一種利用交通載荷的發(fā)電裝置制造方法
【專(zhuān)利摘要】本實(shí)用新型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。本實(shí)用新型把壓電結(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(zhuān)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] 本實(shí)用新型涉及道路發(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(chē)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(chē)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(chē)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] 本實(shí)用新型所要解決的技術(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] 本實(shí)用新型解決技術(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)，本實(shí)用新型還可以采用或者組合采用以下進(jìn)一步的 技術(shù)方案：
[0006] 所述第一彈性層和所述第二彈性層均采用氟膠制成。
[0007] 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。
[0008] 所述壓電結(jié)構(gòu)單元分布在路面上每個(gè)車(chē)道的輪跡帶范圍內(nèi)，其長(zhǎng)邊垂直于行車(chē)方 向，間距6~20cm，短邊沿行車(chē)方向，間距3~l〇 Cm。
[0009] 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。
[0010] 本實(shí)用新型的發(fā)電裝置適用于各類(lèi)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(lèi)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(zhuān)利附圖】

【附圖說(shuō)明】
[0011] 圖1為本實(shí)用新型的壓電結(jié)構(gòu)單元的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0012] 圖2為埋設(shè)本實(shí)用新型的發(fā)電裝置的路面的橫向剖視圖。
[0013] 圖3為埋設(shè)本實(shí)用新型的發(fā)電裝置的路面的縱向剖視圖。
[0014] 圖4為埋設(shè)本實(shí)用新型的發(fā)電裝置的路面的內(nèi)部結(jié)構(gòu)俯視圖。
[0015] 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】 [0016] 參照附圖。
[0017] 本實(shí)用新型的利用交通載荷的發(fā)電裝置包括多個(gè)埋設(shè)在道路面層1內(nèi)的壓電結(jié) 構(gòu)單元3,道路面層1是指鋪設(shè)在基層2上方，直接與通行車(chē)輛接觸的層位，承受行車(chē)荷載較 大的堅(jiān)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1內(nèi)，能夠最大程度地利用交通載荷。
[0018] 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6cmX 3cm，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(lèi)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。
[0019] 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(chē)輛避開(kāi)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 1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1的上面層和相鄰面層之間。
[0020] 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(chē)道的輪跡 帶20范圍內(nèi)，長(zhǎng)邊垂直于行車(chē)方向，間距6~20cm，短邊沿行車(chē)方向，間距：Tl〇 Cm，車(chē)道的軌 跡帶20的范圍主要是根據(jù)行車(chē)道寬度和車(chē)輪間距來(lái)確定的一個(gè)路面寬度范圍，車(chē)輛正常 行駛時(shí)通常會(huì)處于軌跡帶范圍內(nèi)。本實(shí)用新型主要利用壓電片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(chē)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(chē)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1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。
[0021] 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4引出，連接至電源控制箱5，其產(chǎn)生的電流通過(guò)導(dǎo)線4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)。
[0022] 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，從而明確本實(shí)用新型的發(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(chē)道的輪跡帶范圍內(nèi)，其長(zhǎng)邊垂直于行車(chē)方向，間距6~20cm，短邊 沿行車(chē)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)】H02N2/18GK203883700SQ201420253411
【公開(kāi)日】2014年10月15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)