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技术领域

本发明属于清洁能源技术领域，涉及一种利用压电薄膜将道路上达到一定强 度的噪声振动能量转换成电能并存储，在晚间点亮路灯为城市道路进行照明的装 置。

背景技术

城市道路两旁的灯光有着悠久的历史文化，显示出一个城市的文明与兴盛。 路灯不仅点亮了整座城市，更塑造出一座城市的艺术。城市道路照明是人们生活 不可或缺的一部分，对于完善城市功能以及提高人民生活质量都具有重大意义。

随着城市日新月异的现代化建设，城市路灯照明建设显得越来越不可忽视。 如今，在路灯的建设发展中，不仅要实现照明的最大化，还要求做到节能、环保、 以及高效率。

科学技术的不断进步，也使得公路照明种类的多样化，其中包括照明能量来 源的多样化，如太阳能、风能、潮汐能等。但是每种能量形式又具有各自的局限 性，当能量来源减少时，无法保证城市照明的正常使用。本发明从节能环保的角 度出发，收集城市汽车发出的噪声能量，并将其转化为电能，为城市道路两旁的 LED灯提供电能。

发明内容

本发明的目的是，为了克服背景技术中存在的问题，提供一种新型的路灯照 明系统，使用压电薄膜获取空气中的噪声资源，利用压电薄膜的对振动敏感的特 性，将微弱的噪声能量转换成电能量。收集到不稳定的噪声电压后，通过整流将 噪声交流电压变为直流电压，再利用稳压芯片将电压调节到一定限值之下，给超 级电容器充电。最后用超级电容器到的收集这些噪声能量给负载供电。

上述的目的通过以下的技术方案实现：

一种基于汽车噪声能量收集的城市道路照明系统，其结构有声电转换电路 1、整流电路2、储能电路3、稳压及照明电路4；

所述的声电转换电路1的结构为：按照前一个基本声电转换单元的输出端接 后一个基本声电转换单元的输入端的方式，将N个基本声电转换单元依次串联 连接，其中第一个基本声电转换单元的输入端作为声电转换电路1的一个输出 端，记为端口M1_OUT1，最后一个基本声电转换单元的输出端作为声电转换电 路1的另一个输出端，记为端口M1_OUT2，所述的N个基本声电转换单元结构 相同，每个基本声电转换单元由M个相同的压电薄膜和M个相同的电阻构成， 每个压电薄膜的正极与一个电阻的一端相连，M个压电薄膜的负极接在一起作 为所述的基本声电转换单元的输入端，M个电阻的另一端接在一起作为所述的 基本声电转换单元的输出端；所述的N和M均为大于等于15且小于等于30的 正整数；

所述的整流电路2的结构为：二极管D1的阳极与二极管D2的阴极相连， 作为整流电路2的一个输入端，记为端口M2_IN1，二极管D3的阳极与二极管 D4的阴极相连，作为整流电路2的另一个输入端，记为端口M2_IN2，其中端 口M2_IN1、端口M2_IN2分别与声电转换电路1的端口M1_OUT1、端口 M1_OUT2相连，二极管D1的阴极与二极管D3的阴极相连，作为整流电路2 的输出端，记为端口M2_OUT，与储能电路3中的开关K1的1脚相连，二极管 D2的阳极与二极管D4的阳极相连，且与电感L1的一端相连，电感L1的另一 端与储能电路3中的超级电容C1的负极相连，并接地；

所述的储能电路3的结构为：超级电容C1的负极接地，正极与开关K1的 3脚相连，开关K1的2脚与稳压及照明电路4的输入端，即端口M4_IN相连， 所述的开关K1是一个光控单刀双掷开关，其3个引脚的关系是：当光照强度超 过开关K1的阈值时，3脚与1脚接通，当光照强度小于开关K1的阈值时，3脚 与2脚接通；

稳压及照明电路4的结构为：芯片LM317的3脚与二极管D5的阴极相连， 作为稳压及照明电路4的输入端，记为端口M4_IN，接储能电路3中的开关K1 的2脚，芯片LM317的2脚与二极管D5的阳极相连，还与电感L2的一端、二 极管D6的阴极、电阻R5M的一端相连，芯片LM317的1脚与二极管D6的阳 极、电阻R5M的另一端及滑动变阻器R4M的一端相连，滑动变阻器R4M的另 一端接地，滑线端与电容C2的一端及发光二极管LED1的阴极相连，电容C2 的另一端与发光二极管LED1的阳极相连，并与电感L2的另一端相连。

在本发明的一种基于汽车噪声能量收集的城市道路照明系统中，所述的声电 转换电路1中的N和M的取值优选20。

在本发明的一种基于汽车噪声能量收集的城市道路照明系统中，各元件的型 号或参数优选为：声电转换电路1中的所有电阻为10kΩ，压电薄膜为MEAS公司 生产的PVDF压电薄膜，整流电路2中的二极管D1～D4均为IN5391，电感L1为 15uH，储能电路3中的超级电容C1为凯美瑞公司生产的0.22F/5.5V的组合型超 级电容器，稳压及照明电路4中的二极管D5和二极管D6均为IN4001，电阻 R5M为10kΩ，滑动变阻器R4M为W103，电容C2为10pF，电感L2为10uH， 发光二极管LED1为JTL-Y40-2。

本发明有以下有益效果：

1、本发明不需要外加电源，直接将道路上车辆产生噪声转换成电能驱动路 灯照明，节能环保。

2、本发明中所用的多个压电薄膜之间采取串并联结构设计，在为后级储能 电路充电时，既提高了驱动电流又提高了驱动电压。

3、本发明采用发光二极管作为照明光源，发光二极管耗电量极小且发光亮 度高，有效降低能耗，延长路灯的照明时间。

4、本发明采用超级电容存储能。超级电容器充电快，且不需要额外的充放 电控制，过充或者过放都不会影响超级电容器的性能，且具有电容量大、充放电 寿命长、能量密度大、性质稳定等优点。

5、本发明优选方案中采用了MEAS公司生产的一款PVDF压电薄膜，此薄 膜动态范围宽，达到0到280dB，频率范围从0.1Hz到100MHz，柔韧性良好， 理论上弯折2mm，单个薄膜最大能产生7V的电压，且灵敏度可达到15mV/με。

附图说明：

图1是本发明的整体结构框图。

图2是本发明的声电转换电路的结构构图。

图3是本发明的声电转换电路中每个基本声电转换单元的原理图。

图4是本发明的整流电路的原理图。

图5本发明的储能电路的原理图。

图6是本发明的稳压及照明电路的原理图。

具体实施方式

下面结合附图，进一步说明本发明各部分电路的具体结构。各实施例中，电 路元件优选的参数在各实施例后标注说明。

实施例1本发明的总体结构

本发明整体结构由声电转换电路1、整流电路2、储能电路3、稳压及照明 电路4四个部分组成。结构框图如图1所示。其中声电转换电路1将声能转化为 交流电，连接到整流电路2上，整流电路2将交流电转换为直流电压，连接到储 能电路3，储能电路3中的超级电容将能量储存起来，储能电路3中的开关K1 是一个光控单刀双掷开关，其3个引脚的关系是：当光照强度超过开关K1的阈 值时，3脚与1脚接通，当光照强度小于开关K1的阈值时，3脚与2脚接通， 因此在白天时，超级电容通过开关K1与整流电路2连通，整流电路2对超级电 容进行充电，在晚上时，超级电容通过开关K1与稳压及照明电路4连通进行放 电，驱动发光二极管进行照明。

实施例2声电转换电路

如图2所示，所述的声电转换电路1的结构为：按照前一个基本声电转换单 元的输出端接后一个基本声电转换单元的输入端的方式，将N个基本声电转换 单元依次串联连接，其中第一个基本声电转换单元的输入端作为声电转换电路1 的一个输出端，记为端口M1_OUT1，最后一个基本声电转换单元的输出端作为 声电转换电路1的另一个输出端，记为端口M1_OUT2。所述的N个基本声电转 换单元结构相同。如图3所示，每个基本声电转换单元由M个相同的压电薄膜 和M个相同的电阻构成，每个压电薄膜的正极与一个电阻的一端相连，M个压 电薄膜的负极接在一起作为所述的基本声电转换单元的输入端，M个电阻的另 一端接在一起作为所述的基本声电转换单元的输出端。M个压电薄膜并联在一 起，可有效提高对后级储能电路的充电电流，而N个基本声电转换单元串联在 一起，则可以有效提高充电电压，本实施例中N和M均取20。

本实施例中可采用的器件型号可以分别选取：所有的压电薄膜均采用MEAS 公司生产的PVDF压电薄膜，所有的电阻的取值均为10千欧。

实施例3整流电路

如图4所示，所述的整流电路2的结构为：二极管D1的阳极与二极管D2 的阴极相连，作为整流电路2的一个输入端，记为端口M2_IN1，二极管D3的 阳极与二极管D4的阴极相连，作为整流电路2的另一个输入端，记为端口 M2_IN2，其中端口M2_IN1、端口M2_IN2分别与声电转换电路1的端口 M1_OUT1、端口M1_OUT2相连，二极管D1的阴极与二极管D3的阴极相连， 作为整流电路2的输出端，记为端口M2_OUT，与储能电路3中的开关K1的1 脚相连，二极管D2的阳极与二极管D4的阳极相连，且与电感L1的一端相连， 电感L1的另一端与储能电路3中的超级电容C1的负极相连，并接地。

由于声电转换电路1在接收到公路上的噪声产生振动后，会产生交变的噪声 电信号，电压时正时负，而通过整流电路2则可以将正负交变的电信号转换成同 方向的电信号用来给储能电路3充电。

本实施例中采用的器件型号可以分别选取：整流二极管D1、D2、D3、D4 均采用IN5391，电感L1取值为15uH。

实施例4储能电路

如图5所示，所述的储能电路3的结构为：超级电容C1的负极接地，正极 与开关K1的3脚相连，开关K1的2脚与稳压及照明电路4的输入端，即端口 M4_IN相连，开关K1是一个光控单刀双掷开关，其3个引脚的关系是：当光照 强度超过开关K1的阈值时，3脚与1脚接通，当光照强度小于开关K1的阈值 时，3脚与2脚接通，因此在白天时，超级电容通过开关K1与整流电路2连通， 整流电路2对超级电容进行充电，在晚上时，超级电容通过开关K1与稳压及照 明电路4连通进行放电，驱动发光二极管进行照明。

上述实施例中可采用的器件型号可以分别选取：超级电容C1为凯美瑞公司 生产的0.22F/5.5V的组合型超级电容器，它的30min漏电(μA)/24h自放电是 100μA/V，串联等效电阻是1.2Ω，尺寸是7×13×13W×L×H(mm)±2，引线直径 是0.5mm±0.05mm。

实施例5稳压及照明电路

如图6所示，稳压及照明电路4的结构为：芯片LM317的3脚与二极管D5 的阴极相连，作为稳压及照明电路4的输入端，记为端口M4_IN，接储能电路3 中的开关K1的2脚，芯片LM317的2脚与二极管D5的阳极相连，还与电感 L2的一端、二极管D6的阴极、电阻R5M的一端相连，芯片LM317的1脚与 二极管D6的阳极、电阻R5M的另一端及滑动变阻器R4M的一端相连，滑动变 阻器R4M的另一端接地，滑线端与电容C2的一端及发光二极管LED1的阴极 相连，电容C2的另一端与发光二极管LED1的阳极相连，并与电感L2的另一 端相连。

由于超级电容随着充电或放电的进行，其电压是一直在变化的，因此需要一 个稳压电路将超级电容的电压稳定，本实施例中所采用的芯片LM317是一个可 调三端稳压芯片，其输出电压范围1.2伏到37伏，能够提供超过1.5安的电流， 用其进行稳压后驱动发光LED进行照明。

本实施例中采用的器件型号可以分别选取：采用的滑动变阻器R4M的型号 为W103，电阻R5M的取值为10千欧，二极管D5、D6的型号为IN4001，电感 L2取值为10uH，电容C2的取值为10pF，LED1的型号为JTL-Y40-2。