一種利用交通載荷的發電裝置製造方法
2023-06-28 19:20:56 1
一種利用交通載荷的發電裝置製造方法
【專利摘要】本發明提供一種利用交通載荷的發電裝置，包括多個埋設在道路面層內的壓電結構單元，壓電結構單元包括上保護層和下保護層，上保護層和下保護層之間由上而下依次設有第一彈性層、壓電片及彈性陣列層，第一彈性層橫向設置，彈性陣列層包括多個縱向設置的第二彈性層，多個第二彈性層的彈性模量遞減/遞增，壓電結構單元通過導線連接電源控制箱，電源控制箱連接用電設備。本發明把壓電結構單元埋設在道路面層內，利用壓電材料的正向壓電效應，將交通荷載產生的機械能轉換成電能，供給用電設備或者存儲，收集轉換過程不需要外部能源輸入，完全做到自給自足，不會產生任何汙染，不浪費土地資源，降低電能輸送成本和損耗。
【專利說明】一種利用交通載荷的發電裝置
【技術領域】
[0001 ] 本發明涉及道路發電裝置。
【背景技術】
[0002]我國公路裡程數眾多，到2012年底全國公路總裡程數已達到423.75萬公裡，高速公路裡程達9.62萬公裡，其中浙青路面因其優良的路用性能佔了絕大部分，它們每年需要承受數以百萬計的交通荷載作用。這些荷載產生的機械能一部分以熱能的形式逸散到空氣中，另一部分則最終引起路面損害。雖然單次交通荷載作用產生的能量逸散和車轍損害一般來說微乎其微，但是考慮到國內龐大的公路裡程數和交通流量，那麼後果就非常嚴重了。頻繁的車輛荷載不僅加大路面損壞程度，降低使用壽命，而且產生的熱能完全耗散在城市空氣中，加深城市熱島效應。而有些材料恰恰可以捕獲這種逸散的能量，轉化為可再生的綠色能源，比如壓電材料，它可以根據自身特性將交通荷載產生的機械能轉化為電能，並進行收集和利用，為道路指示、照明等提供綠色能源，做到變廢為寶，既減輕了路面車轍損害，延長道路壽命，又獲得自發的電能供給，減小能源浪費，擁有巨大的經濟效益，為建設資源節約型社會提供助力。壓電材料的研究和應用經過長時間的技術積累已經趨於成熟，壓電能量採集和應用因為其工作環境限制少、效率高、綠色環保等優點受到了廣泛的關注。關於道路工程中的研發和應用還亟待提升，因此，研究浙青路面壓電發電系統具有龐大的經濟和環保前景，一旦研發可以大規模運用到目前的浙青路面工程中，必然能獲得巨大的收穫。
【發明內容】
[0003]本發明所要解決的技術問題是提供一種利用交通載荷的發電裝置，能夠利用通行對路面造成的應力載荷進行發電。
[0004]本發明解決技術問題所採用的技術方案是:一種利用交通載荷的發電裝置，所述裝置包括多個埋設在道路面層內的壓電結構單元，所述壓電結構單元包括上保護層和下保護層，所述上保護層和下保護層之間由上而下依次設有第一彈性層、壓電片及彈性陣列層，所述第一彈性層橫向設置，所述彈性陣列層包括多個縱向設置的第二彈性層，所述多個第二彈性層的彈性模量遞減/遞增，所述壓電結構單元通過導線連接電源控制箱，所述電源控制箱連接用電設備。
[0005]在採用上述技術方案的同時，本發明還可以採用或者組合採用以下進一步的技術方案:
所述第一彈性層和所述第二彈性層均採用氟膠製成。
[0006]所述壓電結構單元埋設在道路面層的上面層和相鄰面層之間。
[0007]所述壓電結構單元分布在路面上每個車道的輪跡帶範圍內，其長邊垂直於行車方向，間距6?20cm，短邊沿行車方向，間距3?10cm。
[0008]所述電源控制箱包括壓電檢測裝置、穩壓整流裝置、電能存儲設備和變壓輸出裝置，所述變壓輸出裝置連接用電設備。[0009]本發明的發電裝置適用於各類道路，尤其是人員密集、交通流量較大的浙青路面，其把壓電結構單元埋設在浙青道路面層內，利用壓電材料的正向壓電效應，將交通荷載產生的機械能轉換成電能，經過電源控制箱處理，供給指示照明設備或者存儲，收集轉換過程不需要外部能源輸入，完全做到自給自足，不會產生任何汙染，不浪費土地資源；產生電能就近供給各類設備，降低電能輸送成本和損耗。另外，如有需要，可以在相應各個路段加裝流量監測處理系統，根據採集到的電流經過電腦統計分析，得出交通流量的具體情況，為公路交通管理提供數據支持。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0010]圖1為本發明的壓電結構單元的結構示意圖。
[0011]圖2為埋設本發明的發電裝置的路面的橫向剖視圖。
[0012]圖3為埋設本發明的發電裝置的路面的縱向剖視圖。
[0013]圖4為埋設本發明的發電裝置的路面的內部結構俯視圖。
[0014]圖中標號:1-道路面層，2-基層，3-壓電結構單元，4-導線，5-電源控制箱，6_壓電檢測裝置，7-穩壓整流裝置，8-變壓輸出裝置，9-用電設備，10-電能存儲設備，11-上保護層，12-第一彈性層，13-17-氟膠層，18-下保護層，19-壓電片，20-軌跡帶。
【具體實施方式】
[0015]參照附圖。
[0016]本發明的利用交通載荷的發電裝置包括多個埋設在面層I內的壓電結構單元3，面層I是指鋪設在基層2上方，直接與通行車輛接觸的層位，承受行車荷載較大的豎向力、水平力和衝擊力的作用，是受到交通載荷影響最大的路面結構部分，壓電結構單元3埋設在道路面層I內，能夠最大程度地利用交通載荷。
[0017]壓電結構單元3包括上保護層11和下保護層18，上保護層11和下保護層18採用抗壓耐磨的剛性材料製作，對設置在其中的其他部件起到保護作用，上保護層11和下保護層18之間由上而下依次設有第一彈性層12、壓電片19以及彈性陣列層，第一彈性層12粘結在上保護層11的下表面且橫向設置，壓電片19粘結在第一彈性層12的下表面,第一彈性層12採用氟膠製成，壓電片19採用市售PZT-5，尺寸為6cmX3cm，第一彈性層12的彈性模量較小、容易變形，在外力(來自路面的交通載荷)作用下，可以比較平滑地貼合在兩層材料之間，避免產生空穴；彈性陣列層包括多個縱向設置的第二彈性層，第二彈性層也用氟膠製成，在本實施例中，第二彈性層的數量為5個，分別為氟膠層13、14、15、16和17，也可以根據需要設置不同的數量的第二彈性層，氟膠層13-17依次減小或依次增加，在受到外力作用時，能夠形成階梯狀的縱向壓縮形變，使得粘結在其上部的壓電片19產生類似懸臂梁結構端部受壓的彎曲變形(與階梯狀縱向壓縮性變相對應)，當路面沒有通行不受外力作用的時候，氟膠層13-17和壓電片19恢復原狀，這樣，壓電片19在載荷的作用下不斷產生形變-恢復原狀，產生電流。
[0018]壓電結構單元3為多個，因為壓電結構單元3每個個體來說體積較小，發電量有限，因此需要多個壓電結構單元3組成整個發電裝置，才能夠實現對道路周邊用電設備的供電。本裝置利用交通荷載使路面結構產生應力場，從而迫使壓電結構單元3產生變形，並利用壓電材料的力電轉換機制實現發電。理論分析表明壓電結構單元3埋設越深，對道路表面交通載荷的敏感度越差，發電效率越低；埋設越淺，發電效率越高，但埋設太淺會影響路用性能，縮短路面的使用壽命；儘管把壓電結構單元3直接粘貼於路表可獲得最大發電效率且不影響路用性能，但會影響舒適度，最終迫使車輛避開該區域，反而達不到發電的目的。為了獲得儘可能高的發電效率，多個壓電結構單元3均勻地埋設在浙青路面結構面層I內(按照《公路浙青路面設計規範(JTG D50-2006)》，可為雙層或三層)，同時考慮不改變路面結構的施工工藝，將壓電結構單元3埋設在道路面層I的上面層和相鄰面層之間。
[0019]壓電結構單元3 (圖1)的俯視圖呈長方形(圖4)，分布在路面上每個車道的輪跡帶範圍內，長邊垂直於行車方向，間距6?20cm，短邊沿行車方向，間距3?10cm，車道的軌跡帶範圍主要是根據行車道寬度和車輪間距來確定的一個路面寬度範圍，車輛正常行駛時通常會處於軌跡帶範圍內。本發明主要利用壓電片19的動態彎曲變形來發電，將壓電片19的長邊垂直於行車方向，輪壓荷載通過壓電片19時更容易產生高頻衝擊效應，發電效率更高。理論上，壓電結構單元3沿行車方向埋設越密發電效果越好，但是壓電結構3與路面材料間存在明顯界面，抗剪能力弱，如果埋設密度過大，容易導致道路面層I與壓電結構單元3發生滑移破壞；減小埋設密度可降低滑移破壞的可能性，如果密度太小，儘管可以儘可能保證路用性能，但是單位面積上的發電效率無疑會降低，達不到所需的效果。一般分布間距達到壓電結構3面內尺寸的一倍以上時可有效抑制剪切破壞的發生。
[0020]壓電結構單元3通過導線連接電源控制箱5，具體地說，壓電結構單元3中負責產生電流的壓電片19由導線引出，連接至電源控制箱5，其產生的電流通過導線匯集到電源控制箱5，電源控制箱5與用電設備9連接，並向用電設備9供電，從而達到利用交通載荷發電的效果。用電設備可以是設置在道路上的路燈、信號燈、路面指示牌、廣告燈箱、交通流量監測系統等，便於就近使用，保護環境，節省經濟。
[0021]電源控制箱5包括壓電檢測裝置6、穩壓整流裝置7、電能存儲設備10以及變壓輸出裝置8，其中變壓輸出裝置8與用電設備9連接，壓電檢測裝置6可以採用通常的通電檢測設備，主要用於檢測壓電結構單元3的發電情況，例如是否有電流輸出以及電流流量的大小，從而明確本發明的發電裝置是否正常工作；穩壓整流裝置7可以採用通常的穩壓整流電路，對壓電結構單元3產生的電能進行穩壓整流，電能存儲設備10可以採用一定容量的蓄電裝置，例如白天不需要大量用電的情況下，路面交通還是會繼續，甚至比晚上需要用電的時候產生更多的電能，此時就需要將多餘的電能存儲起來，已備發電量不足時使用，變壓輸出裝置8可以採用通常的變壓器，用於與用電設備9的額定電壓匹配。
【權利要求】
1.一種利用交通載荷的發電裝置，其特徵在於:所述裝置包括多個埋設在浙青道路面層內的壓電結構單元，所述壓電結構單元包括上保護層和下保護層，所述上保護層和下保護層之間由上而下依次設有第一彈性層、壓電片及彈性陣列層，所述彈性陣列層包括多個縱向設置的第二彈性層，所述多個第二彈性層的彈性模量遞減/遞增，所述壓電結構單元通過導線連接電源控制箱，所述電源控制箱連接用電設備。
2.如權利要求1所述的一種利用交通載荷的發電裝置，其特徵在於:所述第一彈性層和所述第二彈性層均採用氟膠製成。
3.如權利要求1所述的一種利用交通載荷的發電裝置，其特徵在於:所述壓電結構單元埋設在道路面層的上面層和相鄰面層之間。
4.如權利要求1所述的一種利用交通載荷的發電裝置，其特徵在於:所述壓電結構單元分布在浙青路面上每個車道的輪跡帶範圍內，其長邊垂直於行車方向，間距6?20cm，短邊沿行車方向，間距3?10cm。
5.如權利要求1所述的一種利用交通載荷的發電裝置，其特徵在於:所述電源控制箱包括壓電檢測裝置、穩壓整流裝置、電能存儲設備和變壓輸出裝置，所述變壓輸出裝置連接用電設備。
【文檔編號】H02N2/18GK103986368SQ201410209103
【公開日】2014年8月13日 申請日期:2014年5月16日 優先權日:2014年5月16日
【發明者】陳奕聲, 呂朝鋒, 楊騫 申請人:浙江大學