計算機頻率調整裝置8后，再將調整后的高壓電送入整流逆變系統(tǒng)11。由逆變器出來的就是可用的工頻電了。
【權利要求】
1.一種利用壓電技術在軌道交通上產生再生能源的方法，其特征是將壓電晶體分別置入于兩根鋼軌與軌枕的各個減震墊之間，利用膠粘的方法將壓電換能晶體與減震墊固結；根據(jù)壓電換能晶體產生電效應的特性，應在兩個相對應的壓電晶體表面引出產生符號相反電荷的導線，此導線引出后以并聯(lián)的方法連接。
2.如權利要求書I所述內容，其特征是考慮到為了產生壓電效應的連續(xù)性又不至于發(fā)生太高的頻率而降低換能效率，在區(qū)間列車高速運行區(qū)域將壓電換能晶體以奇、偶跳接并聯(lián)的方式連成兩路線，這樣在列車高速運行時，從外部進入處理系統(tǒng)的奇、偶雙脈沖高壓電任何一路的頻率都不致過高，具體接線時可用不同顏色的線來操作。
3.如權利要求書I所述內容，其特征是在靠近車站兩側及坡道兩側可能產生正、負加速度等的行車緩慢區(qū)域內，將軌枕的兩側分別以連續(xù)并聯(lián)的方法接線。
【文檔編號】H02N2/18GK103929094SQ201410119277
【公開日】2014年7月16日 申請日期:2014年3月24日 優(yōu)先權日:2014年3月24日
【發(fā)明者】王愷, 劉湘平 申請人:中國市政工程西北設計研究院有限公司浙江分院, 王愷