利用瀝青路面變形進行發(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行發(fā)電的道路發(fā)電裝置，包括多個埋設在道路面層內的壓電結構單元，壓電結構單元包括絕緣外殼、壓電片、絕緣撥片、金屬傳動桿、套管以及彈簧，壓電片固連在絕緣外殼的內壁上，絕緣撥片套設并固定連接在金屬傳動桿上，絕緣撥片設置在壓電片上方，金屬傳動桿的頂端伸出絕緣外殼并具有外凸的承接頭，金屬傳動桿的底端通過彈簧固連在所述絕緣外殼的底部，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(fā)明將壓電結構單元鋪設在道路面層內，將引起路面變形的交通載荷應力轉化為電能，對道路上及附近的用電設備進行供電或者將電能存儲。
【專利說明】利用瀝青路面變形進行發(fā)電的道路發(fā)電裝置
【技術領域】
[0001 ] 本發(fā)明涉及道路發(fā)電裝置。
【背景技術】
[0002]我國公路里程數眾多，到2012年底全國公路總里程數已達到423.75萬公里，到2030年將達580萬公里，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里程數和交通流量，那么后果就非常嚴重了。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，并進行收集和利用，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(fā)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(jié)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于成熟，壓電能量采集和應用因為其工作環(huán)境限制少、效率高、綠色環(huán)保等優(yōu)點受到了廣泛的關注。關于道路工程中的研發(fā)和應用還亟待提升，因此，研究浙青路面壓電發(fā)電系統(tǒng)具有龐大的經濟和環(huán)保前景，一旦研發(fā)可以大規(guī)模運用到目前的浙青路面工程中，必然能獲得巨大的收獲。

【發(fā)明內容】

[0003]本發(fā)明所要解決的技術問題是提供一種利用浙青路面變形進行發(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備提供電能。
[0004]本發(fā)明解決技術問題所采用的技術方案是:利用浙青路面變形進行發(fā)電的道路發(fā)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絕緣外殼、壓電片、絕緣撥片、金屬傳動桿、套管以及彈簧，所述壓電片的邊緣固連在所述外殼的內壁上，所述絕緣撥片套設并固定連接在在所述金屬傳動桿上，所述絕緣撥片設置在所述壓電片的上方，所述金屬傳動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]在采用上述技術方案的同時，本發(fā)明還可以采用或者組合采用以下進一步的技術方案:
所述金屬傳動桿伸出所述絕緣外殼的部分外部設有套管，所述金屬傳動桿能在所述套管內上下活動或旋轉。
[0006]所述壓電片為至少一個或多個，當所述壓電片多于一個時，所述絕緣撥片一一對應地設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]在埋設所述壓電結構單元時，所述絕緣外殼上表面距離道路表面4?20cm，所述金屬傳動桿的承接頭距離道路表面2?4cm。
[0010]所述壓電結構單元分布在每個車道的軌跡帶范圍內，所述壓電結構單元之間的間距為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、電能存儲裝置和變壓輸出裝置，所述變壓輸出裝置連接所述用電設備。
[0012]電源控制箱連接道路監(jiān)控設備和交通流量監(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，將壓電結構單元鋪設在道路面層內，將引起路面變形的交通載荷應力轉化為電能，經過電源控制箱處理，對道路上及附近的用電設備進行供電或者將電能存儲，本發(fā)明的發(fā)電裝置所產生的電能完全能夠為道路交通用電設施，例如路燈、指示燈、指示牌、廣告牌等提供足夠的電能，還具備電能存儲裝置，當產生電能富余時能夠及時進行存儲，已備不時之需，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)，通過計算機統(tǒng)計分析，得到道路交通的具體情況，為公路交通管理提供數據支持。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)明的整體結構圖。
[0015]圖2為本發(fā)明的壓電結構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)明的壓電結構單元的內部結構示意圖。
[0018]圖中標號:1-道路面層，2-套管，3-金屬傳動桿，4-絕緣外殼，5-絕緣撥片，6_壓電片，7-彈簧，8-相鄰面層，9-壓電結構單元，10-軌跡帶，11-導線，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-電能存儲裝置，16-用電設備，17-道路監(jiān)控設備，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)電裝置包括多個埋設在道路面層I內的壓電結構單元9，壓電結構單元9包括套管2、金屬傳動桿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，使得壓電結構單元9的整體外形大致上呈圓柱形，其形狀對路用性能影響較小，壓電片6為環(huán)形,其內徑約為Icm,外徑約為8cm,厚度約為0.5cm,環(huán)形壓電片6的構造簡單，不增加額外的傳力構件，不會因為其他部件損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的內壁上。
[0022]絕緣撥片5套設并固定在在金屬傳動桿3上，金屬傳動桿3設置在絕緣外殼4的中心部位且與絕緣外殼4的中心軸方向相同，金屬傳動桿3同時也穿過壓電片6中間的空心部分，絕緣撥片5設置在壓電片6上方貼近壓電片6的位置上。
[0023]壓電片6為至少一個，當壓電片6多余一個時，壓電片6沿絕緣外殼的高度方向均布，且絕緣撥片5 —一對應第設置在壓電片6上方與其貼近的位置上，壓電片6的數量越多，一次交通載荷引起的壓電反應效果越好，產生的電量越大，但壓電片6的數量不宜過多，否則會造成壓電結構單元9的體積過大，影響道路面層的正常結構，且過多壓電片6會影響金屬傳動桿3的傳動靈敏度，壓電片6的數量通常為2?4個。
[0024]金屬傳動桿3的頂端伸出絕緣外殼4的上表面,且金屬傳動桿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桿3的直徑，承接頭20的頂部具有能夠在金屬傳動桿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生的位移，金屬傳動桿3的底端通過彈簧7固定連接在絕緣外殼4的底部。
[0025]金屬傳動桿3伸出絕緣外殼4上表面的部分外部設有套管2,金屬傳動桿3能夠在套管2內上下移動或旋轉，套管2為金屬傳動桿3提供了一個位移范圍，使金屬傳動桿3在接收到路面變形時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，能保護壓電結構單元9的內部結構不受破壞。
[0027]本發(fā)明的壓電結構單元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產生變形，金屬傳動桿3的承接頭20接收來自路面的變形向下移動，帶動絕緣撥片5的向下移動，絕緣撥片5隨之接觸壓電片6并使壓電片6向下彎曲，當交通載荷壓力撤除后，彈簧7的回復力使金屬傳動桿3和絕緣撥片5復位，壓電片6也隨之回復原位，這樣，壓電片6在交通運行過程中不斷變形-恢復，產生電流。
[0028]本發(fā)明的道路發(fā)電裝置包括多個壓電結構單元9，多個壓電結構單元9埋設在道路面層I內，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。因為壓電結構單元9就每個個體來說體積較小，發(fā)電量有限，因此需要多個壓電結構單元9構成整個發(fā)電裝置，才能夠實現對道路周邊用電設備的供電。本發(fā)明的道路發(fā)電裝置利用交通載荷使得路面結構產生應力場，從而迫使壓電結構單元9中的壓電片6產生形變，利用壓電材料的力電轉換機制實現發(fā)電，理論分析表明壓電結構單元9埋設越深，對道路表面交通載荷的敏感度越差，發(fā)電效率越低；埋設越淺，發(fā)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；盡管把壓電結構單元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，但會影響舒適度，最終迫使車輛避開該區(qū)域，反而達不到發(fā)電的目的。為了獲得盡可能高的發(fā)電效率，多個壓電結構單元9均勻地埋設在浙青道路面層I內(道路面層按照《公路浙青路面設計規(guī)范(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9埋設在道路面層I和相鄰面層8 (基層)之間。
[0029]壓電結構單元9分布在每個車道的軌跡帶10范圍內(如圖3所示)，相鄰壓電結構單元9之間的間距為5?20cm。車道的軌跡帶范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范圍，車輛正常行駛時通常會處于軌跡帶范圍內。理論上，壓電結構單元9沿行車方向鋪設越密發(fā)電效果越好，但是壓電結構單元9與路面材料間存在明顯界面，抗剪能力弱，如果鋪設密度過大，容易導致道路面層I與壓電結構單元3發(fā)生滑移破壞；減小鋪設密度可降低滑移破壞的可能性，鋪設密度太小，盡管可以盡可能保證路用性能，但是單位面積上的發(fā)電效率無疑會降低，達不到所需的效果。一般分布間距達到壓電結構單元表面尺寸的一倍以上時可有效抑制剪切破壞的發(fā)生。
[0030]壓電結構單元9通過導線11連接電源控制箱19，具體地說，壓電結構單元9中負責產生電流的壓電片6通過導線11引出，連接至電源控制箱19，其產生的電流通過導線11匯集到電源控制箱5，電源控制箱5與用電設備16連接向其供電，從而達到利用路面變形發(fā)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(jiān)測系統(tǒng)等，便于就近使用，提供綠色能源，保護環(huán)境，節(jié)省經濟。
[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，對壓電結構單元9產生的電能進行穩(wěn)壓整流，變壓輸出裝置14與用電設備16連接，用于將壓電結構單元9所產生的電能轉換為適用于用電設備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備，主要用于檢測壓電結構單元9的發(fā)電情況，例如是否有電流輸出以及電流流量大小，從而確認道路發(fā)電裝置是否正常工作；電能存儲裝置15可以采用具有一定容量的蓄電設備，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，此時就需要將多余的電能存儲起來，已備發(fā)電量不足時使用。
[0032]此外，電源控制箱19還可以與道路監(jiān)控設備17和交通流量監(jiān)測系統(tǒng)18連接，向道路監(jiān)控設備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據，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據支持。
【權利要求】
1.利用浙青路面變形進行發(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絕緣外殼、壓電片、絕緣撥片、金屬傳動桿以及彈簧，所述壓電片的邊緣固支在所述外殼的內壁上，所述絕緣撥片套設并固定連接在在所述金屬傳動桿上，所述絕緣撥片設置在所述壓電片的上方，所述金屬傳動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所述的利用浙青路面變形進行發(fā)電的道路發(fā)電裝置，其特征在于:所述金屬傳動桿伸出所述絕緣外殼的部分外部設有套管，所述金屬傳動桿能在所述套管內上下活動或旋轉。
3.如權利要求1所述的利用浙青路面變形進行發(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或多個，當所述壓電片多于一個時，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應地設置在所述壓電片的上方。
4.如權利要求1所述的利用浙青路面變形進行發(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壁上。
5.如權利要求4所述的利用浙青路面變形進行發(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.如權利要求1、2、3、4或5所述的利用浙青路面變形進行發(fā)電的道路發(fā)電裝置，其特征在于:在埋設所述壓電結構單元時，所述絕緣外殼上表面距離道路表面4?20cm，所述金屬傳動桿的承接頭距離道路表面2?4cm。
7.如權利要求6所述的利用浙青路面變形進行發(fā)電的道路發(fā)電裝置，其特征在于:所述壓電結構單元分布在每個車道的軌跡帶范圍內，所述壓電結構單元之間的間距為5?20cmo
8.如權利要求1所述的利用浙青路面變形進行發(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、電能存儲裝置和變壓輸出裝置，所述變壓輸出裝置連接所述用電設備。
9.如權利要求1所述的利用浙青路面變形進行發(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)控設備和交通流量監(jiān)測系統(tǒng)。
【文檔編號】H02N2/18GK103986369SQ201410209703
【公開日】2014年8月13日 申請日期:2014年5月16日 優(yōu)先權日:2014年5月16日
【發(fā)明者】陳奕聲, 呂朝鋒, 楊騫 申請人:浙江大學