一種利用交通載荷的發(fā)電裝置制造方法
【專利摘要】本發(fā)明提供一種利用交通載荷的發(fā)電裝置，包括多個(gè)埋設(shè)在道路面層內(nèi)的壓電結(jié)構(gòu)單元，壓電結(jié)構(gòu)單元包括上保護(hù)層和下保護(hù)層，上保護(hù)層和下保護(hù)層之間由上而下依次設(shè)有第一彈性層、壓電片及彈性陣列層，第一彈性層橫向設(shè)置，彈性陣列層包括多個(gè)縱向設(shè)置的第二彈性層，多個(gè)第二彈性層的彈性模量遞減/遞增，壓電結(jié)構(gòu)單元通過(guò)導(dǎo)線連接電源控制箱，電源控制箱連接用電設(shè)備。本發(fā)明把壓電結(jié)構(gòu)單元埋設(shè)在道路面層內(nèi)，利用壓電材料的正向壓電效應(yīng)，將交通荷載產(chǎn)生的機(jī)械能轉(zhuǎn)換成電能，供給用電設(shè)備或者存儲(chǔ)，收集轉(zhuǎn)換過(guò)程不需要外部能源輸入，完全做到自給自足，不會(huì)產(chǎn)生任何污染，不浪費(fèi)土地資源，降低電能輸送成本和損耗。
【專利說(shuō)明】一種利用交通載荷的發(fā)電裝置
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001 ] 本發(fā)明涉及道路發(fā)電裝置。
【背景技術(shù)】
[0002]我國(guó)公路里程數(shù)眾多，到2012年底全國(guó)公路總里程數(shù)已達(dá)到423.75萬(wàn)公里，高速公路里程達(dá)9.62萬(wàn)公里，其中浙青路面因其優(yōu)良的路用性能占了絕大部分，它們每年需要承受數(shù)以百萬(wàn)計(jì)的交通荷載作用。這些荷載產(chǎn)生的機(jī)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(chǎn)生的能量逸散和車轍損害一般來(lái)說(shuō)微乎其微，但是考慮到國(guó)內(nèi)龐大的公路里程數(shù)和交通流量，那么后果就非常嚴(yán)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(chǎn)生的熱能完全耗散在城市空氣中，加深城市熱島效應(yīng)。而有些材料恰恰可以捕獲這種逸散的能量，轉(zhuǎn)化為可再生的綠色能源，比如壓電材料，它可以根據(jù)自身特性將交通荷載產(chǎn)生的機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電能，并進(jìn)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(zhǎng)道路壽命，又獲得自發(fā)的電能供給，減小能源浪費(fèi)，擁有巨大的經(jīng)濟(jì)效益，為建設(shè)資源節(jié)約型社會(huì)提供助力。壓電材料的研究和應(yīng)用經(jīng)過(guò)長(zhǎng)時(shí)間的技術(shù)積累已經(jīng)趨于成熟，壓電能量采集和應(yīng)用因?yàn)槠涔ぷ鳝h(huán)境限制少、效率高、綠色環(huán)保等優(yōu)點(diǎn)受到了廣泛的關(guān)注。關(guān)于道路工程中的研發(fā)和應(yīng)用還亟待提升，因此，研究浙青路面壓電發(fā)電系統(tǒng)具有龐大的經(jīng)濟(jì)和環(huán)保前景，一旦研發(fā)可以大規(guī)模運(yùn)用到目前的浙青路面工程中，必然能獲得巨大的收獲。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003]本發(fā)明所要解決的技術(shù)問(wèn)題是提供一種利用交通載荷的發(fā)電裝置，能夠利用通行對(duì)路面造成的應(yīng)力載荷進(jìn)行發(fā)電。
[0004]本發(fā)明解決技術(shù)問(wèn)題所采用的技術(shù)方案是:一種利用交通載荷的發(fā)電裝置，所述裝置包括多個(gè)埋設(shè)在道路面層內(nèi)的壓電結(jié)構(gòu)單元，所述壓電結(jié)構(gòu)單元包括上保護(hù)層和下保護(hù)層，所述上保護(hù)層和下保護(hù)層之間由上而下依次設(shè)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(shè)置，所述彈性陣列層包括多個(gè)縱向設(shè)置的第二彈性層，所述多個(gè)第二彈性層的彈性模量遞減/遞增，所述壓電結(jié)構(gòu)單元通過(guò)導(dǎo)線連接電源控制箱，所述電源控制箱連接用電設(shè)備。
[0005]在采用上述技術(shù)方案的同時(shí)，本發(fā)明還可以采用或者組合采用以下進(jìn)一步的技術(shù)方案:
所述第一彈性層和所述第二彈性層均采用氟膠制成。
[0006]所述壓電結(jié)構(gòu)單元埋設(shè)在道路面層的上面層和相鄰面層之間。
[0007]所述壓電結(jié)構(gòu)單元分布在路面上每個(gè)車道的輪跡帶范圍內(nèi)，其長(zhǎng)邊垂直于行車方向，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(cè)裝置、穩(wěn)壓整流裝置、電能存儲(chǔ)設(shè)備和變壓輸出裝置，所述變壓輸出裝置連接用電設(shè)備。[0009]本發(fā)明的發(fā)電裝置適用于各類道路，尤其是人員密集、交通流量較大的浙青路面，其把壓電結(jié)構(gòu)單元埋設(shè)在浙青道路面層內(nèi)，利用壓電材料的正向壓電效應(yīng)，將交通荷載產(chǎn)生的機(jī)械能轉(zhuǎn)換成電能，經(jīng)過(guò)電源控制箱處理，供給指示照明設(shè)備或者存儲(chǔ)，收集轉(zhuǎn)換過(guò)程不需要外部能源輸入，完全做到自給自足，不會(huì)產(chǎn)生任何污染，不浪費(fèi)土地資源；產(chǎn)生電能就近供給各類設(shè)備，降低電能輸送成本和損耗。另外，如有需要，可以在相應(yīng)各個(gè)路段加裝流量監(jiān)測(cè)處理系統(tǒng)，根據(jù)采集到的電流經(jīng)過(guò)電腦統(tǒng)計(jì)分析，得出交通流量的具體情況，為公路交通管理提供數(shù)據(jù)支持。
【專利附圖】

【附圖說(shuō)明】
[0010]圖1為本發(fā)明的壓電結(jié)構(gòu)單元的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0011]圖2為埋設(shè)本發(fā)明的發(fā)電裝置的路面的橫向剖視圖。
[0012]圖3為埋設(shè)本發(fā)明的發(fā)電裝置的路面的縱向剖視圖。
[0013]圖4為埋設(shè)本發(fā)明的發(fā)電裝置的路面的內(nèi)部結(jié)構(gòu)俯視圖。
[0014]圖中標(biāo)號(hào):1-道路面層，2-基層，3-壓電結(jié)構(gòu)單元，4-導(dǎo)線，5-電源控制箱，6_壓電檢測(cè)裝置，7-穩(wěn)壓整流裝置，8-變壓輸出裝置，9-用電設(shè)備，10-電能存儲(chǔ)設(shè)備，11-上保護(hù)層，12-第一彈性層，13-17-氟膠層，18-下保護(hù)層，19-壓電片，20-軌跡帶。
【具體實(shí)施方式】
[0015]參照附圖。
[0016]本發(fā)明的利用交通載荷的發(fā)電裝置包括多個(gè)埋設(shè)在面層I內(nèi)的壓電結(jié)構(gòu)單元3，面層I是指鋪設(shè)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、水平力和沖擊力的作用，是受到交通載荷影響最大的路面結(jié)構(gòu)部分，壓電結(jié)構(gòu)單元3埋設(shè)在道路面層I內(nèi)，能夠最大程度地利用交通載荷。
[0017]壓電結(jié)構(gòu)單元3包括上保護(hù)層11和下保護(hù)層18，上保護(hù)層11和下保護(hù)層18采用抗壓耐磨的剛性材料制作，對(duì)設(shè)置在其中的其他部件起到保護(hù)作用，上保護(hù)層11和下保護(hù)層18之間由上而下依次設(shè)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(jié)在上保護(hù)層11的下表面且橫向設(shè)置，壓電片19粘結(jié)在第一彈性層12的下表面,第一彈性層12采用氟膠制成，壓電片19采用市售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(lái)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(chǎn)生空穴；彈性陣列層包括多個(gè)縱向設(shè)置的第二彈性層，第二彈性層也用氟膠制成，在本實(shí)施例中，第二彈性層的數(shù)量為5個(gè)，分別為氟膠層13、14、15、16和17，也可以根據(jù)需要設(shè)置不同的數(shù)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(shí)，能夠形成階梯狀的縱向壓縮形變，使得粘結(jié)在其上部的壓電片19產(chǎn)生類似懸臂梁結(jié)構(gòu)端部受壓的彎曲變形(與階梯狀縱向壓縮性變相對(duì)應(yīng))，當(dāng)路面沒(méi)有通行不受外力作用的時(shí)候，氟膠層13-17和壓電片19恢復(fù)原狀，這樣，壓電片19在載荷的作用下不斷產(chǎn)生形變-恢復(fù)原狀，產(chǎn)生電流。
[0018]壓電結(jié)構(gòu)單元3為多個(gè)，因?yàn)閴弘娊Y(jié)構(gòu)單元3每個(gè)個(gè)體來(lái)說(shuō)體積較小，發(fā)電量有限，因此需要多個(gè)壓電結(jié)構(gòu)單元3組成整個(gè)發(fā)電裝置，才能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)道路周邊用電設(shè)備的供電。本裝置利用交通荷載使路面結(jié)構(gòu)產(chǎn)生應(yīng)力場(chǎng)，從而迫使壓電結(jié)構(gòu)單元3產(chǎn)生變形，并利用壓電材料的力電轉(zhuǎn)換機(jī)制實(shí)現(xiàn)發(fā)電。理論分析表明壓電結(jié)構(gòu)單元3埋設(shè)越深，對(duì)道路表面交通載荷的敏感度越差，發(fā)電效率越低；埋設(shè)越淺，發(fā)電效率越高，但埋設(shè)太淺會(huì)影響路用性能，縮短路面的使用壽命；盡管把壓電結(jié)構(gòu)單元3直接粘貼于路表可獲得最大發(fā)電效率且不影響路用性能，但會(huì)影響舒適度，最終迫使車輛避開該區(qū)域，反而達(dá)不到發(fā)電的目的。為了獲得盡可能高的發(fā)電效率，多個(gè)壓電結(jié)構(gòu)單元3均勻地埋設(shè)在浙青路面結(jié)構(gòu)面層I內(nèi)(按照《公路浙青路面設(shè)計(jì)規(guī)范(JTG D50-2006)》，可為雙層或三層)，同時(shí)考慮不改變路面結(jié)構(gòu)的施工工藝，將壓電結(jié)構(gòu)單元3埋設(shè)在道路面層I的上面層和相鄰面層之間。
[0019]壓電結(jié)構(gòu)單元3 (圖1)的俯視圖呈長(zhǎng)方形(圖4)，分布在路面上每個(gè)車道的輪跡帶范圍內(nèi)，長(zhǎng)邊垂直于行車方向，間距6?20cm，短邊沿行車方向，間距3?10cm，車道的軌跡帶范圍主要是根據(jù)行車道寬度和車輪間距來(lái)確定的一個(gè)路面寬度范圍，車輛正常行駛時(shí)通常會(huì)處于軌跡帶范圍內(nèi)。本發(fā)明主要利用壓電片19的動(dòng)態(tài)彎曲變形來(lái)發(fā)電，將壓電片19的長(zhǎng)邊垂直于行車方向，輪壓荷載通過(guò)壓電片19時(shí)更容易產(chǎn)生高頻沖擊效應(yīng)，發(fā)電效率更高。理論上，壓電結(jié)構(gòu)單元3沿行車方向埋設(shè)越密發(fā)電效果越好，但是壓電結(jié)構(gòu)3與路面材料間存在明顯界面，抗剪能力弱，如果埋設(shè)密度過(guò)大，容易導(dǎo)致道路面層I與壓電結(jié)構(gòu)單元3發(fā)生滑移破壞；減小埋設(shè)密度可降低滑移破壞的可能性，如果密度太小，盡管可以盡可能保證路用性能，但是單位面積上的發(fā)電效率無(wú)疑會(huì)降低，達(dá)不到所需的效果。一般分布間距達(dá)到壓電結(jié)構(gòu)3面內(nèi)尺寸的一倍以上時(shí)可有效抑制剪切破壞的發(fā)生。
[0020]壓電結(jié)構(gòu)單元3通過(guò)導(dǎo)線連接電源控制箱5，具體地說(shuō)，壓電結(jié)構(gòu)單元3中負(fù)責(zé)產(chǎn)生電流的壓電片19由導(dǎo)線引出，連接至電源控制箱5，其產(chǎn)生的電流通過(guò)導(dǎo)線匯集到電源控制箱5，電源控制箱5與用電設(shè)備9連接，并向用電設(shè)備9供電，從而達(dá)到利用交通載荷發(fā)電的效果。用電設(shè)備可以是設(shè)置在道路上的路燈、信號(hào)燈、路面指示牌、廣告燈箱、交通流量監(jiān)測(cè)系統(tǒng)等，便于就近使用，保護(hù)環(huán)境，節(jié)省經(jīng)濟(jì)。
[0021]電源控制箱5包括壓電檢測(cè)裝置6、穩(wěn)壓整流裝置7、電能存儲(chǔ)設(shè)備10以及變壓輸出裝置8，其中變壓輸出裝置8與用電設(shè)備9連接，壓電檢測(cè)裝置6可以采用通常的通電檢測(cè)設(shè)備，主要用于檢測(cè)壓電結(jié)構(gòu)單元3的發(fā)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(fā)明的發(fā)電裝置是否正常工作；穩(wěn)壓整流裝置7可以采用通常的穩(wěn)壓整流電路，對(duì)壓電結(jié)構(gòu)單元3產(chǎn)生的電能進(jìn)行穩(wěn)壓整流，電能存儲(chǔ)設(shè)備10可以采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(huì)繼續(xù)，甚至比晚上需要用電的時(shí)候產(chǎn)生更多的電能，此時(shí)就需要將多余的電能存儲(chǔ)起來(lái)，已備發(fā)電量不足時(shí)使用，變壓輸出裝置8可以采用通常的變壓器，用于與用電設(shè)備9的額定電壓匹配。
【權(quán)利要求】
1.一種利用交通載荷的發(fā)電裝置，其特征在于:所述裝置包括多個(gè)埋設(shè)在浙青道路面層內(nèi)的壓電結(jié)構(gòu)單元，所述壓電結(jié)構(gòu)單元包括上保護(hù)層和下保護(hù)層，所述上保護(hù)層和下保護(hù)層之間由上而下依次設(shè)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(gè)縱向設(shè)置的第二彈性層，所述多個(gè)第二彈性層的彈性模量遞減/遞增，所述壓電結(jié)構(gòu)單元通過(guò)導(dǎo)線連接電源控制箱，所述電源控制箱連接用電設(shè)備。
2.如權(quán)利要求1所述的一種利用交通載荷的發(fā)電裝置，其特征在于:所述第一彈性層和所述第二彈性層均采用氟膠制成。
3.如權(quán)利要求1所述的一種利用交通載荷的發(fā)電裝置，其特征在于:所述壓電結(jié)構(gòu)單元埋設(shè)在道路面層的上面層和相鄰面層之間。
4.如權(quán)利要求1所述的一種利用交通載荷的發(fā)電裝置，其特征在于:所述壓電結(jié)構(gòu)單元分布在浙青路面上每個(gè)車道的輪跡帶范圍內(nèi)，其長(zhǎng)邊垂直于行車方向，間距6?20cm，短邊沿行車方向，間距3?10cm。
5.如權(quán)利要求1所述的一種利用交通載荷的發(fā)電裝置，其特征在于:所述電源控制箱包括壓電檢測(cè)裝置、穩(wěn)壓整流裝置、電能存儲(chǔ)設(shè)備和變壓輸出裝置，所述變壓輸出裝置連接用電設(shè)備。
【文檔編號(hào)】H02N2/18GK103986368SQ201410209103
【公開日】2014年8月13日 申請(qǐng)日期:2014年5月16日 優(yōu)先權(quán)日:2014年5月16日
【發(fā)明者】陳奕聲, 呂朝鋒, 楊騫 申請(qǐng)人:浙江大學(xué)