本實(shí)用新型涉及道路振動(dòng)能量及超材料技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種基于三維超材料的路面振動(dòng)能量回收發(fā)電裝置。

背景技術(shù)：

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(zhì)的用于聲學(xué)的人造材料。超材料的波匯聚特性在振動(dòng)能量吸收方面展現(xiàn)了極大的應(yīng)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(shí)現(xiàn)全向性振動(dòng)波匯聚，應(yīng)用前景更加廣闊。

現(xiàn)代社會(huì)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(chǎn)生的振動(dòng)能量作為一種新型的新能源引起人們極大的關(guān)注，一經(jīng)提出便很快在道路振動(dòng)能量中被轉(zhuǎn)化利用。

截止2013年，我國(guó)公路里程達(dá)到423萬公里，汽車保有量達(dá)到1.37億輛，形成了全國(guó)高速公路日機(jī)動(dòng)車平均交通量21305輛，汽車保有量年增長(zhǎng)率14％，科技部規(guī)劃2020-2030年混合動(dòng)力汽車和純電動(dòng)汽車占50％的背景下，如果把我國(guó)車輛-道路形成的動(dòng)載荷循環(huán)產(chǎn)生的振動(dòng)能量有效的收集起來轉(zhuǎn)化為電能，其應(yīng)用前景將大為廣闊，可真正實(shí)現(xiàn)能源的替代。

2012年Climente等在《Applied Physics Letters》上設(shè)計(jì)出全向性聲學(xué)超材料，并對(duì)其進(jìn)行了仿真研究；同年，Scientific American Online也在線報(bào)道了構(gòu)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(zhuǎn)化方面展現(xiàn)了極大的應(yīng)用前景。

瀝青路面的軸向振動(dòng)及結(jié)構(gòu)振動(dòng)的頻率通常在0-50Hz，要滿足瀝青路面振動(dòng)能量高效率回收，還要匹配路面瀝青厚度尺寸，同時(shí)振動(dòng)回收系統(tǒng)還要具有封裝性及壓實(shí)抵抗力，而近幾年出現(xiàn)的超材料能夠?qū)崿F(xiàn)全向性聲波匯聚使上述問題迎刃而解。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本實(shí)用新型的目的在于提供一種基于三維超材料的路面振動(dòng)能量回收發(fā)電裝置，以解決交通路面的噪音震動(dòng)能量回收的問題。

為實(shí)現(xiàn)上述目的，本實(shí)用新型采用以下技術(shù)方案：

一種基于三維超材料的路面振動(dòng)能量回收發(fā)電裝置，包括多懸臂梁環(huán)形結(jié)構(gòu)、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(huán)形結(jié)構(gòu)設(shè)置在上半球殼和下半球殼組成的中空球體內(nèi)部；

多懸臂梁環(huán)形結(jié)構(gòu)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(shè)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(cè)，且指向下半球殼上表面的圓心；半圓盤的另一側(cè)沿著半圓盤弧等間距設(shè)置有若干個(gè)懸臂梁固定端，每個(gè)懸臂梁固定端上垂直設(shè)置有基板，每個(gè)基板的上下表面均固定設(shè)置有壓電陶瓷。

進(jìn)一步的，基板的型號(hào)為SUS301，其楊氏模量為193GPa。

進(jìn)一步的，每個(gè)基板的固定方向均不相同；每個(gè)基板的厚度均不相同，基板長(zhǎng)度范圍為0.1-0.5mm。

進(jìn)一步的，壓電陶瓷為PZT-5H。

進(jìn)一步的，每個(gè)壓電陶瓷的長(zhǎng)度均不相同，厚度為0.2mm。

進(jìn)一步的，懸臂梁固定端內(nèi)設(shè)置有全橋整流電路；懸臂梁固定端上還連接有導(dǎo)線；上半球殼上設(shè)置有貫穿上半球殼的導(dǎo)線槽，懸臂梁固定端上的導(dǎo)線從導(dǎo)線槽中引出。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本實(shí)用新型有以下技術(shù)效果：

本實(shí)用新型的三維超材料球殼能實(shí)現(xiàn)全向性的振動(dòng)波匯聚，能最大化地回收路面振動(dòng)波能量，多懸臂梁環(huán)形結(jié)構(gòu)能夠最有效的轉(zhuǎn)化電能；在減少頻繁振動(dòng)對(duì)路面損傷的同時(shí)還能將其轉(zhuǎn)化為電能，從而實(shí)現(xiàn)了能量的有效利用。三維超材料結(jié)構(gòu)的尺寸、承受壓力能夠匹配瀝青路面厚度，對(duì)多懸臂梁環(huán)形結(jié)構(gòu)具有保護(hù)性；同時(shí)能起到隔振作用，減小了瀝青路面內(nèi)部的振動(dòng)傳播，延緩了瀝青路面的疲勞損壞。

附圖說明

圖1為本實(shí)用新型基于三維超材料的路面振動(dòng)能量回收發(fā)電裝置的主視圖；

圖2為本實(shí)用新型基于三維超材料的路面振動(dòng)能量回收發(fā)電裝置的俯視圖；

圖3為本實(shí)用新型路面下安裝示意圖。

其中：1-上半球殼；2-下半球殼；3-多懸臂梁環(huán)形結(jié)構(gòu)；4-壓電懸臂梁；5-全橋整流電路；6-壓電陶瓷；7-基板；8-導(dǎo)線槽；

具體實(shí)施方式

以下結(jié)合附圖，對(duì)本實(shí)用新型進(jìn)一步說明：

請(qǐng)參閱圖1和圖2，一種基于三維超材料的路面振動(dòng)能量回收發(fā)電裝置，包括多懸臂梁環(huán)形結(jié)構(gòu)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(huán)形結(jié)構(gòu)3設(shè)置在上半球殼1和下半球殼2組成的中空球體內(nèi)部；

多懸臂梁環(huán)形結(jié)構(gòu)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(shè)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(cè)，且指向下半球殼2上表面的圓心；半圓盤的另一側(cè)沿著半圓盤弧等間距設(shè)置有若干個(gè)懸臂梁固定端，每個(gè)懸臂梁固定端上垂直設(shè)置有基板7，每個(gè)基板7的上下表面均固定設(shè)置有壓電陶瓷6。

基板7的型號(hào)為SUS301，其楊氏模量為193GPa。

每個(gè)基板7的固定方向均不相同；每個(gè)基板7的厚度均不相同，基板7長(zhǎng)度范圍為0.1-0.5mm。

壓電陶瓷6為PZT-5H。

每個(gè)壓電陶瓷6的長(zhǎng)度均不相同，厚度為0.2mm。

懸臂梁固定端內(nèi)設(shè)置有全橋整流電路5；懸臂梁固定端上還連接有導(dǎo)線；上半球殼1上設(shè)置有貫穿上半球殼1的導(dǎo)線槽，懸臂梁固定端上的導(dǎo)線從導(dǎo)線槽中引出。

請(qǐng)參閱圖3，若干個(gè)該裝置并排放置在瀝青路面下，通過導(dǎo)線將若干個(gè)該裝置并聯(lián)連接起來；

工作原理包括以下步驟：

1)將若干個(gè)該裝置并排放置在瀝青路面下，通過導(dǎo)線將若干個(gè)該裝置并聯(lián)連接起來；

2)當(dāng)有車輛壓過埋設(shè)有該裝置的瀝青路面時(shí)，不同頻段的振動(dòng)波入射，上半球殼1和下半球殼2會(huì)將各個(gè)方向的不同頻段的振動(dòng)波匯聚到球內(nèi)，匯聚到一起的振動(dòng)波使球內(nèi)的每個(gè)壓電懸臂梁4產(chǎn)生振動(dòng)，根據(jù)正壓電效應(yīng)，產(chǎn)生電流；

3)產(chǎn)生的電流通過懸臂梁固定端內(nèi)的全橋整流電路將交流電轉(zhuǎn)變?yōu)橹绷麟姡缓笸ㄟ^導(dǎo)線并聯(lián)將各個(gè)壓電懸臂梁4上產(chǎn)生的電流匯聚在一起。