本發(fā)明屬于道路工程領(lǐng)域，涉及壓電換能器，具體涉及一種集成式壓電換能模塊及其應(yīng)用。

背景技術(shù)：

能源問(wèn)題當(dāng)前已成為世界性難題，能源危機(jī)嚴(yán)重遏制國(guó)家的經(jīng)濟(jì)發(fā)展與國(guó)民生活水平的提高，清潔能源的發(fā)展已成為國(guó)家能源戰(zhàn)略發(fā)展的重要組成。我國(guó)道路工程發(fā)展迅猛，公路路面在整個(gè)使用壽命周期內(nèi)將承受極大交通量，交通荷載作用下路面產(chǎn)生震動(dòng)變形產(chǎn)生可觀(guān)的機(jī)械能，這部分能量未能夠進(jìn)行有效利用。發(fā)電路面技術(shù)利用各種車(chē)輛行駛過(guò)程中對(duì)路面產(chǎn)生的輪載壓力，經(jīng)傳遞到換能器處產(chǎn)生電力輸出。壓電能量收集過(guò)程清潔無(wú)污染，這部分能源的開(kāi)發(fā)與利用將會(huì)極大緩解現(xiàn)階段能源緊缺的現(xiàn)狀，產(chǎn)生巨大經(jīng)濟(jì)效益，對(duì)于國(guó)家能源戰(zhàn)略布局有極大現(xiàn)實(shí)意義。

壓電發(fā)電路面技術(shù)現(xiàn)階段仍不成熟，在實(shí)際工程中將壓電單元直接埋置于路面內(nèi)部不僅施工難度大且易發(fā)生應(yīng)力集中現(xiàn)象而導(dǎo)致壓電單元受損失去功能；同時(shí)由于行車(chē)荷載的瞬時(shí)性以及路面不均勻變形，壓電單元易發(fā)生負(fù)載不均勻?qū)е螺敵鲭妷航蛔儾环€(wěn)定，路面內(nèi)部眾多發(fā)電單元產(chǎn)生的不均勻能量處理困難，難以直接利用；此外由于埋置于瀝青路面變形不均勻，經(jīng)常出現(xiàn)壓電單元變形小能量利用率低的現(xiàn)象。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)存在的不足，本發(fā)明的目的在于，提供一種一種集成式壓電換能模塊及其應(yīng)用，解決現(xiàn)有的壓電發(fā)電模塊集成化程度低，引線(xiàn)繁復(fù)的技術(shù)問(wèn)題。

為了解決上述技術(shù)問(wèn)題，本發(fā)明采用如下技術(shù)方案予以實(shí)現(xiàn)：

一種集成式壓電換能模塊，包括底板和設(shè)置在底板上的多個(gè)基座，所述的基座上還配套有蓋體；

所述的基座上加工有頂部開(kāi)放的安裝孔，安裝孔內(nèi)安裝有壓電換能器，基座的一對(duì)側(cè)壁上加工有一對(duì)平行的滑槽，蓋體底部設(shè)置有與滑槽相互配合的一對(duì)滑軌，蓋體上與一對(duì)滑軌相鄰的一個(gè)側(cè)壁設(shè)置為可拆卸的側(cè)蓋板，通過(guò)滑軌與滑槽的配合將蓋體蓋合在底座上；所述的滑槽的寬度大于滑軌的厚度，蓋體和壓電換能器之間還放置有橡膠襯墊，使得蓋體承受載荷后能夠相對(duì)于基座上下反復(fù)運(yùn)動(dòng)給壓電換能器施加載荷；

所述的基座上與一對(duì)滑槽相鄰的一個(gè)側(cè)壁設(shè)置為可拆卸的側(cè)基板，側(cè)基板上一部分作為安裝孔的內(nèi)壁；側(cè)基板上加工有整流穩(wěn)壓模塊安裝腔，整流穩(wěn)壓模塊安裝腔底部的側(cè)基板內(nèi)嵌入有接觸電極輸入端和接觸電極輸出端，整流穩(wěn)壓模塊裝入整流穩(wěn)壓模塊安裝腔后，整流穩(wěn)壓模塊的整流穩(wěn)壓輸入端與接觸電極輸入端接觸導(dǎo)通，整流穩(wěn)壓模塊的整流穩(wěn)壓輸出端與接觸電極輸出端接觸導(dǎo)通；

所述的安裝孔內(nèi)安裝有一對(duì)與壓電換能器上的一對(duì)電極相接觸導(dǎo)通的固定導(dǎo)電片，固定導(dǎo)電片與接觸電極輸入端接觸導(dǎo)通將壓電換能器產(chǎn)生的電能輸入穩(wěn)壓整流模塊。

本發(fā)明還具有如下區(qū)別技術(shù)特征：

所述的側(cè)蓋板上設(shè)置有第一插銷(xiāo)，所述的蓋體上設(shè)置有與第一插銷(xiāo)對(duì)應(yīng)的第一插銷(xiāo)孔，通過(guò)第一插銷(xiāo)和第一插銷(xiāo)孔的配合將側(cè)蓋板拼裝在蓋體上。

所述的側(cè)基板底部設(shè)置有第二插銷(xiāo)孔，所述的底板上設(shè)置有與第二插銷(xiāo)孔對(duì)應(yīng)的第二插銷(xiāo)，通過(guò)第二插銷(xiāo)孔和第二插銷(xiāo)的配合將側(cè)基板拼裝在基座上。

所述的固定導(dǎo)電片與安裝孔的內(nèi)壁之間設(shè)置有彈簧。

所述的固定導(dǎo)電片通過(guò)纏繞接觸的方式與接觸電極輸入端接觸導(dǎo)通。

所述的底板內(nèi)加工有導(dǎo)線(xiàn)槽，導(dǎo)線(xiàn)槽內(nèi)設(shè)置有與接觸電極輸出端相接觸導(dǎo)通的導(dǎo)電件，導(dǎo)電件與導(dǎo)線(xiàn)相連輸送電能。

所述的壓電換能器包括柱狀殼體，柱狀殼體的內(nèi)壁上設(shè)置有彈性壓電層，彈性壓電層與設(shè)置在柱狀殼體外部的一對(duì)電極相導(dǎo)通；柱狀殼體的中心設(shè)置有主液壓缸，主液壓缸頂部安裝有受壓活塞，主液壓缸的側(cè)壁上均勻設(shè)置有多個(gè)徑向液壓缸，徑向液壓缸與主液壓缸相連通，每個(gè)徑向液壓缸上安裝有液壓活塞桿，液壓活塞桿的端部安裝有加壓板，受壓活塞受壓后通過(guò)液壓油傳遞壓力，使得加壓板與彈性壓電層接觸進(jìn)行壓電發(fā)電；

所述的彈性壓電層包括多層壓電層單元，每個(gè)壓電層單元包括依次疊放在一起的環(huán)形金屬片、環(huán)形橡膠片和環(huán)形壓電片。

所述的彈性壓電層中包括三層壓電層單元。

所述的壓電層單元中的環(huán)形金屬片與加壓板直接接觸，靠近柱狀殼體內(nèi)壁的環(huán)形壓電片與柱狀殼體之間通過(guò)環(huán)形金屬片隔開(kāi)。

所述的受壓活塞和液壓活塞桿上均設(shè)置有密封套。

所述的集成式壓電換能模塊用于鋪設(shè)在高速公路單行車(chē)道路面下或公交站臺(tái)路面下進(jìn)行壓電發(fā)電的應(yīng)用。

本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比，具有如下技術(shù)效果：

(ⅰ)本發(fā)明將整流穩(wěn)壓模塊與壓電換能器集成模塊化，保證能量輸出穩(wěn)定性，簡(jiǎn)化安裝使用步驟，降低施工成本。本發(fā)明將豎向震動(dòng)變形轉(zhuǎn)化為環(huán)狀變形，提高了能量利用效率，有效提高了發(fā)電路面的能量輸出。

(ⅱ)本發(fā)明簡(jiǎn)化了輸出線(xiàn)路，安裝簡(jiǎn)便，提高施工效率。本發(fā)明可拓展性強(qiáng)，可以批量規(guī)模化生產(chǎn)組裝，提高產(chǎn)品的適用性。本發(fā)明結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，方便施工與后期回收利用。

(ⅲ)本發(fā)明的模塊適應(yīng)現(xiàn)代化施工要求、批量生產(chǎn)、應(yīng)用范圍廣，保證了發(fā)電模塊的集成化，方便后期的回收處理與再利用，可以廣泛應(yīng)用在高速公路、城市道路、機(jī)場(chǎng)道路和特殊地區(qū)道路及人行道、非機(jī)動(dòng)車(chē)道等。

附圖說(shuō)明

圖1是本發(fā)明的整體結(jié)構(gòu)示意圖。

圖2是基座的正視結(jié)構(gòu)示意圖。

圖3是基座的俯視結(jié)構(gòu)示意圖。

圖4是側(cè)基板的拆分結(jié)構(gòu)示意圖。

圖5是壓電換能器的外觀(guān)示意圖。

圖6是壓電換能器的內(nèi)部正視結(jié)構(gòu)示意圖。

圖7是壓電換能器的內(nèi)部俯視結(jié)構(gòu)示意圖。

圖8是本發(fā)明的集成布設(shè)示意圖。

圖9是用于鋪設(shè)在高速公路單行車(chē)道路面下的布設(shè)示意圖。

圖10是用于鋪設(shè)在公交站臺(tái)路面下的布設(shè)示意圖。

圖中各個(gè)標(biāo)號(hào)的含義為：1-底板，2-基座，3-蓋體，4-安裝孔，5-壓電換能器，6-滑槽，7-滑軌，8-側(cè)蓋板，9-側(cè)基板，10-整流穩(wěn)壓模塊安裝腔，11-接觸電極輸入端，12-接觸電極輸出端，13-整流穩(wěn)壓模塊，14-固定導(dǎo)電片，15-第一插銷(xiāo)，16-第一插銷(xiāo)孔，17-第二插銷(xiāo)孔，18-第二插銷(xiāo)，19-導(dǎo)線(xiàn)槽，20-導(dǎo)線(xiàn)，21-橡膠襯墊，22-彈簧；

(5-1)-柱狀殼體，(5-2)-彈性壓電層，(5-3)-電極，(5-4)-主液壓缸，(5-5)-受壓活塞，(5-6)-徑向液壓缸，(5-7)-液壓活塞桿，(5-8)-加壓板，(5-9)-液壓油，(5-10)-密封套；(5-2-1)-壓電層單元，(5-2-2)-環(huán)形金屬片，(5-2-3)-環(huán)形橡膠片，(5-2-4)-環(huán)形壓電片；

(13-1)-整流穩(wěn)壓輸入端，(13-2)-整流穩(wěn)壓輸出端。

以下結(jié)合實(shí)施例對(duì)本發(fā)明的具體內(nèi)容作進(jìn)一步詳細(xì)解釋說(shuō)明。

具體實(shí)施方式

以下給出本發(fā)明的具體實(shí)施例，需要說(shuō)明的是本發(fā)明并不局限于以下具體實(shí)施例，凡在本申請(qǐng)技術(shù)方案基礎(chǔ)上做的等同變換均落入本發(fā)明的保護(hù)范圍。

實(shí)施例1：

遵從上述技術(shù)方案，如圖1至圖7所示，本實(shí)施例給出一種集成式壓電換能模塊，包括底板1和設(shè)置在底板1上的多個(gè)基座2，所述的基座2上還配套有蓋體3；

所述的基座2上加工有頂部開(kāi)放的安裝孔4，安裝孔4內(nèi)安裝有壓電換能器5，基座2的一對(duì)側(cè)壁上加工有一對(duì)平行的滑槽6，蓋體3底部設(shè)置有與滑槽6相互配合的一對(duì)滑軌7，蓋體3上與一對(duì)滑軌7相鄰的一個(gè)側(cè)壁設(shè)置為可拆卸的側(cè)蓋板8，通過(guò)滑軌7與滑槽6的配合將蓋體3蓋合在底座2上；所述的滑槽6的寬度大于滑軌7的厚度，蓋體3和壓電換能器5之間還放置有橡膠襯墊21，使得蓋體3承受載荷后能夠相對(duì)于基座2上下反復(fù)運(yùn)動(dòng)給壓電換能器5施加載荷；

所述的基座2上與一對(duì)滑槽6相鄰的一個(gè)側(cè)壁設(shè)置為可拆卸的側(cè)基板9，側(cè)基板9上一部分作為安裝孔4的內(nèi)壁；側(cè)基板9上加工有整流穩(wěn)壓模塊安裝腔10，整流穩(wěn)壓模塊安裝腔10底部的側(cè)基板9內(nèi)嵌入有接觸電極輸入端11和接觸電極輸出端12，整流穩(wěn)壓模塊13裝入整流穩(wěn)壓模塊安裝腔10后，整流穩(wěn)壓模塊13的整流穩(wěn)壓輸入端13-1與接觸電極輸入端11接觸導(dǎo)通，整流穩(wěn)壓模塊13的整流穩(wěn)壓輸出端13-2與接觸電極輸出端12接觸導(dǎo)通；

所述的安裝孔4內(nèi)安裝有一對(duì)與壓電換能器5上的一對(duì)電極5-3相接觸導(dǎo)通的固定導(dǎo)電片14，固定導(dǎo)電片14與接觸電極輸入端11接觸導(dǎo)通將壓電換能器5產(chǎn)生的電能輸入穩(wěn)壓整流模塊13。

具體的，側(cè)蓋板8上設(shè)置有第一插銷(xiāo)15，所述的蓋體3上設(shè)置有與第一插銷(xiāo)15對(duì)應(yīng)的第一插銷(xiāo)孔16，通過(guò)第一插銷(xiāo)15和第一插銷(xiāo)孔16的配合將側(cè)蓋板8拼裝在蓋體3上。側(cè)基板9底部設(shè)置有第二插銷(xiāo)孔17，所述的底板1上設(shè)置有與第二插銷(xiāo)孔17對(duì)應(yīng)的第二插銷(xiāo)18，通過(guò)第二插銷(xiāo)孔17和第二插銷(xiāo)18的配合將側(cè)基板9拼裝在基座2上，便于拆卸安裝。

固定導(dǎo)電片14與安裝孔4的內(nèi)壁之間設(shè)置有彈簧22，增加接觸導(dǎo)通的緊密性。

固定導(dǎo)電片14通過(guò)纏繞接觸的方式與接觸電極輸入端11接觸導(dǎo)通。

接觸電極輸入端11和接觸電極輸出端12均采用導(dǎo)電系數(shù)高且不易氧化的金屬制成，設(shè)置成符合整流穩(wěn)壓裝置引腳形狀的圓筒狀。

整流穩(wěn)壓模塊13采用普通整流穩(wěn)壓模塊，包含整流橋與濾波電路，可有效處理壓電換能器5產(chǎn)生的能量；引腳材料選用與接觸電極耦合性較好的材料。

底板1內(nèi)加工有導(dǎo)線(xiàn)槽19，導(dǎo)線(xiàn)槽19內(nèi)設(shè)置有與接觸電極輸出端12相接觸導(dǎo)通的導(dǎo)電件，導(dǎo)電件與導(dǎo)線(xiàn)20相連輸送電能，規(guī)整線(xiàn)路，減少導(dǎo)線(xiàn)數(shù)量。

底板1、基座2和蓋體3的材料選擇絕緣且力學(xué)性能較好的硫化機(jī)隔熱板(玻璃纖維樹(shù)脂隔熱板)制成，可由優(yōu)質(zhì)尼龍板、耐高溫尼龍板、含油耐磨尼龍板塊、mc尼龍滑塊、環(huán)氧玻纖板，電木板等材料加工切割制成。

作為本實(shí)施例中的一種優(yōu)選方案，壓電換能器5包括柱狀殼體5-1，柱狀殼體5-1的內(nèi)壁上設(shè)置有彈性壓電層5-2，彈性壓電層5-2與設(shè)置在柱狀殼體5-1外部的一對(duì)電極5-3相導(dǎo)通；柱狀殼體5-1的中心設(shè)置有主液壓缸5-4，主液壓缸5-4頂部安裝有受壓活塞5-5，主液壓缸5-4的側(cè)壁上均勻設(shè)置有多個(gè)徑向液壓缸5-6，徑向液壓缸5-6與主液壓缸5-4相連通，每個(gè)徑向液壓缸5-4上安裝有液壓活塞桿5-7，液壓活塞桿5-7的端部安裝有加壓板5-8，受壓活塞5-5受壓后通過(guò)液壓油5-9傳遞壓力，使得加壓板5-8與彈性壓電層5-2接觸進(jìn)行壓電發(fā)電；

彈性壓電層5-2包括多層壓電層單元5-2-1，每個(gè)壓電層單元5-2-1包括依次疊放在一起的環(huán)形金屬片5-2-2、環(huán)形橡膠片5-2-3和環(huán)形壓電片5-2-4。

徑向液壓缸5-6的個(gè)數(shù)可以根據(jù)實(shí)際需要進(jìn)行設(shè)計(jì)布局。主液壓缸5-4上通常都會(huì)設(shè)置注油孔，用于向液壓缸注油與卸油。

彈性壓電層5-2中包括三層壓電層單元5-2-1，層數(shù)可以根據(jù)實(shí)際需要設(shè)定，由環(huán)氧樹(shù)脂封裝成成體。

壓電層單元5-2-1中的環(huán)形金屬片5-2-2與加壓板5-8直接接觸，靠近柱狀殼體5-1內(nèi)壁的環(huán)形壓電片5-2-4與柱狀殼體5-1之間通過(guò)環(huán)形金屬片5-2-2隔開(kāi)，保護(hù)環(huán)形壓電片5-2-4在發(fā)生形變的過(guò)程中不會(huì)遭到破壞并且能夠在外力撤銷(xiāo)后恢復(fù)至初始位置。

加壓板5-8的形狀與彈性壓電層5-2的弧面相貼合，也為弧面狀。

壓電換能器5的主體材質(zhì)為鋼材；底板1和基座2采用peek材料定制；蓋體3選用剛度較大的鈹青銅，表面定制花紋并且打毛以使表面粗糙；橡膠襯墊22為普通圓形硬塑橡膠。

環(huán)形壓電片5-2-4采用壓電材料聚偏二氟乙烯pvdf制成。

受壓活塞5-5和液壓活塞桿5-7上均設(shè)置有密封套5-10。

本發(fā)明的集成式壓電換能模塊在使用時(shí)，按照如下方法進(jìn)行組裝：

將整流穩(wěn)壓模塊13上的整流穩(wěn)壓輸入端13-1與整流穩(wěn)壓輸出端13-2插入對(duì)應(yīng)的接觸電極輸入端11和接觸電極輸出端12中，將固定導(dǎo)電片14的一端纏繞在接觸電極輸入端11上，插入側(cè)基板9上的整流穩(wěn)壓模塊安裝腔10內(nèi)，完成側(cè)基板9組裝。組裝完成的側(cè)基板9通過(guò)第二插銷(xiāo)孔17與對(duì)應(yīng)的第二插銷(xiāo)18配合拼裝在底板1上，將固定導(dǎo)電片14與彈簧22固定安裝在安裝孔4中，導(dǎo)線(xiàn)20固定在導(dǎo)線(xiàn)槽19內(nèi)，完成底板1的拼裝。集成的壓電換能器5卡入安裝孔4內(nèi)，彈簧22保證壓電換能器5的電極5-3與安裝孔4內(nèi)的固定導(dǎo)電片14導(dǎo)通良好，完成發(fā)電模塊組裝。在壓電換能器5上放置橡膠襯墊21，蓋體3底部的滑軌7沿著基座2側(cè)壁加工的平行滑槽6滑入，使得蓋體3蓋合在底座2上，側(cè)蓋板8通過(guò)第一插銷(xiāo)15與第一插銷(xiāo)孔16的配合組合蓋體3完成頂板的組合拼裝，完成整個(gè)埋設(shè)單元的拼裝。

圖8為本發(fā)明的一種組裝方式，按照基座為3×4的陣列形成一個(gè)集成式壓電換能模塊為一組，組裝完成為一個(gè)埋設(shè)單元。具體的布設(shè)方式如下：在路面準(zhǔn)備埋設(shè)單元的安裝槽，對(duì)于新建路面，瀝青鋪筑前在行車(chē)道輪跡帶下方提前布設(shè)好各埋設(shè)單元，對(duì)于舊瀝青路面，采用開(kāi)槽機(jī)開(kāi)設(shè)安裝槽；導(dǎo)線(xiàn)連接各埋設(shè)單元，布設(shè)總線(xiàn)引至能量輸出控制模塊；為保證埋設(shè)單元安全與鋪筑質(zhì)量，在布設(shè)好壓電導(dǎo)電系統(tǒng)后鋪筑一層薄水泥混凝土，水泥混凝土厚度不超過(guò)荷載條件下頂板底面。水泥混凝土形成強(qiáng)度后，對(duì)路面進(jìn)行填埋，完成布設(shè)。

實(shí)施例2：

本實(shí)施例給出如實(shí)施例1中所述的集成式壓電換能模塊用于鋪設(shè)在高速公路單行車(chē)道路面下進(jìn)行壓電發(fā)電的應(yīng)用。

步驟一，組裝埋設(shè)單元。l3為埋設(shè)單元長(zhǎng)度，l4為埋設(shè)單元寬度，選擇如圖8所示的埋設(shè)單元為本次埋設(shè)的基礎(chǔ)形式，按圖9所示組裝方式完成埋設(shè)單元的組裝。

步驟二，布設(shè)壓電系統(tǒng)。在鋪筑瀝青混凝土前，以10個(gè)壓電埋設(shè)單元為一組，l2為路中線(xiàn)距基板邊緣距離，l1為每個(gè)埋設(shè)單元間隔，定位布設(shè)完畢進(jìn)行線(xiàn)路連接，布設(shè)總線(xiàn)引出端；在布設(shè)好壓電導(dǎo)電系統(tǒng)后鋪筑一層薄水泥混凝土，水泥混凝土厚度不超過(guò)荷載條件下蓋體的底面。

步驟三，路面鋪裝與能量利用。水泥混凝土形成強(qiáng)度后，進(jìn)行路面鋪筑，完成埋設(shè)單元布設(shè)，將總線(xiàn)接入能量輸出控制模塊，電能存儲(chǔ)在儲(chǔ)能器中，在存儲(chǔ)器蓄滿(mǎn)能量后控制電能經(jīng)逆變器與變壓器并聯(lián)至電網(wǎng)完成能量收集利用。

實(shí)施例3：

本實(shí)施例給出如實(shí)施例1中所述的集成式壓電換能模塊用于鋪設(shè)在公交站臺(tái)路面下進(jìn)行壓電發(fā)電的應(yīng)用。

本實(shí)施例與實(shí)施例2實(shí)施步驟基本相同，不同之處為：如圖10所示，布設(shè)位置在公交站臺(tái)下，l5為距路緣石一側(cè)距離。埋設(shè)單元同實(shí)施例2，10個(gè)埋設(shè)單元為一組，l1為每個(gè)埋設(shè)單元間隔，l6為埋設(shè)單元距開(kāi)槽邊緣距離；壓電單元布設(shè)及鋪裝完成，能量輸出控制模塊保證白天時(shí)刻電能存儲(chǔ)在蓄電池組，傍晚開(kāi)始為公交站牌及廣告牌提供電能。

測(cè)試?yán)?/p>

本測(cè)試?yán)械膲弘姄Q能模塊中，彈性壓電層5-2通過(guò)8層壓電層單元5-2-1組成，環(huán)形壓電片5-2-4的單層厚度為1mm?；緣弘姄Q能模塊組合形式(基座個(gè)數(shù))選擇1×1，2×2，3×3，4×4，5×5共計(jì)5種，模塊間連接形式為并聯(lián)，埋入加速加載試驗(yàn)場(chǎng)內(nèi)，按上述步驟進(jìn)行安裝布設(shè)，以加速加載設(shè)備alf分別以40kn、60kn和80kn軸載模擬行車(chē)荷載進(jìn)行發(fā)電效果測(cè)試。測(cè)試效果如下表1所示。由表1可知，裝置規(guī)格在1×1到5×5間，在相同軸載作用下輸出電壓穩(wěn)定，隨著軸載增加輸出電壓隨之上升。試驗(yàn)結(jié)束后拆除裝置，各個(gè)換能器發(fā)電效果正常，無(wú)損壞現(xiàn)象，每個(gè)模塊零部件無(wú)損壞現(xiàn)象。

表1性能測(cè)試結(jié)果