利用瀝青路面變形進(jìn)行發(fā)電的道路發(fā)電裝置制造方法
【專利摘要】本發(fā)明提供一種利用瀝青路面變形進(jìn)行發(fā)電的道路發(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)單元包括絕緣外殼、壓電片、絕緣撥片、金屬傳動(dòng)桿、套管以及彈簧，壓電片固連在絕緣外殼的內(nèi)壁上，絕緣撥片套設(shè)并固定連接在金屬傳動(dòng)桿上，絕緣撥片設(shè)置在壓電片上方，金屬傳動(dòng)桿的頂端伸出絕緣外殼并具有外凸的承接頭，金屬傳動(dòng)桿的底端通過彈簧固連在所述絕緣外殼的底部，壓電結(jié)構(gòu)單元通過導(dǎo)線連接電源控制箱，電源控制箱連接用電設(shè)備。本發(fā)明將壓電結(jié)構(gòu)單元鋪設(shè)在道路面層內(nèi)，將引起路面變形的交通載荷應(yīng)力轉(zhuǎn)化為電能，對(duì)道路上及附近的用電設(shè)備進(jìn)行供電或者將電能存儲(chǔ)。
【專利說明】利用瀝青路面變形進(jìn)行發(fā)電的道路發(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]我國公路里程數(shù)眾多，到2012年底全國公路總里程數(shù)已達(dá)到423.75萬公里，到2030年將達(dá)580萬公里，它們每年需要承受數(shù)以百萬計(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說微乎其微，但是考慮到國內(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)過長時(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)問題是提供一種利用浙青路面變形進(jìn)行發(fā)電的道路發(fā)電裝置，能夠利用道路路面的變形為道路周邊用電設(shè)備提供電能。
[0004]本發(fā)明解決技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案是:利用浙青路面變形進(jìn)行發(fā)電的道路發(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)單元包括絕緣外殼、壓電片、絕緣撥片、金屬傳動(dòng)桿、套管以及彈簧，所述壓電片的邊緣固連在所述外殼的內(nèi)壁上，所述絕緣撥片套設(shè)并固定連接在在所述金屬傳動(dòng)桿上，所述絕緣撥片設(shè)置在所述壓電片的上方，所述金屬傳動(dòng)桿的頂端伸出所述絕緣外殼并具有外凸的承接頭，所述金屬傳動(dòng)桿的底端通過彈簧固連在所述絕緣外殼的底部；所述壓電結(jié)構(gòu)單元通過導(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:
所述金屬傳動(dòng)桿伸出所述絕緣外殼的部分外部設(shè)有套管，所述金屬傳動(dòng)桿能在所述套管內(nèi)上下活動(dòng)或旋轉(zhuǎn)。
[0006]所述壓電片為至少一個(gè)或多個(gè)，當(dāng)所述壓電片多于一個(gè)時(shí)，所述絕緣撥片一一對(duì)應(yīng)地設(shè)置在所述壓電片的上方。
[0007]所述絕緣外殼為圓柱形，所述壓電片為環(huán)形且垂直于所述絕緣外殼的軸向，所述壓電片的外緣固連在所述絕緣外殼的內(nèi)壁上。
[0008]所述絕緣外殼采用耐油耐高溫的高分子材料制成。
[0009]在埋設(shè)所述壓電結(jié)構(gòu)單元時(shí)，所述絕緣外殼上表面距離道路表面4?20cm，所述金屬傳動(dòng)桿的承接頭距離道路表面2?4cm。
[0010]所述壓電結(jié)構(gòu)單元分布在每個(gè)車道的軌跡帶范圍內(nèi)，所述壓電結(jié)構(gòu)單元之間的間距為5?20cm。
[0011]電源控制箱包括壓電性能檢測裝置、穩(wěn)壓整流裝置、電能存儲(chǔ)裝置和變壓輸出裝置，所述變壓輸出裝置連接所述用電設(shè)備。
[0012]電源控制箱連接道路監(jiān)控設(shè)備和交通流量監(jiān)測系統(tǒng)。
[0013]本發(fā)明的有益效果是:本發(fā)明利用壓電材料的正向壓電效應(yīng)，將壓電結(jié)構(gòu)單元鋪設(shè)在道路面層內(nèi)，將引起路面變形的交通載荷應(yīng)力轉(zhuǎn)化為電能，經(jīng)過電源控制箱處理，對(duì)道路上及附近的用電設(shè)備進(jìn)行供電或者將電能存儲(chǔ)，本發(fā)明的發(fā)電裝置所產(chǎn)生的電能完全能夠?yàn)榈缆方煌ㄓ秒娫O(shè)施，例如路燈、指示燈、指示牌、廣告牌等提供足夠的電能，還具備電能存儲(chǔ)裝置，當(dāng)產(chǎn)生電能富余時(shí)能夠及時(shí)進(jìn)行存儲(chǔ)，已備不時(shí)之需，本發(fā)明的發(fā)電裝置環(huán)保無污染，不占用任何其他土地環(huán)境資源，且就近供電能夠降低電能輸送成本和損耗。此外，本發(fā)明的發(fā)電裝置所采集的交通載荷變化可以發(fā)送至交通流量監(jiān)測系統(tǒng)，通過計(jì)算機(jī)統(tǒng)計(jì)分析，得到道路交通的具體情況，為公路交通管理提供數(shù)據(jù)支持。本發(fā)明適用于各類道路，尤其是人員密集、交通流量較大的道路。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0014]圖1為本發(fā)明的整體結(jié)構(gòu)圖。
[0015]圖2為本發(fā)明的壓電結(jié)構(gòu)單元與道路面層的剖面圖。
[0016]圖3為本發(fā)明的俯視圖。
[0017]圖4為本發(fā)明的壓電結(jié)構(gòu)單元的內(nèi)部結(jié)構(gòu)示意圖。
[0018]圖中標(biāo)號(hào):1-道路面層，2-套管，3-金屬傳動(dòng)桿，4-絕緣外殼，5-絕緣撥片，6_壓電片，7-彈簧，8-相鄰面層，9-壓電結(jié)構(gòu)單元，10-軌跡帶，11-導(dǎo)線，12-壓電性能檢測裝置，13-穩(wěn)壓整流裝置，14-變壓輸出裝置，15-電能存儲(chǔ)裝置，16-用電設(shè)備，17-道路監(jiān)控設(shè)備，18-交通流量監(jiān)測系統(tǒng)，19-電源控制箱，20-承接頭。
【具體實(shí)施方式】
[0019]參照附圖。
[0020]本發(fā)明的道路發(fā)電裝置包括多個(gè)埋設(shè)在道路面層I內(nèi)的壓電結(jié)構(gòu)單元9，壓電結(jié)構(gòu)單元9包括套管2、金屬傳動(dòng)桿3、絕緣外殼4、絕緣撥片5、壓電片6及彈簧7。
[0021]絕緣外殼4為圓柱形，使得壓電結(jié)構(gòu)單元9的整體外形大致上呈圓柱形，其形狀對(duì)路用性能影響較小，壓電片6為環(huán)形,其內(nèi)徑約為Icm,外徑約為8cm,厚度約為0.5cm,環(huán)形壓電片6的構(gòu)造簡單，不增加額外的傳力構(gòu)件，不會(huì)因?yàn)槠渌考p壞而影響其使用壽命，壓電片6的外緣通過焊接或者卡槽的形式固定連接在絕緣外殼4的內(nèi)壁上。
[0022]絕緣撥片5套設(shè)并固定在在金屬傳動(dòng)桿3上，金屬傳動(dòng)桿3設(shè)置在絕緣外殼4的中心部位且與絕緣外殼4的中心軸方向相同，金屬傳動(dòng)桿3同時(shí)也穿過壓電片6中間的空心部分，絕緣撥片5設(shè)置在壓電片6上方貼近壓電片6的位置上。
[0023]壓電片6為至少一個(gè)，當(dāng)壓電片6多余一個(gè)時(shí)，壓電片6沿絕緣外殼的高度方向均布，且絕緣撥片5 —一對(duì)應(yīng)第設(shè)置在壓電片6上方與其貼近的位置上，壓電片6的數(shù)量越多，一次交通載荷引起的壓電反應(yīng)效果越好，產(chǎn)生的電量越大，但壓電片6的數(shù)量不宜過多，否則會(huì)造成壓電結(jié)構(gòu)單元9的體積過大，影響道路面層的正常結(jié)構(gòu)，且過多壓電片6會(huì)影響金屬傳動(dòng)桿3的傳動(dòng)靈敏度，壓電片6的數(shù)量通常為2?4個(gè)。
[0024]金屬傳動(dòng)桿3的頂端伸出絕緣外殼4的上表面,且金屬傳動(dòng)桿3的頂端具有外凸的承接頭20，承接頭20的直徑大于金屬傳動(dòng)桿3的直徑，承接頭20的頂部具有能夠在金屬傳動(dòng)桿3的頂部形成接收由路面交通載荷引起形變的平面，能夠更有效地接收路面表層浙青混合料彈性變形產(chǎn)生的位移，金屬傳動(dòng)桿3的底端通過彈簧7固定連接在絕緣外殼4的底部。
[0025]金屬傳動(dòng)桿3伸出絕緣外殼4上表面的部分外部設(shè)有套管2,金屬傳動(dòng)桿3能夠在套管2內(nèi)上下移動(dòng)或旋轉(zhuǎn)，套管2為金屬傳動(dòng)桿3提供了一個(gè)位移范圍，使金屬傳動(dòng)桿3在接收到路面變形時(shí)能夠靈敏地自由伸縮。
[0026]絕緣外殼4采用耐油耐高溫的高分子材料制成，能夠承受一定程度的壓力和縱向剪切力，能保護(hù)壓電結(jié)構(gòu)單元9的內(nèi)部結(jié)構(gòu)不受破壞。
[0027]本發(fā)明的壓電結(jié)構(gòu)單元3的工作原理是，路面表層浙青混合料在受到交通載荷壓力下會(huì)產(chǎn)生變形，金屬傳動(dòng)桿3的承接頭20接收來自路面的變形向下移動(dòng)，帶動(dòng)絕緣撥片5的向下移動(dòng)，絕緣撥片5隨之接觸壓電片6并使壓電片6向下彎曲，當(dāng)交通載荷壓力撤除后，彈簧7的回復(fù)力使金屬傳動(dòng)桿3和絕緣撥片5復(fù)位，壓電片6也隨之回復(fù)原位，這樣，壓電片6在交通運(yùn)行過程中不斷變形-恢復(fù)，產(chǎn)生電流。
[0028]本發(fā)明的道路發(fā)電裝置包括多個(gè)壓電結(jié)構(gòu)單元9，多個(gè)壓電結(jié)構(gòu)單元9埋設(shè)在道路面層I內(nèi)，其中絕緣外殼4的上表面距離道路表面4?20cm，承接頭20距離道路表面2?4cm。因?yàn)閴弘娊Y(jié)構(gòu)單元9就每個(gè)個(gè)體來說體積較小，發(fā)電量有限，因此需要多個(gè)壓電結(jié)構(gòu)單元9構(gòu)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。本發(fā)明的道路發(fā)電裝置利用交通載荷使得路面結(jié)構(gòu)產(chǎn)生應(yīng)力場，從而迫使壓電結(jié)構(gòu)單元9中的壓電片6產(chǎn)生形變，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9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9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9均勻地埋設(shè)在浙青道路面層I內(nèi)(道路面層按照《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9埋設(shè)在道路面層I和相鄰面層8 (基層)之間。
[0029]壓電結(jié)構(gòu)單元9分布在每個(gè)車道的軌跡帶10范圍內(nèi)(如圖3所示)，相鄰壓電結(jié)構(gòu)單元9之間的間距為5?20cm。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)。理論上，壓電結(jié)構(gòu)單元9沿行車方向鋪設(shè)越密發(fā)電效果越好，但是壓電結(jié)構(gòu)單元9與路面材料間存在明顯界面，抗剪能力弱，如果鋪設(shè)密度過大，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；減小鋪設(shè)密度可降低滑移破壞的可能性，鋪設(shè)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)單元表面尺寸的一倍以上時(shí)可有效抑制剪切破壞的發(fā)生。
[0030]壓電結(jié)構(gòu)單元9通過導(dǎo)線11連接電源控制箱19，具體地說，壓電結(jié)構(gòu)單元9中負(fù)責(zé)產(chǎn)生電流的壓電片6通過導(dǎo)線11引出，連接至電源控制箱19，其產(chǎn)生的電流通過導(dǎo)線11匯集到電源控制箱5，電源控制箱5與用電設(shè)備16連接向其供電，從而達(dá)到利用路面變形發(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)測系統(tǒng)等，便于就近使用，提供綠色能源，保護(hù)環(huán)境，節(jié)省經(jīng)濟(jì)。
[0031]電源控制箱19包括壓電性能檢測裝置12、穩(wěn)壓整流裝置13、變壓輸出裝置14、電能存儲(chǔ)裝置15，穩(wěn)壓整流裝置13可以采用通常的穩(wěn)壓整流電路，對(duì)壓電結(jié)構(gòu)單元9產(chǎn)生的電能進(jìn)行穩(wěn)壓整流，變壓輸出裝置14與用電設(shè)備16連接，用于將壓電結(jié)構(gòu)單元9所產(chǎn)生的電能轉(zhuǎn)換為適用于用電設(shè)備16的電壓輸出，變壓輸出裝置8可以采用通常的變壓器，與用電設(shè)備16的額定電壓匹配即可；壓電性能檢測裝置12可以采用通常的通電檢測設(shè)備，主要用于檢測壓電結(jié)構(gòu)單元9的發(fā)電情況，例如是否有電流輸出以及電流流量大小，從而確認(rèn)道路發(fā)電裝置是否正常工作；電能存儲(chǔ)裝置15可以采用具有一定容量的蓄電設(shè)備，在白天路面交通繁忙，路面變形不斷，但白天往往不需要大量用電，此時(shí)就需要將多余的電能存儲(chǔ)起來，已備發(fā)電量不足時(shí)使用。
[0032]此外，電源控制箱19還可以與道路監(jiān)控設(shè)備17和交通流量監(jiān)測系統(tǒng)18連接，向道路監(jiān)控設(shè)備17供電，向交通流量監(jiān)測系統(tǒng)18提供路面變形的信息數(shù)據(jù)，例如路面變形頻率、變形程度，為道路交通管理提供有力的數(shù)據(jù)支持。
【權(quán)利要求】
1.利用浙青路面變形進(jìn)行發(fā)電的道路發(fā)電裝置，其特征在于: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)單元包括絕緣外殼、壓電片、絕緣撥片、金屬傳動(dòng)桿以及彈簧，所述壓電片的邊緣固支在所述外殼的內(nèi)壁上，所述絕緣撥片套設(shè)并固定連接在在所述金屬傳動(dòng)桿上，所述絕緣撥片設(shè)置在所述壓電片的上方，所述金屬傳動(dòng)桿的頂端伸出所述絕緣外殼并具有外凸的承接頭，所述金屬傳動(dòng)桿的底端通過彈簧固連在所述絕緣外殼的底部；所述壓電結(jié)構(gòu)單元通過導(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所述的利用浙青路面變形進(jìn)行發(fā)電的道路發(fā)電裝置，其特征在于:所述金屬傳動(dòng)桿伸出所述絕緣外殼的部分外部設(shè)有套管，所述金屬傳動(dòng)桿能在所述套管內(nèi)上下活動(dòng)或旋轉(zhuǎn)。
3.如權(quán)利要求1所述的利用浙青路面變形進(jìn)行發(fā)電的道路發(fā)電裝置，其特征在于:所述壓電片為至少一個(gè)或多個(gè)，當(dāng)所述壓電片多于一個(gè)時(shí)，所述壓電片沿所述絕緣外殼的高度均布，所述絕緣撥片一一對(duì)應(yīng)地設(shè)置在所述壓電片的上方。
4.如權(quán)利要求1所述的利用浙青路面變形進(jìn)行發(fā)電的道路發(fā)電裝置，其特征在于:所述絕緣外殼為圓柱形，所述壓電片為環(huán)形且垂直于所述絕緣外殼的軸向，所述壓電片的外緣固連在所述絕緣外殼的內(nèi)壁上。
5.如權(quán)利要求4所述的利用浙青路面變形進(jìn)行發(fā)電的道路發(fā)電裝置，其特征在于:所述絕緣外殼采用耐油耐高溫的高分子材料制成。
6.如權(quán)利要求1、2、3、4或5所述的利用浙青路面變形進(jìn)行發(fā)電的道路發(fā)電裝置，其特征在于:在埋設(shè)所述壓電結(jié)構(gòu)單元時(shí)，所述絕緣外殼上表面距離道路表面4?20cm，所述金屬傳動(dòng)桿的承接頭距離道路表面2?4cm。
7.如權(quán)利要求6所述的利用浙青路面變形進(jìn)行發(fā)電的道路發(fā)電裝置，其特征在于:所述壓電結(jié)構(gòu)單元分布在每個(gè)車道的軌跡帶范圍內(nèi)，所述壓電結(jié)構(gòu)單元之間的間距為5?20cmo
8.如權(quán)利要求1所述的利用浙青路面變形進(jìn)行發(fā)電的道路發(fā)電裝置，其特征在于:電源控制箱包括壓電性能檢測裝置、穩(wěn)壓整流裝置、電能存儲(chǔ)裝置和變壓輸出裝置，所述變壓輸出裝置連接所述用電設(shè)備。
9.如權(quán)利要求1所述的利用浙青路面變形進(jìn)行發(fā)電的道路發(fā)電裝置，其特征在于:所述電源控制箱連接道路監(jiān)控設(shè)備和交通流量監(jiān)測系統(tǒng)。
【文檔編號(hào)】H02N2/18GK103986369SQ201410209703
【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)