Сбор энергии с дорог и взлетно-посадочных полос

Сбор энергии с дорог и взлетно-посадочных полос

Иллюстрации

Показать все

Реферат

Область техники, к которой относится изобретение

Настоящее изобретение относится к устройству, системе и способу сбора энергии на дорогах, автомагистралях, железных дорогах и взлетно-посадочных полосах 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-ых. 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 направление вне плоскости имеет другие свойства. 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, 176-1978], 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, В., Cook Jr., W.R., and H. Jaffe, 1971, «Piezoelectric Ceramics», Academic Press], выраженным в прикладной матричной записи как:

где D - электрическое смещение, S - деформация, Е - электрическое поле, Т - механическое напряжение, ε^T - постоянное механическое напряжение в (несжатом) диэлектрике, d - постоянная наведенной деформации, s^E - 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 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.1а 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 (Т) могут быть записаны как

и

где x - деформация, D - электрическое смещение, Е - электрическое поле, s - упругая податливость, g - коэффициент пьезоэлектрического напряжения, заданный в качестве

Здесь d - пьезоэлектрическая постоянная, 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 А - площадь), выходное напряжение (U) разомкнутой цепи керамики может быть вычислено из уравнения (3) и задано как

где t - толщина керамики. Заряд (Q), вырабатываемый в пьезоэлектрической керамике, может определяться из уравнения (2) и задан в качестве

или

где С - 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:

где V=A×t - объем пьезоэлектрического генератора.

При определенных экспериментальных условиях, для заданного материала постоянной площади и толщины, электрическая мощность зависит от отношения d²/ε^x материала.

Материал с высоким отношением d²/ε^х 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 осуществления общий электрод используется между двумя противоположно ориентированными слоями.

Обзорная статья «Advances In Energy Harvesting Using Low Profile Piezoelectric Transducers» by Shashank Priya; published in 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, No. 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, 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 статье «A Review of Power Harvesting from Vibration using Piezoelectric Materials»; by Henry A. Sodano, Daniel J. Inman and Gyuhae Park; published in The Shock and Vibration Digest, Vol. 36, No. 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 WO07038157A2 на патент; «Energy Harvesting Using Frequency Rectification» to 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.

Несколько патентов обсуждают сбор энергии с пьезоэлектрических элементов, встроенных в дорожные сети, патентная заявка US 2005/0127677 «Roadway generating electric power by incorporating piezoelectric materials» Jeffrey K. Luttrull, 25.01.2004, описывает последовательность операций для выработки электричества от движения автотранспорта с использованием множества пьезоэлектрических элементов. Патент GB 2389249; «Electricity generating abstract» Mark Colin Porter, 29.05.2002, описывает устройство сбора энергии с использованием пьезоэлектрических цилиндров, которые должны быть встроены в дорожные покрытия. Патент CN 1633009 «Method and system for piezoelectric power generation by using vibration energy of road system» University XI AN JIAOTONG; зарегистрированный 29.05.2005, также обсуждает сбор энергии из энергии вибрации дорожных сетей посредством использования пьезоэлектрических устройств.

Однако компоновка пьезоэлектрических элементов, упомянутых в противопоставленных патентных документах, не оптимизирована по коэффициенту полезного действия. Поэтому должно быть принято во внимание, что энергия деформации, создаваемая проезжающими транспортными средствами, будет теряться, делает необходимым улучшение коэффициента полезного действия в системе сбора энергии.

Сущность изобретения

Настоящее изобретение относится к устройству, системе и способу сбора энергии на дорогах и автомагистралях с использованием пьезоэлектрического генератора. Один из аспектов изобретения состоит в том, чтобы предложить систему для сбора энергии, содержащую: множество пьезоэлектрических устройств, способных вырабатывать электроэнергию, когда транспортное средство переезжает их местоположения; блок регулирования мощности; и электрические проводники, соединяющие упомянутые пьезоэлектрические устройства с упомянутым блоком регулирования мощности.

В некоторых вариантах осуществления пьезоэлектрические устройства встроены в дорогу.

В некоторых вариантах осуществления блок регулирования мощности дополнительно соединен с магистральной электрической сетью.

В некоторых вариантах осуществления блок регулирования мощности дополнительно соединен с блоком накопления энергии.

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 придорожным фонарям.

В некоторых вариантах осуществления блок регулирования мощности подводит электроэнергию к блоку сигнализации.

Еще один аспект изобретения состоит в том, чтобы предложить систему для сбора энергии, в которой упомянутые пьезоэлектрические устройства содержат множество стержней PZT, встроенных в связующее вещество.

В некоторых вариантах осуществления упомянутое связующее вещество является эпоксидной смолой.

В некоторых вариантах осуществления упомянутое связующее вещество может быть выбрано из группы связующих веществ, таких как термопластичный полимер, резина или другой натуральный или синтетический эластичный материал.

Еще один аспект изобретения состоит в том, чтобы предложить способ сбора энергии, включающий: встраивание множества пьезоэлектрических устройств, способных вырабатывать электроэнергию, в дорогу; соединение блока регулирования мощности с упомянутым множеством пьезоэлектрических устройств электрическими проводниками; при этом упомянутая электроэнергия вырабатывается, когда транспортное средство проезжает местоположения упомянутых пьезоэлектрических устройств.

В некоторых вариантах осуществления упомянутое встраивание основанной на пьезоэлектрических устройствах системы сбора энергии включает: размещение упомянутого множества пьезоэлектрических устройств и упомянутых электрических проводников поверх бетонного основания дороги; и укладку асфальта поверх упомянутых пьезоэлектрических устройств и упомянутых электрических проводников.

В некоторых вариантах осуществления упомянутое встраивание основанной на пьезоэлектрических устройствах системы сбора энергии включает: укладывание первого слоя асфальта поверх основания дороги; размещение упомянутого множества пьезоэлектрических устройств и упомянутых электрических проводников поверх упомянутого первого слоя асфальта; и укладывание второго слоя асфальта поверх упомянутых пьезоэлектрических устройств и упомянутых электрических проводников.

В некоторых вариантах осуществления упомянутое встраивание основанной на пьезоэлектрических устройствах системы сбора энергии включает: частичное снятие слоя асфальта с уже мощеной дороги с оставлением первого слоя асфальта; размещение упомянутого множества пьезоэлектрических устройств и упомянутых электрических проводников поверх упомянутого первого слоя асфальта; и укладывание второго слоя асфальта поверх упомянутых пьезоэлектрических устройств и упомянутых электрических проводников.

В некоторых вариантах осуществления упомянутое встраивание основанной на пьезоэлектрических устройствах системы сбора энергии включает: снятие слоя асфальта с уже мощеной дороги вдоль узкой канавки, параллельной продольному измерению упомянутой дороги; размещение упомянутого множества пьезоэлектрических устройств и упомянутых электрических проводников в упомянутой канавке; и укладывание асфальта поверх упомянутых пьезоэлектрических устройств и упомянутых электрических проводников, таким образом заполняя упомянутую канавку.

В некоторых вариантах осуществления упомянутое снятие слоя асфальта с уже мощеной дороги вдоль узкой канавки, параллельной продольному измерению упомянутой дороги, включает формирование канавки, достигающей бетонного основания упомянутой дороги.

В некоторых вариантах осуществления упомянутое снятие слоя асфальта с уже мощеной дороги вдоль узкой канавки, параллельной продольному измерению упомянутой дороги, включает формирование двух узких канавок, параллельных продольному измерению упомянутой дороги, на каждой полосе движения упомянутой дороги.

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 подразумеваются 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 без труда 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, при этом 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.1а и b схематически изображают действия генератора пьезоэлектрического элемента, известного в данной области техники.

Фиг.2а и b схематически изображают устройства для выработки, выпрямления и накопления электрического сигнала.

Фиг.3(i), (ii) и (iii) схематически изображают представления пьезоэлектрического преобразователя согласно примерному варианту осуществления изобретения.

Фиг.4 схематически изображает коробчатый пьезоэлектрический преобразователь согласно предпочтительному варианту осуществления изобретения.

Фиг.5 схематически изображает вид системы для сбора энергии, реализованной на проезжей части дороги, согласно примерному варианту осуществления настоящего изобретения.

Фиг.6 схематически изображает реализацию системы для сбора энергии и использования энергии согласно примерному варианту осуществления изобретения.

Фиг.7 схематически изображает реализацию системы сбора энергии в новой дороге, имеющей бетонное основание, во время мощения дороги согласно предпочтительному варианту осуществления настоящего изобретения.

Фиг.8 схематически изображает реализацию системы сбора энергии в новой дороге, не имеющей бетонного основания, во время мощения дороги согласно предпочтительному варианту осуществления настоящего изобретения.

Фиг.9 схематически изображает способ реализации системы сбора энергии в новой дороге, не имеющей бетонного основания, во время мощения дороги согласно предпочтительному варианту осуществления настоящего изобретения.

Фиг.10(а)-(d) схематически изображает способ реализации системы сбора энергии в существующей дороге, имеющей бетонное основание, согласно варианту осуществления настоящего изобретения. Фигуры изображают стадии последовательности операций переоборудования.

Фиг.11(а)-(d) схематически изображает способ реализации системы сбора энергии в существующей дороге, имеющей бетонное основание, согласно варианту осуществления настоящего изобретения. Фигуры изображают стадии последовательности операций переоборудования.

Фиг.12а схематически изображает вид сбоку в разрезе составного пьезоэлектрического генератора согласно еще одному аспекту настоящего изобретения.

Фиг.12b схематически изображает вид сбоку составного пьезоэлектрического генератора согласно еще одному аспекту настоящего изобретения.

Фиг.12 с схематически изображает вид сверху составного пьезоэлектрического генератора согласно еще одному аспекту настоящего изобретения.

Фиг.12а схематически изображает систему для сбора энергии с использованием составных пьезоэлектрических генераторов согласно примерному варианту осуществления настоящего изобретения.

Фиг.12е схематически изображает систему для сбора энергии с использованием составных пьезоэлектрических генераторов согласно примерному варианту осуществления настоящего изобретения.

Фиг.13 схематически изображает наклонное расположение пьезоэлектрического генератора согласно еще одному аспекту настоящего изобретения.

Фиг.14 схематически изображает вид спереди авиалайнера гражданского назначения, показывающий типичные размеры.

Фиг.15 схематически изображает отпечатки шин авиалайнера гражданского назначения, показывающие конфигурацию и типичные размеры колес.

Фиг.16а схематически изображает установку пьезоэлектрических генераторов энергии (PEG) на взлетно-посадочной полосе согласно примерному варианту осуществления изобретения.

Фиг.16b схематически изображает реализацию PEG на взлетно-посадочной полосе согласно примерным вариантам осуществления настоящего изобретения.

Фиг.17 схематически изображает коробчатый пьезоэлектрический преобразователь 1700 согласно еще одному предпочтительному варианту осуществления изобретения.

Описание предпочтительных вариантов осуществления

Настоящее изобретение относится к устройству, системе и способу сбора энергии на дорогах и автомагистралях 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.1а и b схематически изображают действия генератора пьезоэлектрического элемента, известного в данной области техники, и который обсужден в разделе уровня техники.

Фиг.1а(i) изображает диск 110 PZT, показывая направление его поляризации в отсутствие внешней силы. В этом случае вольтметр 120 показывает отсутствие вырабатываемого заряда.

Фиг.1а(ii) и 1a(iii) показывает тот же самый диск 110 PZT с силами сжатия и расширения, соответственно к нему приложенными. В этом случае вольтметр 120 показывает соответственно положительный и отрицательный выработанный заряд.

Фиг.1b(i) изображает одиночный элемент PZT, подобный изображенному на фиг.1а. Длина «L» элемента и его площадь «А» поверхности помечены на этой фигуре.

Фиг.1b(ii) изображает многоэлементную стопу PZT, содержащую n дисков PZT 111(l)-111(n), каждый из которых имеет по существу одинаковую толщину t и площадь «А» поверхности. В этом случае все диски PZT 111(l)-111(n) поляризованы в одном и том же направлении и все электрически соединены параллельно. Электрический изолятор необходимо вставить между контактными электродами соседних элементов.

Отдача заряда возникает на соединителях 113(+) и 113(-). Для удобства эти соединители будут указываться ссылкой как «верхний электрод» и «нижний электрод» соответственно.

Фиг.1b(iii) изображает многоэлементную стопу PZT, содержащую n дисков PZT 112(l)-112(n), каждый из которых имеет по существу одинаковую толщину и площадь поверхности. В этом случае все диски PZT 111(l)-111(n) поляризованы в противоположном направлении, как изображено стрелками. Общие электроды предпочтительно используются между поверхностями соседних элементов.

Отдача заряда возникает на соединителях 114(+) и 114(-). Для удобства соединители будут указываться как «верхний электрод» и «нижний электрод» соответственно.

Пьезоэлектрические генераторы

Важная область применения для PZT находится в преобразовании механической энергии в электрическую энергию, и данный раздел описывает условия, при которых PZT должен использоваться, чтобы преобразовывать максимальное количество энергии.

Цилиндр PZT 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 PZT-преобразователем, может накапливаться в конденсаторе и может использоваться для питания схемы, как может быть видно на фиг.2.

В устройствах генерирования и накопления, изображенных на фиг.2, заряд, выработанный пьезоэлектрическим преобразователем, накапливается в устройстве накопления энергии, таком как конденсатор. Выпрямитель, схематически изображенный диодом D₁, 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 PZT-преобразователь на фиг.2а и 2b показан в качестве одиночного элемента, имеющего верхний электрод 211 и нижний электрод 212, PZT-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 Ср, от возврата в преобразователь, как только нагрузка снята с упомянутого преобразователя. Таким образом, заряд на конденсаторе Ср 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 PZT-преобразователю, в конденсатор Сp. Выпрямительный мост FR предохраняет электрический заряд, накопленный на конденсаторе Сp, от возврата в преобразователь, как только нагрузка снята с упомянутого преобразователя. Таким образом, заряд на конденсаторе Сp 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(i), (ii) и (iii) схематически изображают виды пьезоэлектрического преобразователя согласно примерному варианту осуществления изобретения.

Фиг.3(i) изображает вид в изометрии пьезоэлектрического преобразователя 300, показывающий 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 демонстрации, и реальные параметры должны выбираться согласно применению с учетом требований, таких как имеющееся в распоряжении пространство, нагрузка, и т.д.

Фиг.4 схематически изображает имеющий форму гнезда пьезоэлектрический преобразователь 400 согласно предпочтительному варианту осуществления изобретения.

Составное гнездо изготовлено 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.

Типичные размеры 4×4 см и высота 2 см даны в качестве примера. Могут использоваться другие формы и размеры.

Предпочтительно, отношение активного пьезоэлектрического материала к наполнению связующего материала имеет значение приблизительно 50%. Однако может использоваться большее или меньшее отношение.

Типично, связующее вещество 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 связующего материала имеет значение от 30% до 40%.

В испытательном устройстве массив 8×8 (всего 64) пьезоэлектрических стоп был встроен в связующее вещество, при этом каждая стопа занимает 4×4 мм и высоту 20 мм.

Типично, связующее вещество является более мягким, 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 занимает 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 градусов Цельсия для используемой керамики). Использовалось напряжение поляризации всего лишь 5000 В/см (всего ~10000 В).

Предпочтительно, стержни охлаждались до комнатной температуры под напряжением поляризации.

Затем стержни собирались в конструкцию преобразователя заливкой связующего вещества.

Фиг.5 схематически изображает вид сверху системы 500 для сбора энергии, реализованной на двухполосной проезжей части 505 дороги, согласно примерному варианту осуществления настоящего изобретения. Разрез дороги 505 показан на увеличенном изображении.

В изображенных вариантах осуществления множество устройств 520 генерирования энергии встроено в дорогу. Предпочтительно, устройства 520 являются пьезоэлектрическими преобразователями, как изображенные на фиг.3 или фиг.4.

В предпочтительном варианте осуществления устройства 520 генерирования энергии расположены под дорожным покрытием через равные промежутки. Может быть выбрано осевое расстояние в 30 см, как изображено на увеличенном разрезе согласно фиг.5. Следует отметить, что расстояние между устройствами 520 генерирования энергии предпочтительно зависит от распространения деформации внутри дорожной конструкции и, таким образом, зависит от конструкции и материалов дороги. Обычно, расстояние между устройствами определяется оптимизацией выигрыша от собранной энергии и себестоимости системы, которая находится под влиянием стоимости монтажа и цены за пьезоэлектрическое устройство.

Предпочтительно, два ряда преобразователей размещены в каждой полосе движения проезжей части дороги, при этом каждый ряд расположен там, где вероятно должны проходить колеса проезжающих автомобилей. Электрические кабели 510, присоединенные к устройствам выработки энергии, используются для передачи выработанной энергии в блок 530 регулирования потребления энергии. Приведенная в нужное состояние энергия затем передается в систему 540 использования энергии.

В одном из вариантов осуществления каждый кабель 510 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 электрическое выпрямление выполняется на каждом устройстве генерирования энергии, или на группе устройств выработки энергии, и выпрямленный электрический сигнал передается кабелем.

Блок 530 регулирования потребления энергии может включать в себя преобразование и регулирование напряжения, необходимые для преобразования выработанного электрического сигнала в полезную форму.

Например, блок 530 регулирования потребления энергии может содержать преобразователь постоянного тока (DC) в переменный ток (АС), 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 530 регулирования потребления энергии расположен в центре и обслуживает отрезок дороги, например 1 км дороги. Должно быть принято во внимание, что оптимизация расстояния между устройствами генерирования 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 дороги для дополнительного сбора энергии.

В одном варианте осуществления ряды устройств генерирования энергии расположены скорее ближе к бордюру дороги, чем симметрично вокруг центра полосы движения, где автомобиль более вероятно должен проезжать по ним.

В другом варианте осуществления ряды устройств генерирования энергии расположены на средней осевой ширине обособленно друг от друга.

Следует отметить, что пример реализации двухполосной дороги на данной фигуре предназначен только для демонстрации и для простоты. При этом система может использоваться на однополосных или многополосных дорогах.

Фиг.6 схематически изображает реализацию системы 600 для сбора энергии и использования энергии согласно примерному варианту осуществления изобретения.

В изображенном варианте осуществления, энергия 610, выработанная устройствами генерирования энергии, встроенными в проезжую часть 605 дороги, преобразуется в электрическую мощность в полезной форме блок