CN101792996A - 一种利用正压电效应自发电沥青混凝土路面 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种利用正压电效应自发电沥青混凝土路面。通过对原材料的选取，配合比的设计，提供一种满足可以埋铺压电自发电单元的沥青混凝土，使其路用性能达到沥青混合料技术要求，并通过模拟计算该沥青混凝土路面结构层的厚度。在沥青混凝土路面结构层中埋铺至少一个压电自发电单元，在外部车辆振动或压挤下产生的机械能通过压电自发电单元转化为电能，提供给能量采集与照明装置。本发明充分利用汽车行驶过路面产生的机械能，将其转换为无污染的清洁电能，提供给道路照明，可大大缓解我国能源紧张并减少有害气体的排放，甚至可能成为我国整个节能工作的突破口，是一种清洁环保的新型节能方式，具有显著的经济价值和社会价值。

Description

一种利用正压电效应自发电沥青混凝土路面

技术领域

本发明涉及智能交通系统，特别是一种利用正压电效应自发电沥青混凝土路面。

背景技术

全球性能源紧张以及气候变化已成为国际社会普遍关注的重大问题，节能减排已经成为国际社会的共同责任。我国作为世界上最大的发展中国家，正日益成为全球关注的对象。截止到2008年底，我国发电设备装机容量达到79253万千瓦。其中火电60132万千瓦，约占总容量75.87％。可见火电在我国电力构成中占有相当大的比重，这样的电力结构导致了能耗相对大，污染相对重的局面。以2008年为例，我国煤炭消耗总量为27.4亿吨，其中电力消耗煤炭总量为14.2亿吨，约占煤炭总产量的52％。从单位煤耗来看，我国平均供电煤耗是349g/kWh，能耗大，相应的烟气和有害气体排放量就多。照明电耗虽然只占全国总电耗的15％～20％，道路照明所占比例更小，但是，从节能技术推广的角度来看，它可能成为整个节能工作的突破口。

压电效应是材料中一种机械能与电能互换的现象，压电材料会有压电效应是因为晶格内原子间特殊排列方式，使得材料有应力场与电场耦合的效应。

压电效应有两种，正压电效应及逆压电效应。正压电效应是将机械能转变成电能，即当对压电材料施以物理压力时，材料体内之电偶极矩会因压缩而变短，此时压电材料为抵抗这变化会在材料表面产生正负电荷，以保持原状。随外加应力或应变的变化，会产生电偶极距改变，使材料两端产生电荷堆积，依压电材料连接的电性负载大小，产生电能输出，此种机械能转换成电能的现象称为正压电性。

压电陶瓷作为压电自发电装置的机械能-电能换能元件，是压电自发电装置的核心元件，极化后的压电陶瓷对外呈压电性，压电自发电装置利用压电陶瓷的正压电效应产生电压和电荷，它的性能直接影响着压电自发电装置的性能优劣。由于压电自发电装置相对于其他微型发电装置，具有结构简单、不发热、无电磁干扰等优点，使其成为自供能系统研究领域中的焦点，在实际应用中有广阔的发展前途。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是：提供一种利用正压电效应自发电的沥青混凝土路面。该路面能够利用正压电效应产生电能，该电能可用于道路照明装置等多种用途。

本发明的原理是：沥青混凝土路面利用外部车辆压挤和振动产生的机械能，通过压电自发电单元转换为电能。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案：

本发明提供的一种利用正压电效应自发电的沥青混凝土路面，通过原材料的选取，配合比的设计，提供一种可以埋铺压电自发电单元的沥青混凝土，使其路用性能达到沥青混合料技术要求。并模拟计算该沥青混凝土路面结构层的厚度。在沥青混凝土路面结构层中埋铺至少一个压电自发电单元，在外部车辆振动或压挤下产生的机械能通过压电自发电单元转化为电能，提供给能量采集与照明装置。

本发明提供了一种全新利用正压电效应发电的模式，其涉及到我国交通事业的可持续发展、新型绿色能源开发与利用的问题。因此，具有以下主要优点：

1.充分开发新型绿色能源，通过采集车辆行驶过路面产生的机械能，将其变换为电能提供使用，是可再生性清洁能源；

2.解决了山区公路沿线照明用电的难题，为隧道照明节能提供了新的可再生能源及方式；

3.沥青混凝土的功能模块多元化，智能化，不是仅仅作为路面材料来使用，而是作为一种智能载体使用；

4.埋有压电自发电单元的沥青混凝土路面具有良好的路用性能及抗疲劳性能，符合沥青混合料技术要求，可广泛推广并逐步取代普通沥青混凝土路面。

截至2008年底，全国公路总里程达到373.02万公里。特别是高速公路从无到有，在不到30年的时间里建成6.03万公里，居世界第二位。在东部发达地区，高速公路车流量可以达到2000辆/小时；在西部欠发达地区，高速公路车流量可以达到800辆/小时。由此可见，巨大的车流量所产生的机械能是非常可观的。目前，这些机械能并没有充分的收集和利用。本发明通过将压电自发电单元埋入沥青混凝土结构层中，配有能量采集与照明装置，实现收集与利用车辆行驶过路面所产生的机械能。如果运用本发明，将车辆产生的机械能充分利用的话，可大大缓解我国能源紧张并减少有害气体的排放，甚至可能成为我国整个节能工作的突破口。

附图说明

图1是本发明提供的利用正压电效应自发电的沥青混凝土路面结构示意图；

图2是利用正压电效应发电的原理示意图；

图3是本发明沥青混凝土路面横断面结构示意图；

图4是本发明沥青混凝土路面纵断面结构示意图；

图5是本发明沥青混凝土路面俯视结构示意图；

具体实施方式

本发明是一种利用正压电效应自发电的沥青混凝土路面，其特征在于，它是一种由沥青混凝土1组成的路面结构，并在结构层中埋铺着至少一个压电自发电单元2，并配有与压电自发电单元2导线连接的能量采集与照明装置3。

上述沥青混凝土1的组成由粗集料，细集料，沥青及矿粉复合而成。配合比参考《公路沥青路面施工技术规范》(JTG F40-2004)中规定的AC、SMA、OGFC、ATB、AM、ATPB级配，以及Superpave等级配。粗集料和细集料采用路用性能良好的玄武岩、白云岩、花岗岩、石灰岩、石英岩等。沥青采用重交AH-70，AH-90，AH-110沥青及以此为基质的改性沥青。

依照《公路沥青施工技术规范》(JTG F40-2004)相关规定，选择符合要求的粗集料、细集料、沥青及矿粉。将现有级配AC、SMA、Superpave等结构和级配设计理论充分结合，优化和改良原有级配，找出最佳级配，使其组成满足可以埋铺压电自发电单元2要求的沥青混凝土1，且路用性能达到沥青混合料技术要求。

上述沥青混凝土路面结构层分为上、中、下三个面层，路面结构层厚度是影响路面耐久性的因素之一，而其厚度与原材料参数有密切关系，依据上述选用原材料，通过模拟计算沥青混凝土路面结构层厚度。因此，设计上面层9的厚度为2.5cm～5cm，中面层10的厚度为4cm～7cm，上面层11的厚度为5cm～9cm。

上述压电自发电单元2是具有一定长L、宽W、厚T的长方体，其内部包含若干压电元件。根据《公路沥青路面设计规范》(JTG D50-2006)，把每一侧的双轮接触面积，换算为一个当量圆，则称之为单圆荷载；把每一侧两个轮胎相应的接触面积，分别换算为两个当量圆，则称之为双圆荷载。双圆荷载当量圆直径d和单圆荷载当量直径D：

$d=\sqrt{\frac{4P}{\mathrm{\πp}}}$ $D=\sqrt{\frac{8P}{\mathrm{\πp}}}=\sqrt{2}d$

可根据不同的车流量、车辆类型、当量圆直径d或D等因素设计压电自发电单元的长L、宽W、厚T及埋铺深度H；

上述压电自发电单元2在具体参数确定后，施工时可先预置于埋铺位置，亦可在沥青混凝土路面施工后切割构造埋铺位置。

上述单个压电自发电单元2长度方向与行车道中心线方向垂直；厚度方向与行车道中心线方向夹角为α，α＝0°～90°。

上述若干压电自发电单元(2)埋铺时，与中心线垂直，且彼此距离不等，分别为L₁、L₂，成带状分布；两条发电装置带彼此距离L₃。车辆在路面上行驶时，其轮迹的横向分布是不均匀的。车辆在横断面上的分布规律对压电自发电单元的埋铺距离L₁、L₂、L₃有很大影响。在路面结构设计中，用轮迹横向分布系数η来反映轮迹横向分布频率的影响。影响η的主要因素有车辆的类型、主轴轮数量、主轴轮间距及其车轮数量、轮胎宽度等。因此，可根据实际情况确定L₁、L₂、L₃。

上述能量采集与照明装置3，其特征是，通过能量采集装置4收集压电自发电单元2产生的交流电能，经过整流、滤波后得到直流的供电电压，提供给DC-DC变换装置5使电源系统有最大的功率输出。提供给能量存储装置6或直接给道路照明装置7进行供电。附有电源监测与管理系统8，辅助判断压电自发电单元2是否正常工作。

上述压电自发电单元2埋铺于沥青混凝土路面结构之中，与能量采集与照明装置3连接。

综上所述，根据《公路沥青路面设计规范》(JTG D50-2006)，采用下述原材料制备埋铺有压电自发电单元的沥青混凝土1：

1.集料：湖北京山玄武岩，最大粒径为13.2mm，分为13.2mm～9.5mm；9.5mm～4.75mm；4.75mm～2.36mm；和小于2.36mm四档。

2.沥青：湖北科氏重交沥青AH-70；

3.矿粉：亲水系数0.9，主要化学成分C_aO(51.5％)，S_iO₂(1.76％)；

4.配合比：粗集料54％，细集料42％，矿粉4％，沥青4.8％；

通过路面结构应力分析，轮胎接触面积分析，有限元模拟及具体试验，应用上述沥青混凝土1设计沥青混凝土路面结构：

1.沥青混凝土路面结构层厚度为：上面层4cm，中面层6cm，下面层8cm；

2.压电自发电单元2的尺寸：长L＝20cm、宽W＝20cm、厚T＝2.5cm；

3.压电自发电单元2埋铺在沥青混凝土上面层8底部，即埋铺深度H＝1.5cm～4cm，倾角α＝0°，通过串并联方式连接，发电效果较好。

利用正压电效应自发电沥青混凝土路面的集料、矿粉、沥青的选择，配合比的设计，路面结构层的设计，以及压电自发电单元2尺寸、埋铺位置、埋铺方式、连接方式不限于上述情况，根据本发明技术原理，对上述成果进行修改和变形均属于本发明的保护范围。

本发明提供的一种利用正压电效应自发电沥青混凝土路面，通过以下步骤实现利用正压电效应在路面中发电，并用于道路照明：

1.调查与收集有关交通量及其组成资料，积极开展轴载谱分布的调查、测试工作；

2.调查各种路用材料，并取样试验，根据试验结果选定路面各结构层所需的材料；确定混合料的配合比，并测试、确定材料设计参数；

3.拟定路面结构层，模拟计算厚度；

4.根据步骤1，确定压电自发电单元的长L、宽W、厚T；确定埋铺深度H及倾角α，以及若干单元彼此距离L₁、L₂、L₃；

5.埋铺有压电自发电单元的沥青混凝土路面在外部车辆振动或压挤下产生的机械能通过压电自发电单元转化为电能，提供给能量采集与照明装置。

下面介绍几个关于利用正压电效应自发电沥青混凝土路面的实施例。

实施例1与实施例2：

实施例1中普通沥青混凝土的重量比：粗集料54％，细集料42％，矿粉4％，沥青4.8％；实施例2中普通沥青混凝土的重量比：粗集料54％，细集料42％，矿粉4％，沥青4.8％，但其中埋入长L＝4cm、宽W＝4cm、厚T＝2cm的压电自发电单元。实施例1、2均按照《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》中T0703-1993的轮碾法成型车辙板试件，成型时埋入压电自发电单元。车辙板试件尺寸为长300mm×宽300mm×高50mm，压电自发电单元埋在表面下20mm处。其电性能与路用性能指标如表1所示，由表1可知，实施例2埋入压电自发电单元后，其路用性能与实施例1相比，动稳定度从3140次/mm下降到2960次/mm浸水车辙动稳定度从840次/mm下降到815次/mm。渗水试验中，渗水系数无明显变化。

实施例3、实施例4与实施例5：

实施例3、4、5中普通沥青混凝土的重量比：粗集料54％，细集料42％，矿粉4％，沥青4.8％。均按照《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》中T0703-1993的轮碾法成型车辙板试件，成型时埋入上述实施例中压电自发电单元。车辙板试件尺寸为长300mm×宽300mm×高150mm。实施例3埋铺在表面下方20mm处，实施例4埋铺在表面下方70mm处，实施例5埋铺在表面下方130mm处。其电性能与路用性能指标如表2所示，由表2可知，压电自发电单元的发电量与埋铺深度有关，深度加大，发电量减小，但动稳定度增加。将三个实施例浸入25℃水中，测试发电量，输出电能变化不大。

实施例6、实施例7与实施例8：

实施例6、7、8中普通沥青混凝土的重量比：粗集料54％，细集料42％，矿粉4％，沥青4.8％。均按照《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》中T0703-1993的轮碾法成型车辙板试件，成型时埋入上述实施例中压电自发电单元。车辙板试件尺寸为长300mm×宽300mm×高50mm，压电自发电单元埋铺在表面下方20mm处。实施例6中，压电自发电单元只有80％受压；实施例7中，压电自发电单元只有60％受压；实施例8中，压电自发电单元只有40％受压。其电性能指标如表3所示，由表3可知，压电自发电单元的发电量与其受压面积有关，随受压面积的减小而减小。

表1埋入压电自发电单元路用性能指标

表2埋入不同深度压电自发电单元电性能、路用性能指标

表3不同受压面积的压电自发电单元电性能指标

Claims (9)

1.一种利用正压电效应自发电沥青混凝土路面，其特征是它包括：一种由沥青混凝土(1)组成的路面结构，埋铺在路面结构层中至少一个压电自发电单元(2)，以及与压电自发电单元(2)相连接的能量采集与照明装置(3)。

2.根据权利要求1所述的利用正压电效应自发电沥青混凝土路面，其特征是，所述的沥青混凝土(1)的组成由粗集料，细集料，沥青及矿粉复合而成；配合比根据《公路沥青路面施工技术规范》(JTG F40-2004)中规定的AC、SMA、OGFC、ATB、AM、ATPB级配，以及Superpave级配。

3.根据权利要求2所述的利用正压电效应自发电沥青混凝土路面，其特征是，所述的粗集料和细集料采用路用性能良好的玄武岩、白云岩、花岗岩、石灰岩、石英岩；沥青采用重交AH-70，AH-90，AH-110沥青及以此为基质的改性沥青。

4.根据权利要求1所述的利用正压电效应自发电沥青混凝土路面，其特征是，所述的沥青混凝土(1)路面结构层分为上、中、下三个面层，其中上面层(9)厚度2.5cm～5cm，中面层(10)厚度4cm～7cm，下面层(11)厚度5cm～9cm。

5.根据权利要求1所述的利用正压电效应自发电沥青混凝土路面，其特征是，所述的压电自发电单元(2)为长L＝4～60cm，宽W＝4～60cm，厚T＝1～6cm的长方体；每个单元中单个元件采用叠堆式结构，以高性能压电材料通过金属导电材料进行串并联组合，并置于沥青混凝土路面下，在外部车辆振动或压挤下产生的机械能通过压电自发电单元(2)转化为电能。

6.根据权利要求5所述的利用正压电效应自发电沥青混凝土路面，其特征是，所述的单个压电自发电单元(2)埋铺时根据不同尺寸，选择埋铺深度H＝1.5cm～10cm；长度方向与行车道中心线方向垂直；厚度方向与行车道中心线方向夹角为α，α＝0°～90°。

7.根据权利要求6所述的利用正压电效应自发电沥青混凝土路面，其特征是，若干个压电自发电单元(2)埋铺时，与行车道中心线方向垂直，彼此距离不等，按L1＝0～10cm，L2＝10～50cm埋铺，形成发电装置带；两条压电自发电装置带彼此距离L3＝1m～50m。

8.根据权利要求1所述的利用正压电效应自发电沥青混凝土路面，其特征是，所述的能量采集与照明装置(3)通过能量采集装置(4)收集压电自发电单元(2)产生的交流电能，经过整流、滤波后得到直流的供电电压，提供给DC-DC变换装置(5)使电源系统有最大的功率输出；提供给能量存储装置(6)或直接给道路照明装置(7)进行供电；附有电源监测与管理系统(8)，辅助判断压电自发电单元(2)是否正常工作。

9.权利要求1所述的一种利用正压电效应自发电沥青混凝土路面，应用于高等级公路，隧道，桥面铺装或飞机场跑道路面，以及市内公路和人行街道。

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