УСТРОЙСТВО, СИСТЕМА И СПОСОБ СБОРА ЭНЕРГИИ С ЖЕЛЕЗНОДОРОЖНЫХ ПУТЕЙ
DEVICE, SYSTEM AND METHOD FOR POWER COLLECTION FROM TRACKS

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ, К КОТОРОЙ ОТНОСИТСЯ ИЗОБРЕТЕНИЕ
Настоящее изобретение относится к устройству, системе и способу сбора энергии железнодорожных путей с использованием пьезоэлектрических генераторов.
УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Пьезоэлектричество является способностью некоторых кристаллических материалов вырабатывать электрический заряд, пропорциональный приложенному механическому напряжению. Обратный эффект также может наблюдаться в этих материалах в тех случаях, когда развивается деформация, пропорциональная приложенному электрическому полю. Первоначально он был открыт Кюри в 1880-х. Сегодня пьезоэлектрические материалы для промышленных применений являются основанными на свинце керамическими изделиями, имеющимися в распоряжении в широком диапазоне свойств. Пьезоэлектрические материалы являются наиболее широко известным активным материалом, типично используемым для преобразователей, а также в адаптивных структурах.
Чистые керамические материалы сначала должны быть поляризованы, чтобы использовать их полный пьезоэлектрический эффект. Поляризация состоит в прикладывании интенсивного электрического поля к материалу. Во время операции поляризации кристаллические диполи в материале выравниваются с приложенным электрическим полем и материал расширяется в направлении электрического поля. При прикладывании поля в противоположном направлении наблюдается деформация противоположного знака. Если величина этого противоположного поля повышается, материал сначала деполяризуется и в заключение переполяризуется.
Поляризованный пьезоэлектрический материал считается поперечно изотропным, то есть одна плоскость является изотропной наряду с тем, что поперечное направление имеет другие свойства. Соглашение о стандартных координатах, принятое IEEE (Стандарт IEEE о пьезоэлектричестве, 178-1978), назначает плоскость 1-2 в качестве плоскости симметрии и направление 3 в качестве направления поперечной поляризации. Для малого приложенного электрического поля реакция пьезоэлектрической керамики может моделироваться следующим линейным определяющим уравнением пьезоэлектрического материала [Jaffe B., Cook Jr., W.R., and H. Jaffe, 1971, «Piezoelectric Ceramics», Academic Press], выраженным в прикладной матричной записи как:
<img file="00000001.tif" he="16" wi="42" img-content="undefined" img-format="tif" />
(1)
T
E
где D - электрическое смещение, S - деформация, E - электрическое поле, T - механическое напряжение, ε - постоянное механическое напряжение в (несжатом) диэлектрике, d - постоянная наведенной деформации, s - податливость в постоянном поле.
Механическое сжатие или растяжение на поляризованном пьезоэлектрическом керамическом элементе изменяет дипольный момент, создавая электрическое напряжение. Сжатие вдоль направления поляризации или растяжение, перпендикулярное направлению поляризации, вырабатывает электрическое напряжение такой же полярности, как напряжение поляризации. Растяжение вдоль направления поляризации или сжатие, перпендикулярное направлению поляризации, вырабатывает электрическое напряжение с полярностью, противоположной полярности у напряжения поляризации. Эти действия являются действиями генератора - керамический элемент преобразует механическую энергию сжатия или растяжения в электрическую энергию. Это поведение используется в устройствах воспламенения топлива, твердотельных батареях, силоизмерительных устройствах и других изделиях. Значения для напряжения сжатия и электрического напряжения (или напряженности поля), вырабатываемого прикладыванием механического напряжения к пьезоэлектрическому керамическому элементу, являются линейно пропорциональными вплоть до специфичного материалу механического напряжения. То же самое справедливо для приложенного электрического напряжения и вызванной деформации.
Если напряжение такой же полярности, как напряжение поляризации, прикладывается к керамическому элементу в направлении напряжения поляризации, элемент будет удлиняться, а его диаметр будет становиться меньшим. Если прикладывается напряжение полярности, противоположной полярности у напряжения поляризации, элемент будет становиться короче и шире. Если прикладывается переменное напряжение, элемент будет удлиняться и сокращаться циклически с частотой приложенного напряжения. Это является действием электродвигателя - электроэнергия преобразуется в механическую энергию. Этот принцип адаптирован к пьезоэлектрическим электродвигателям, звуковым и ультразвуковым генерирующим устройствам и многим другим изделиям.
Фиг.1a схематически изображает действие генератора пьезоэлектрического элемента, известного в данной области техники.
Пьезоэлектрический материал имеет значительное влияние на достижимые рабочие характеристики преобразователя. Широко применяемые пьезоэлектрические материалы основаны на цирконат-титанат-свинцовой (PZT) керамике.
Допуская, что PZT-элемент непосредственно используется в качестве преобразователя, существенные параметры материала могут быть очерчены для обеспечения добротности материала. Имеется множество факторов, которые оказывают влияние на выбор PZT-состава. Определяющие уравнения для линейного пьезоэлектрического материала при низких уровнях механического напряжения (T) могут быть записаны как
<img file="00000002.tif" he="9" wi="31" img-content="undefined" img-format="tif" />
(2)
и
<img file="00000003.tif" he="6" wi="30" img-content="undefined" img-format="tif" />
(3)
где x - деформация, D - электрическое смещение, E - электрическое поле, s - упругая податливость и g - коэффициент пьезоэлектрического напряжения, заданный в качестве
<img file="00000004.tif" he="14" wi="22" img-content="undefined" img-format="tif" />
(4)
Здесь d - пьезоэлектрическая постоянная, а ε - диэлектрическая постоянная. Постоянная β в уравнении (3) является диэлектрической восприимчивостью и равна составляющей обратного тензора диэлектрической проницаемости. Под приложенной силой F=T×A (где A - площадь), выходное напряжение (U) разомкнутой цепи керамики может быть вычислено из уравнения (3) и задано как
<img file="00000005.tif" he="12" wi="43" img-content="undefined" img-format="tif" />
(5)
где t - толщина керамики. Заряд (Q), вырабатываемый в пьезоэлектрической керамике, может определяться из уравнения (2) и задан в качестве
<img file="00000006.tif" he="12" wi="40" img-content="undefined" img-format="tif" />
(6)
или
<img file="00000007.tif" he="11" wi="36" img-content="undefined" img-format="tif" />
(7)
где C - электрическая емкость материала. Вышеприведенная зависимость показывает, что на низких частотах может предполагаться, что пьезоэлектрическая пластина должна вести себя, подобно конденсатору с параллельными обкладками. Отсюда электроэнергия, имеющаяся в распоряжении при циклическом возбуждении, задана уравнением (8), как изложено ниже:
<img file="00000008.tif" he="12" wi="83" img-content="undefined" img-format="tif" />
(8)
V=A·t
где  - объем пьезоэлектрического генератора.
2
X
При определенных экспериментальных условиях для заданного материала постоянной площади и толщины электрическая мощность зависит от отношения d/ε материала.
2
X
Материал с высоким отношением d/ε будет вырабатывать высокую мощность, когда пьезоэлектрическая керамика непосредственно применяется для сбора энергии.
Фиг.1b(i) изображает конструкцию одноэлементного преобразователя, а фиг.1b(ii) изображает многослойный преобразователь.
В многослойной конструкции согласно фиг.1b(ii) одна и та же сила F приложена ко всем слоям. Однако вследствие меньшей толщины каждого слоя напряжение, развиваемое на каждом слое (которое является напряжением, развиваемым на взятой в целом структуре, так как слои электрически соединены параллельно), является более низким. Параллельное электрическое соединение всех слоев увеличивает электрическую емкость структуры.
Фиг.1b(iii) изображает предпочтительный вариант многослойного PZT-генератора, в котором направления поляризации следующих друг за другом слоев изменены на противоположные. В этом варианте общий электрод используется между двумя противоположно ориентированными слоями.
Обзорная статья «Advances In Energy Harvesting Using Low Profile Piezoelectric Transducers»; by Shashank Priya; J Electroceram (2007) 19:165-182, дает всеобъемлющее освещение последних достижений в области сбора пьезоэлектрической энергии с использованием низкопрофильных преобразователей и приводит результаты для различных устройств опытных образцов сбора энергии. Также представлено краткое обсуждение по выбору пьезоэлектрических материалов, иногда для резонансных применений.
Научная работа «On Low-Frequency Electric Power Generation With PZT Ceramics»; by Stephen R. Platt, Shane Farritor, and Hani Haider; published in IEEE/ASME Transactions On Mechatronics, Vol. 10, №2, April 2005, обсуждает потенциально возможное применение основанных на PZT генераторов для некоторых выносных применений, таких как датчики в организме, встроенные устройства MEMS (микроэлектромеханических систем) и организация распределенной сети. Данная научная работа обращает внимание, что развитие пьезоэлектрических генераторов требует усилий вследствие своих плохих характеристик источника (высокого электрического напряжения, низкого тока, высокого полного сопротивления) и относительно низкой выходной мощности.
Статья «Energy Scavenging for Mobile and Wireless Electronics»; by Joseph A. Paradiso and Thad Starner; IEEE CS and IEEE ComSoc, 1536-1268/05/, обозревает область сбора энергии для питания энергией повсеместно применяемых сетей датчиков и мобильной электроники, а также систем известителей, которые могут извлекать энергию из деятельности человека или получать ограниченную энергию из тепла, света, радиопередачи или вибраций окружающей среды.
В обзорной научной работе «A Review of Power Harvesting from Vibration using Piezoelectric Materials»; by Henry A. Sodano, Daniel J. Inman and Gyuhae Park; The Shock and Vibration Digest, Vol. 36, №3, May 2004, 197-205, Sage Publications, обсуждается последовательность операций овладения энергией, окружающей систему и преобразования ее в годную к употреблению электрическую энергию - названная сбором энергии. Данная научная работа обсуждает исследование, которое было выполнено в области сбора энергии, и будущие цели, которые должны быть достигнуты, чтобы системы сбора энергии нашли свой путь к повседневному использованию.
Патентная заявка WO 07038157 A2, озаглавленная «Energy Harvesting Using Frequency Rectification»; Carman Gregory P. and Lee Dong G., поданная 21.09.2006, раскрывает устройство сбора энергии для использования в электрической системе, имеющее обратный частотный выпрямитель, сконструированный, чтобы принимать механическую энергию на частоте в тех случаях, когда сила побуждает преобразователь подвергаться другой частоте.
СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Настоящее изобретение относится к устройству, системе и способу сбора энергии железнодорожных путей с использованием пьезоэлектрического генератора.
Один аспект настоящего изобретения состоит в том, чтобы предложить систему для сбора энергии, содержащую: множество пьезоэлектрических устройств, способных к выработке электроэнергии, блок регулирования мощности и электрические проводники, соединяющие упомянутые пьезоэлектрические устройства с упомянутым блоком регулирования мощности; при этом упомянутая электроэнергия вырабатывается, когда поезд переезжает их местоположения.
В некоторых вариантах осуществления пьезоэлектрические устройства встроены в шпалу.
В некоторых вариантах осуществления блок регулирования мощности подводит электроэнергию к станции зарядки аккумуляторных батарей для зарядки аккумуляторных батарей электрических транспортных средств.
В некоторых вариантах осуществления блок регулирования мощности подводит электроэнергию к фонарям железнодорожной станции.
В некоторых вариантах осуществления блок регулирования мощности подводит электроэнергию к блоку дорожной сигнализации.
В некоторых вариантах осуществления блок регулирования мощности дополнительно присоединен к магистральной электрической сети.
В некоторых вариантах осуществления блок регулирования мощности дополнительно присоединен к блоку накопления энергии.
В некоторых вариантах осуществления пьезоэлектрические устройства содержат множество стержней PZT, встроенных в упругую матрицу.
В некоторых вариантах осуществления упругая матрица является связующим веществом.
В некоторых вариантах осуществления упругая матрица является эпоксидной смолой.
В некоторых вариантах осуществления матрица может быть выбрана из группы материалов, таких как термопластичный полимер, резина или другой натуральный или синтетический эластичный материал.
В некоторых вариантах осуществления пьезоэлектрические устройства прикреплены к железнодорожному рельсу.
В некоторых вариантах осуществления пьезоэлектрические устройства прикреплены к нижней части упомянутого железнодорожного рельса.
В некоторых вариантах осуществления пьезоэлектрические устройства прикреплены к боковым сторонам подошвы упомянутого железнодорожного рельса.
В некоторых вариантах осуществления пьезоэлектрические устройства прикреплены к боковым сторонам основания головки упомянутого железнодорожного рельса.
Еще один аспект изобретения состоит в том, чтобы предложить способ сбора энергии, включающий: встраивание множества пьезоэлектрических устройств, способных к выработке электроэнергии, в железнодорожные шпалы, соединение блока регулирования мощности с упомянутым множеством пьезоэлектрических устройств электрическими проводниками; при этом электроэнергия вырабатывается, когда поезд переезжает местоположения упомянутых пьезоэлектрических устройств.
Еще один аспект изобретения состоит в том, чтобы предложить способ сбора энергии, включающий: прикрепление множества пьезоэлектрических устройств, способных к выработке электроэнергии, к железнодорожному рельсу, соединение блока регулирования мощности с упомянутым множеством пьезоэлектрических устройств электрическими проводниками; при этом электроэнергия вырабатывается, когда поезд переезжает местоположения упомянутых пьезоэлектрических устройств.
Должно быть отмечено, что термины «PZT-преобразователь» и «пьезоэлектрический генератор» используются взаимозаменяемо на всем протяжении данного документа.
Пока не оговорено иное, все технические и научные термины, используемые в материалах настоящей заявки, имеют такое же значение, как обычно понимается специалистом в данной области техники, к которой принадлежит это изобретение. Хотя способы и материалы, подобные или эквивалентные описанным в материалах настоящей заявки, могут использоваться на практике или при проверке настоящего изобретения, пригодные способы и материалы описаны ниже. В случае конфликта данное описание изобретения к патенту, в том числе определения, будет осуществлять урегулирование. Кроме того, материалы, способы и примеры являются всего лишь иллюстративными и не должны быть ограничивающими.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
Изобретение описано в материалах настоящей заявки только в качестве примера со ссылкой на прилагаемые чертежи. Далее с конкретной ссылкой на чертежи подчеркивается, что подробности показаны исключительно в качестве примера и в целях иллюстративного обсуждения предпочтительных вариантов осуществления настоящего изобретения и представлены ради обеспечения того, что предполагается наиболее полезным и легко понятным описанием принципов и концептуальных аспектов изобретения. В этом отношении не делается никакой попытки показать конструктивные подробности изобретения подробнее, чем необходимо для фундаментального понимания изобретения. Описание совместно с чертежами делает очевидным для специалистов в данной области техники то, как могут быть воплощены на практике несколько форм изобретения.
На чертежах:
фиг.1a схематически изображает действия генератора пьезоэлектрического элемента, известного в данной области техники.
Фиг.2 схематически изображает устройства для выработки, выпрямления и накопления электрического сигнала.
Фиг.3 схематически изображает пьезоэлектрический преобразователь согласно примерному варианту осуществления изобретения.
Фиг.4a схематически изображает коробчатый пьезоэлектрический преобразователь согласно предпочтительному варианту осуществления изобретения.
Фиг.4b схематически изображает удлиненный PZT-преобразователь согласно еще одному варианту осуществления настоящего изобретения.
Фиг.5 схематически изображает систему сбора энергии, реализованную на железнодорожных путях, согласно примерному варианту осуществления настоящего изобретения.
Фиг.6 схематически изображает вид сбоку реализации системы для сбора энергии согласно примерному варианту осуществления изобретения.
Фиг.7 схематически изображает поперечный разрез реализации системы сбора энергии согласно варианту осуществления настоящего изобретения.
Фиг.8 схематически изображает еще один поперечный разрез реализации системы сбора энергии согласно варианту осуществления настоящего изобретения.
ОПИСАНИЕ ПРЕДПОЧТИТЕЛЬНЫХ ВАРИАНТОВ ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ
Настоящее изобретение относится к устройству, системе и способу сбора энергии железнодорожных путей с использованием пьезоэлектрического генератора.
Прежде подробного разъяснения по меньшей мере одного варианта осуществления изобретения должно быть осознано, что изобретение не ограничено в своем применении деталями конструкции и компоновкой компонентов, изложенными в последующем описании или проиллюстрированными на чертежах. Изобретение допускает другие варианты осуществления или осуществимо на практике либо выполнимо различными способами. Кроме того, должно быть понятно, что фразеология и терминология, примененные в материалах настоящей заявки, предназначены для целей описания и не должны рассматриваться в качестве ограничивающих.
Чертежи в целом не устанавливают масштаб. Некоторые необязательные части были показаны с использованием пунктирных линий.
Для ясности несущественные элементы были опущены из некоторых чертежей.
Используемые в материалах настоящей заявки элемент или этап, изложенные в единственном числе и с артиклем единственного числа, должны пониматься в качестве неограничивающих множественных элементов или этапов, если такое исключение не изложено в прямой форме.
Фиг.1 схематически изображает действия генератора пьезоэлектрического элемента, известного в данной области техники и который обсужден в разделе уровня техники.
Фиг.1a(i) изображает диск 110 PZT, показывая направление его поляризации в отсутствие внешней силы. В этом случае вольтметр 120 показывает отсутствие вырабатываемого заряда.
Фиг.1a(ii) и 1a(iii) показывает тот же самый диск 110 PZT с силами сжатия и расширения, соответственно приложенными к нему. В этом случае вольтметр 120 показывает, соответственно, положительный и отрицательный выработанный заряд.
Фиг.1b(i) изображает одиночный элемент 110 PZT, подобный изображенному на фиг.1a. На этой фигуре помечены длина «L» элемента и его площадь «A» поверхности.
Фиг.1b(ii) изображает многоэлементную пьезокерамическую стопу, содержащую n пьезокерамических дисков 111(1)-111(n), каждый из которых имеет по существу одинаковую толщину t и площадь «A» поверхности. В этом случае все пьезокерамические диски 111(1)-111(n) поляризованы в одном и том же направлении и все электрически соединены параллельно. Электрическому изолятору необходимо быть вставленным между контактными электродами соседних элементов.
Отдача заряда возникает на соединителях 113(+) и 113(-). Для удобства эти соединители могут называться как «верхний электрод» и «нижний электрод» соответственно.
Фиг.1b(iii) изображает многоэлементную пьезокерамическую стопу, содержащую n пьезокерамических дисков 112(1)-112(n), каждый из которых имеет по существу одинаковую толщину и площадь поверхности. В этом случае все пьезокерамические диски 111(1)-111(n) поляризованы в противоположном направлении, как показано стрелками. Общие электроды предпочтительно используются между поверхностями соседних элементов.
Отдача заряда возникает на соединителях 114(+) и 114(-). Для удобства эти соединители могут называться как «верхний электрод» и «нижний электрод» соответственно.
ПЬЕЗОЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ГЕНЕРАТОРЫ
Важной областью применения для пьезоэлектрической керамики является преобразование механической энергии в электрическую энергию, и этот раздел описывает условия, при которых пьезокерамический элемент должен использоваться, чтобы преобразовывать максимальное количество энергии.
Пьезокерамический цилиндр может вырабатывать напряжения, которые достаточно высоки, чтобы пропускать искровой разряд через зазор электродов, и такие искровые разряды могут использоваться для воспламенения горючих газов, например, в зажигалках или газовых плитах.
Более того, часть энергии, выработанной пьезокерамическим преобразователем, может накапливаться в конденсаторе и может использоваться для питания схемы, как может быть видно на фиг.2.
1
В устройствах выработки и накопления, изображенных на фиг.2, заряд, выработанный пьезоэлектрическим преобразователем, накапливается в устройстве накопления энергии, таком как конденсатор. Выпрямитель, схематически изображенный диодом D, удерживает накопленный заряд на конденсаторе до тех пор, пока он не расходуется использующей энергию нагрузкой.
Фиг.2(i) изображает однополупериодный диодный выпрямитель, в то время как фиг.2(ii) показывает двухполупериодный выпрямитель, содержащий мост из четырех диодов.
Фиг.2(i) изображает систему 200(i) сбора энергии, использующую однополупериодный диодный выпрямитель D1. Хотя пьезокерамический преобразователь на обеих фиг.2a и 2b выглядит в качестве одиночного элемента, имеющего верхний электрод 211 и нижний электрод 212, пьезокерамический преобразователь может быть многоэлементной конструкцией, такой как изображенная на фиг.1b(ii) или, предпочтительно, как изображенная на фиг.1b(iii).
Выпрямительный диод D1 предохраняет электрический заряд, накопленный на конденсаторе Cρ, от возврата в преобразователь, как только нагрузка снята с упомянутого преобразователя. Таким образом, заряд на конденсаторе Cρ остается до тех пор, пока он не израсходован нагрузкой, присоединенной к выходу 220(i) нагрузки.
Фиг.2(ii) изображает систему 200(ii) сбора энергии, использующую двухполупериодный выпрямитель, содержащий мост FR из четырех диодов.
Выпрямительный мост FR, содержащий четыре диода, направляет заряд, выработанный обеими силами, сжатия и растяжения, прикладываемыми к пьезокерамическому преобразователю, в конденсатор Cρ. Выпрямительный мост FR предохраняет электрический заряд, накопленный на конденсаторе Cρ, от возврата в преобразователь, как только нагрузка снята с упомянутого преобразователя. Таким образом, заряд на конденсаторе Cρ остается до тех пор, пока он не израсходован нагрузкой, присоединенной к выходу 220(ii) нагрузки, однако должно быть ясно видно, что система 200(ii) лучше использует выработанный заряд и, таким образом, имеет более высокую эффективность использования энергии.
Фиг.3 схематически изображает пьезоэлектрический преобразователь согласно примерному варианту осуществления изобретения.
Фиг.3(i) изображает вид в изометрии представления пьезоэлектрического преобразователя 300, показывая верхний электрод 310 и нижний электрод 311.
Составной диск, изготовленный из пьезоэлектрических стержней 320, соединенных эпоксидной или другой связующей смолой 321, схематично изображен на поперечном разрезе, видимом на фиг.3(ii), и вертикальном поперечном разрезе, видимом на фиг.3(iii). Например, связующее вещество может быть термопластичным полимером, резиной либо другим натуральным или синтетическим эластичным материалом.
Каждый стержень может быть изготовлен из множества слоев одной структуры, как показано на фиг.1b(i), 1b(ii) или 1b(iii).
Предпочтительно, электроды всех стержней являются n параллельно присоединенными к верхнему и нижнему электроду, как изображено на фиг.3 (iii).
Специалисту должно быть ясно, что круглая форма преобразователя и стержней, положение стержней и соотношение размеров преобразователя предназначены только для наглядного представления и реальные параметры должны выбираться согласно применению с учетом требований, таких как имеющиеся в распоряжении пространство, нагрузка и т.д.
Фиг.4a схематически изображает коробчатый пьезоэлектрический преобразователь 400 согласно предпочтительному варианту осуществления изобретения. Составная коробка изготовлена из пьезоэлектрических стержней 420, соединенных эпоксидной или другой связующей смолой 421, как схематически показано на данной фигуре. Хотя стержни изображены в качестве имеющих квадратное поперечное сечение, могут использоваться цилиндрическая и другие формы.
2
2
Типичные размеры для преобразователя 400 в 14×14 см и высотой 2 см даны в качестве примера. В варианте осуществления изобретения используется массив из 24×24 стержней, каждый из которых имеет размеры приблизительно 4×4 см и высоту 2 см. Для простоты только несколько стержней показаны на данной фигуре. Могут использоваться другие формы и размеры. Размеры, количество, форма и конфигурация массива стержней могут меняться и оптимизируются, главным образом, для минимизации производственных затрат и для эффективности выработки энергии.
Предпочтительно, отношение активного пьезоэлектрического материала к наполнению связующего материала имеет значение приблизительно 50%. Однако может использоваться большее или меньшее отношение. Типично материал матрицы является более мягким, чем пьезоэлектрический материал. Каждый стержень может быть изготовлен из единой структуры или множества слоев. Предпочтительно, электроды всех стержней являются n параллельно присоединенными к верхнему и нижнему электроду (не показано на данной фигуре).
В испытательном устройстве отношение активного пьезоэлектрического материала к наполнению связующего материала имеет значение приблизительно 64%. Однако может использоваться большее или меньшее отношение. Предпочтительно, соотношение матрицы имеет значение от 30% до 40%.
В испытательном устройстве небольшого размера массив из 8×8 (всего 64) пьезоэлектрических стоп был встроен в матрицу, при этом каждая стопа занимает 4×4 мм и высоту 20 мм. Однако реальный преобразователь, который должен использоваться в железнодорожном применении, предпочтительно имел бы размеры, сопоставимые с соединительным элементом рельс-шпала. Таким образом, количество пьезоэлектрических стоп и их размер могут быть изменены.
Типично матрица является более мягкой, чем пьезоэлектрический материал. Каждый стержень может быть изготовлен из множества слоев, как известно в данной области техники. Предпочтительно, каждый стержень имеет многослойную структуру, как изображено на фиг.1b(iii).
Предпочтительно, электроды всех стержней являются n параллельно присоединенными к верхнему и нижнему электроду (не показано на данной фигуре).
В испытательном устройстве каждый стержень PZT имеет высоту 20 мм. Типично напряжение поляризации имеет порядок 50000 вольт на 1 см. Использование этой технологии поляризации потребовало бы 100000 вольт, которые могут приводить к искрению и делать необходимым источник очень высокого напряжения. Согласно предпочтительному варианту осуществления изобретения множество стержней были соединены параллельно и помещены в печь и нагревались до температуры, близкой или предпочтительно выше температуры Кюри (приблизительно 300°C для используемой керамики). Использовалось напряжение поляризации всего лишь от 10000 до 15000 В/см (всего ~ от 20000 до 30000 В). Предпочтительно, стержни охлаждались до комнатной температуры под напряжением поляризации. Затем стержни собирались в конструкцию преобразователя заливкой связующего вещества.
Фиг.4b схематически изображает удлиненный PZT-преобразователь согласно еще одному варианту осуществления настоящего изобретения.
Удлиненный PZT-преобразователь 460 содержит тонкую полосу пьезоэлектрического материала 462. Верхний электрод 464 и нижний электрод 466 нанесены на две противоположные большие поверхности полосы 462.
Опционально весь преобразователь 460 заключен в предохранительный кожух. В этом случае электрические провода, присоединенные к верхнему и нижнему электродам, проходят от защитного слоя.
Опционально только одна из двух больших поверхностей покрывается защитным слоем.
Предпочтительно, преобразователь 460 является гибким и может адаптироваться к форме железнодорожного рельса, к которому должна быть приклеена одна из его больших поверхностей.
Клей может наноситься на защитный слой в случае, в котором защищены обе большие поверхности. В качестве альтернативы незащищенная большая поверхность приклеивается к рельсу.
В одном варианте осуществления проводящий клей используется для приклеивания по меньшей мере некоторой части незащищенных электродов, таким образом создавая электрический контакт между рельсом и упомянутым незащищенным электродом. В этих вариантах осуществления рельс используется в качестве общего проводника для множества таких преобразователей.
В других вариантах осуществления, в которых обе большие поверхности защищены, провод, присоединенный к верхнему электроду 464 или нижнему электроду 466, электрически присоединяется к упомянутому рельсу. В этих вариантах осуществления рельс используется в качестве общего проводника для множества таких преобразователей.
Пьезоэлектрический материал 462 поляризуется из условия, чтобы, когда преобразователь 460 растягивается вдоль своего продольного измерения или сжимается, вырабатывался электрический заряд и появлялся между верхним электродом 464 и нижним электродом 466.
Как будет видно на фиг.6, 7 и 8, удлиненные PZT-преобразователи, подобные удлиненному PZT-преобразователю 460, должны прикрепляться к железнодорожному рельсу в различных местах. Точные размеры удлиненного PZT-преобразователя, таким образом, зависят от места, в которое он крепится. В целом, привычно изготавливать удлиненные PZT-преобразователи с длиной до 50 см, шириной до 20 см и толщиной до нескольких мм. Узкие полосы иногда отрезаются от больших листов пьезоэлектрического материала.
Фиг.5 схематически изображает вид сверху системы 500 для сбора энергии, реализованной на железнодорожных путях 505, согласно примерному варианту осуществления настоящего изобретения.
В изображенных вариантах осуществления множество устройств генерирования энергии (в целом помеченных как 580, 582, 585 и 586) прикреплено к рельсам 520 или к шпалам 560, как будет изображено на следующих фигурах.
Предпочтительно, генераторы 580, 582, 585 или 586 энергии являются пьезоэлектрическими преобразователями, как изображено на фиг.3, 4a или 4b.
В предпочтительном варианте осуществления устройства генерирования энергии расположены через равные промежутки, ассоциативно связанные с одним или, предпочтительно, обоими рельсами 520.
Электрические кабели 503, присоединенные к устройствам генерирования энергии, используются для передачи выработанной энергии в блок 501 регулирования потребления энергии, при этом опционально несколько кабелей 503 объединяются в один кабель 502 питания, присоединенный к упомянутому блоку 501 регулирования потребления энергии. Приведенная в нужное состояние энергия затем передается кабелем 593 в систему 565 использования энергии. Опционально система 500 дополнительно содержит необязательный накопитель 555 энергии.
Энергия расходуется системой 585 использования энергии. Опционально система 565 использования энергии расположена поблизости от блока 501 регулирования потребления энергии и необязательного накопителя 555 энергии.
Например:
Энергия может использоваться для освещения железнодорожной станции ночью. В этом случае энергия, выработанная и накопленная в течение дня, может использоваться следующей ночью, когда вагонопоток может быть слишком небольшим для обеспечения полной потребности в электроэнергии.
Семафоры и знаки на обочинах железной дороги могут питаться энергией, особенно в удаленных и ненаселенных местоположениях и распутьях, где себестоимость обеспечения питания с использованием линий электропередачи от магистральной электрической сети может быть высокой. Другие применения могут состоять в том, чтобы питать блоки экстренной связи; базовые станции мобильной связи и придорожные рекламные объявления.
Так как электромобили становятся популярными, существует растущая потребность в придорожных зарядных станциях для аккумуляторных батарей. Может использоваться энергия, собранная с проходящих вагонов.
Выработанная энергия может направляться обратно для питания электропоезда, таким образом снижая расходы на электроэнергию и повышая эффективность. Точнее, собранную энергию не требуется транспортировать далеко, и она может использоваться для питания того же самого поезда, который ее вырабатывал.
В некоторых вариантах осуществления вся выработанная мощность или дополнительная мощность, оставшаяся после того, как была удовлетворена местная потребность в электроэнергии, экспортируется в магистральную электрическую сеть за плату, выплачиваемую электрической компанией, с использованием необязательного соединения 575. В этих вариантах осуществления блок регулирования потребления энергии может преобразовывать выработанную электроэнергию в высокое напряжение, используемое в линиях электропередачи высокого напряжения. В этих вариантах осуществления необязательное присоединение 507 к магистральной сети может использоваться в качестве резервного источника питания, который должен использоваться локально, когда движение транспорта истощено.
В одном из вариантов осуществления каждый кабель 503 изготовлен из двух проводов и все устройства генерирования энергии соединены параллельно. В качестве альтернативы, устройства генерирования энергии соединены последовательно. Комбинация параллельного и последовательного соединения также возможна.
В некоторых вариантах осуществления рельс 520 используется в качестве одного из проводников. В этих случаях кабель 502 питания содержит проводник, присоединенный к рельсу 520.
В некоторых вариантах осуществления электрическое выпрямление выполняется на каждом устройстве генерирования энергии или на группе устройств генерирования энергии и выпрямленный электрический сигнал передается кабелем.
Блок 501 регулирования потребления энергии может включать в себя преобразование и регулирование напряжения, необходимые для преобразования выработанного электрического сигнала в полезную форму.
Например, блок 501 регулирования потребления энергии может содержать преобразователь постоянного тока (DC) в переменный ток (AC), преобразующий выпрямленный выработанный сигнал в мощность переменного тока, готовую для питания устройств, сконструированных, чтобы питаться от обычной бытовой магистральной электрической сети.
В предпочтительном варианте осуществления блок 501 регулирования потребления энергии расположен в центре и обслуживает отрезок железной дороги, например 1 км железной дороги. Должно быть принято во внимание, что оптимизация расстояния между устройствами выработки энергии и блоками регулирования потребления энергии зависит от себестоимости прокладки кабеля, себестоимости устройств, потерь энергии в кабелях и т.д.
Предпочтительно, изображенная система сбора энергии продублирована вдоль железной дороги для дополнительного сбора энергии.
Следует отметить, что изображенный пример реализации в однопутной железной дороге на данной фигуре предназначен только для демонстрации и для целей простоты. Система может использоваться на однопутных или многопутных железных дорогах.
Фиг.6 схематически изображает вид сбоку реализации системы 500 для сбора энергии согласно примерному варианту осуществления изобретения.
Вид сбоку, изображенный на фиг.6, показывает шпалы 560, лежащие на гравии 570.
Тонкий упругий (резиновый) слой 540 предпочтительно помещен между шпалой 560 и креплением 550. Шайба 527, сжатая винтом 523 и гайкой 525, удерживает рельс 520 по отношению к креплению 550 и шпале 560.
На этом виде сбоку изображены местоположения маловозможных мест для удлиненных пьезокерамических преобразователей, таких как изображенные на фиг.4b.
Опционально, удлиненный пьезокерамический преобразователь 584 приклеивается или крепится к нижней грани рельса 520. В этом случае преобразователи 584 достаточно коротки, чтобы подходить к промежуткам между соседними шпалами 560.
Опционально, удлиненные пьезокерамические преобразователи 586a и 586b (только один преобразователь, 586a, виден на данной фигуре) приклеены или прикреплены к правой и левой грани соответственно подошвы рельса 520. В этом случае преобразователи 586 достаточно коротки, чтобы подходить к промежуткам между соседними шпалами 560. В качестве альтернативы используется только один из удлиненных пьезокерамических преобразователей 586a и 586b.
Опционально, удлиненные PZT-преобразователи 580a и 586b (только один преобразователь, 580a, виден на данной фигуре) приклеены или прикреплены к правой и левой грани соответственно головки рельса 520. В этом случае преобразователи 580 могут быть длиннее, чем промежутки между соседними шпалами 560. В качестве альтернативы, используется только один из удлиненных пьезокерамических преобразователей 580a и 586b.
Пунктирные линии A1 и A2 изображают места поперечных разрезов, видимых на фиг.7 и фиг.8 соответственно.
Фиг.7 схематически изображает поперечный разрез по линии A1 реализации системы сбора энергии согласно варианту осуществления настоящего изобретения.
На этом поперечном разрезе виден пьезокерамический преобразователь, размещенный в углублении в шпале 560. Предпочтительно, пьезокерамический преобразователь 582 является типом, изображенным на фиг.3 и 4a.
Когда поезд проезжает по рельсу 520, механическое напряжение, вызванное весом поезда, передается через рельс 520, крепление 550 и эластомерный слой 540 и нажимает на пьезокерамический преобразователь 582, заставляя вырабатываться заряд в упомянутом преобразователе.
Необязательные местоположения удлиненных преобразователей 580a и 580b у основания головки рельса также изображены на данной фигуре.
В примерном варианте осуществления настоящего изобретения ширина удлиненных преобразователей 580a и 580b имеет значение приблизительно 1,5 см, чтобы подходить к относительно плоским участкам под головкой рельса. В примерном варианте осуществления настоящего изобретения длина удлиненных преобразователей 580a и 580b определяется максимальной длиной преобразователя, который может производиться с точки зрения экономики. Длина удлиненных преобразователей 580a и 580b может быть большей, чем промежутки между шпалами. Опционально, рельс используется в качестве общего электрода или в качестве общего проводника для множества преобразователей 580a и 580b.
Когда поезд переезжает удлиненные преобразователи 580a и 580b, рельс деформируется и прогибается вниз под весом поезда, заставляя преобразователи 580a и 580b растягиваться, таким образом вызывая вырабатывание заряда в упомянутых преобразователях.
Фиг.8 схематически изображает еще один поперечный разрез по линии A2, пересекающий промежуток между шпалами, реализации системы сбора энергии согласно варианту осуществления настоящего изобретения.
Опционально, удлиненный пьезокерамический преобразователь 584 приклеивается или крепится к нижней грани рельса 520. В этом случае преобразователи 584 достаточно коротки, чтобы подходить к промежуткам между соседними шпалами.
Опционально, удлиненные пьезокерамические преобразователи 586a и 586b приклеиваются или прикрепляются к правой и левой грани соответственно подошвы рельса 520. В этом случае преобразователи 586 достаточно коротки, чтобы подходить к промежуткам между соседними шпалами 560. В качестве альтернативы, используется только один из удлиненных пьезокерамических преобразователей 586a и 586b.
В примерном варианте осуществления настоящего изобретения ширина удлиненного преобразователя 584 имеет значение приблизительно 14 см, чтобы подходить к относительно плоским участкам на подошве рельса. В примерном варианте осуществления настоящего изобретения длина удлиненного преобразователя 584 определяется свободным пространством между шпалами приблизительно в 30 см.
Фиг.8 также показывает удлиненные преобразователи 580a и 580b, уже показанные на фиг.7.
Опционально, удлиненные пьезокерамические преобразователи 586a и 586b приклеиваются или прикрепляются к правой и левой грани соответственно подошвы рельса 520. В этом случае преобразователи 586 предпочтительно короче, чем промежутки между соседними шпалами. В качестве альтернативы, используется только один из удлиненных пьезокерамических преобразователей 586a и 586b.
В примерном варианте осуществления настоящего изобретения ширина удлиненного преобразователя 586 имеет значение приблизительно 5 см, чтобы подходить к относительно плоским участкам на верхней стороне подошвы рельса. В примерном варианте осуществления настоящего изобретения длина удлиненного преобразователя 586 определяется свободным пространством между шпалами приблизительно в 30 см.
Когда поезд переезжает удлиненные преобразователи, рельс деформируется и прогибается вниз под весом поезда, заставляя преобразователи 580a, 580b и 584 растягиваться и заставляя 586a, 586b сжиматься, таким образом вызывая вырабатывание заряда в упомянутых преобразователях.
Должно быть отмечено, что энергия может вырабатываться не только деформацией растяжения и сжатия, обусловленной движением поезда, но также и вследствие шума и вибрации, вызываемых проходящим поездом, а также деформаций и механических напряжений, вызванных поездом, движущимся по близлежащему пути.
Должно быть принято во внимание, что некоторые признаки изобретения, которые для ясности описаны в контексте отдельных вариантов осуществления, также могут быть предусмотрены в комбинации в одиночном варианте осуществления. Наоборот, различные признаки изобретения, которые для краткости описаны в контексте одиночного варианта осуществления, также могут быть предусмотрены отдельно или в любой подходящей подкомбинации.
Хотя изобретение было описано в сочетании с его отдельными вариантами осуществления, очевидно, что многие альтернативы, модификации и варианты будут очевидны для специалистов в данной области техники. Соответственно, предполагается, что оно охватывает все такие альтернативы, модификации и варианты, которые подпадают под сущность и обширный объем прилагаемой формулы изобретения. Все упомянутые публикации, патенты и заявки на патенты включены в данное описание изобретения посредством ссылки во всей своей полноте в такой же мере, как если бы каждая отдельная публикация, патент или заявка на патент была конкретно и отдельно указана включенной в материалы настоящей заявки посредством ссылки. В дополнение, цитирование, или идентификация, или любая ссылка в этой заявке не должна истолковываться в качестве допущения, что такая ссылка пригодна в качестве предшествующего уровня техники по отношению к настоящему изобретению.