CN103956934A - 一种叠柱式沥青路面能量收集装置 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及新能源收集转化设备领域，特别是涉及一种适用于沥青混凝土路面的叠柱式沥青路面能量收集装置及其用途。本发明提供一种适用于沥青混凝土路面的叠柱式沥青路面能量收集装置，包括水平设置的上表面顶板和下表面顶板，所述上表面顶板和下表面顶板之间为封装层，所述封装层中设有一个以上竖直的压电陶瓷柱单元，所述压电陶瓷柱单元的顶部与上表面顶板通过金属片相连，底部与下表面顶板通过金属片相连，每个压电陶瓷柱单元均包含若干压电陶瓷柱本体，所述各压电陶瓷柱本体之间均设有金属片。本发明为道路工程与能量收集的结合，提供了一种与沥青路面协同性好、能量转化效率高的叠柱式沥青路面能量收集装置。
Description
技术领域
本发明涉及新能源收集转化设备领域，特别是涉及一种适用于沥青混凝土路面的叠柱式沥青路面能量收集装置及其用途。
背景技术
全球一次能源以可预见耗竭的石化能源为主的能量供应现状，迫切要求加速可再生能源的发展。沥青混凝土路面中所蕴含的能量作为一种新型可再生的绿色能源，近年来受到广泛的关注。沥青混凝土路面在行车荷载作用下，会产生应力、应变、变形以及振动等结构响应，从而产生机械能。以一辆60km/h速度行驶的车辆为例，一次标准轴载通过在路面深40mm处所产生的机械能约为0.644J。我国沥青路面约45万公里，其潜在的可利用能量非常可观。
沥青混凝土路面内的机械能可以利用压电效应进行转换收集。利用压电效应把机械能转换成电能，这在国内外都已进行了研究。以色列海法的因诺瓦公司和海法理工学院联合科研小组宣布在2008年研制出了一种基于压电效应的可用于路面的能量收集系统。然而，国外用于道路能量收集的技术尚处于保密，未有任何的技术资料可供直接参考。国内虽然在压电材料和压电换能方面研究较多，但是对道路机械能的转换和收集理论的研究未见相关报道。同时，在道路工程领域，对路面的结构相应的研究主要集中在路面设计、材料、维护等方面，并没有从能量利用角度进行研究。
为使得压电换能器能够与沥青路面良好地协同工作，同时又能够产生尽可能多的能量，应用于道路工程领域的压电换能器必须具有合适的刚度、较高的能量转化效率以及较大的能量传输系数。但通过相关研究发现，现有的压电换能器或刚度不合适，或能量转化效率低，或能量传输系数小，都无法同时满足道路能量收集的要求。因此，迫切需要提供一种与沥青路面协同性好、能量转化效率高的沥青路面能量收集装置。
发明内容
鉴于以上所述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种适用于沥青混凝土路面的叠柱式沥青路面能量收集装置及其用途，用于解决现有技术中问题。
为实现上述目的及其他相关目的，本发明第一方面提供一种适用于沥青混凝土路面的叠柱式沥青路面能量收集装置，包括水平设置的上表面顶板和下表面顶板，所述上表面顶板和下表面顶板之间为封装层，所述封装层中设有一个以上竖直的压电陶瓷柱单元，所述压电陶瓷柱单元的顶部与上表面顶板通过金属片相连，底部与下表面顶板通过金属片相连，每个压电陶瓷柱单元均包含若干压电陶瓷柱本体，所述各压电陶瓷柱本体之间均设有金属片。
当封装层中设有两个以上竖直的压电陶瓷柱单元时，所述压电陶瓷柱单元均匀分布于封装层中。
优选的，所述封装层的材料选自橡胶或沥青砂。
优选的，金属片与压电陶瓷柱单元、上表面顶板、下表面顶板之间均通过粘结层粘合。
更优选的，所述粘结层选自导电胶或强力胶中的一种或两种的组合。
进一步优选的，所述导电胶采用体积电阻率在10-3～10-4Ω·cm的导电胶；所述强力胶剪切强度大于10MPa。
优选的，所述上、下表面顶板互相平行且大小和形状相同。
更优选的，所述每个压电陶瓷柱单元包含2-10个压电陶瓷柱本体，并由压电陶瓷柱本体叠加而成。
更优选的，所述压电陶瓷柱单元个数为15-25个，高度为1cm-8cm。
更优选的，所述压电陶瓷柱本体的材料为PZT-5H压电陶瓷，高度为0.5cm-2cm，横截面积为0.15cm2-0.6cm2，所述金属片材料为方形铜电极，厚度为0.2mm-0.5mm，面积为1cm2-1.7cm2。
更优选的，所述上、下表面顶板均为圆形铁板，厚度为5mm-10mm，水平截面积为356cm2-712cm2。
当上、下表面顶板均为圆形时，所述压电陶瓷柱单元以同心圆的分布方式，均匀分布在所述封装层中。
进一步优选的，所述封装层中以顶板的圆心为圆心共设有内、外两圈压电陶瓷柱单元，外圈压电陶瓷柱单元的设置半径为9.5cm-13.5cm，内圈压电陶瓷柱单元的设置半径为5.5cm-7.7cm，此外圆心还设有一个压电陶瓷柱单元。
本发明第二方面提供所述叠柱式沥青路面能量收集装置在沥青混凝土路面能量收集领域的用途。
本发明第三方面提供一种沥青混凝土路面能量收集方法，所述方法具体为：将所述叠柱式沥青路面能量收集装置沿行车轮迹带方向埋设于沥青混凝土路面中，并将各叠柱式沥青路面能量收集装置与储能器相连，以收集沥青混凝土路面能量。
优选的，所述叠柱式沥青路面能量收集装置的埋设深度为2cm左右。其中，各装置无间距紧密排列，且相互间并联于电路上。
本发明所提供的上述装置主要用于沥青路面能量的收集，发明人结合有限元模拟和室内实测，结果表明叠柱式沥青路面能量收集装置能承受0.7MPa的道路中轮-地接触应力荷载并能产生接近700V的电压，可以满足沥青路面荷载要求。叠柱式沥青路面能量收集装置在经历20万次荷载作用后，顶面的竖向变形为1mm左右，与沥青路面的应变差异为10%，同时装置内部的压电陶瓷柱单元并没有发生碎裂现象，表现出了叠柱式沥青路面能量收集装置良好的协同性和抗疲劳性。
本发明的有益效果是：采用的叠柱式结构，使得能量收集装置能够承受一般行车荷载的作用而不致破坏，并且使得其刚度变化与沥青路面的刚度变化差异小，具有良好的变形协同性，从而减小了对沥青路面性能的影响；压电材料采用压电应变常数和压电电压常数高的PZT-5H压电陶瓷，使得能量收集装置具有较高的能量转化效率。本发明为道路工程与能量收集的结合，提供了一种与沥青路面协同性好、能量转化效率高的叠柱式沥青路面能量收集装置，解决了一般能量收集装置运用在路面上协同性差、能量转化效率低的问题。
附图说明
图1显示为本发明叠柱式沥青路面能量收集装置结构侧视示意图。
图2显示为本发明叠柱式沥青路面能量收集装置结构俯视示意图。
图3显示为本发明叠柱式沥青路面能量收集系统在双车道沥青道路上的埋设分布图。
图4显示为本发明叠柱式沥青路面能量收集装置结构俯视示意图。
元件标号说明
1 上表面顶板
2 封装层
3 压电陶瓷柱单元
4 压电陶瓷柱本体
5 金属片
6 粘结层
7 叠柱式沥青路面能量收集装置
8 下表面顶板
具体实施方式
以下由特定的具体实施例说明本发明的实施方式，熟悉此技术的人士可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点及功效。
请参阅图1至图4。须知，本说明书所附图式所绘示的结构、比例、大小等，均仅用以配合说明书所揭示的内容，以供熟悉此技术的人士了解与阅读，并非用以限定本发明可实施的限定条件，故不具技术上的实质意义，任何结构的修饰、比例关系的改变或大小的调整，在不影响本发明所能产生的功效及所能达成的目的下，均应仍落在本发明所揭示的技术内容得能涵盖的范围内。同时，本说明书中所引用的如“上”、“下”、“左”、“右”、“中间”及“一”等的用语，亦仅为便于叙述的明了，而非用以限定本发明可实施的范围，其相对关系的改变或调整，在无实质变更技术内容下，当亦视为本发明可实施的范畴。
实施例1
如图1所示一种叠柱式沥青路面能量收集装置，上表面顶板1和下表面顶板8为半径为11cm的圆形，其厚度为5mm。封装层2的尺寸为底面半径为11cm，高为1.6cm且填充沥青砂的圆柱体。在上表面顶板1和下表面顶板8之间密实布置21个压电陶瓷柱单元3，其中压电陶瓷柱单元3由三个压电陶瓷柱本体4叠加而成，压电陶瓷柱单元3与表面顶板直接设有金属片5，各压电陶瓷柱本体4之间设有金属片5。压电陶瓷柱本体4、上表面顶板1和下表面顶板8均通过粘结层6粘合。粘结层6为导电胶和强力胶的组合。压电陶瓷柱本体4采用PZT-5H压电陶瓷，高度为5mm，横截面积为0.196cm2。金属片5材料为方形铜电极，厚度为0.2mm，面积为1cm2。金属片5与压电陶瓷柱单元3、上表面顶板1、下表面顶板8之间均通过粘结层6粘合，其中压电陶瓷柱单元3由三个压电陶瓷柱本体4叠加而成，粘结层6为导电胶和强力胶的组合，导电胶的体积电阻率为8.5*10-4Ω·cm；强力胶的剪切强度为30MPa。
如图2所示21个压电陶瓷柱单元3的布置模式，以上表面顶板1和下表面顶板8的圆心为圆心，按圆形等距分列布置共布置两列，在半径为9.5cm的圆上等距布置十二个压电陶瓷柱单元3，在半径为5.5cm的圆上等距布置八个压电陶瓷柱单元3，此外圆心处布置一个压电陶瓷柱单元3。
在实施时，按图3的埋设方式将叠柱式沥青路面能量收集装置7沿行车轮迹带方向埋设在沥青混凝土路面深度为2cm处。其中，各装置无间距紧密排列，且相互间并联于电路上。
根据上述说明所制作而成的叠柱式沥青路面能量收集装置，在MMLS加速加载模拟器0.75MPa的行车荷载作用下，单个压电陶瓷柱本体4可产生高达700V的电压。通过进一步计算可得，整个叠柱式沥青路面能量收集装置在一次行车荷载作用下可产生约1.82mJ的能量。并且在施加20万次行车荷载作用过程中，叠柱式沥青路面能量收集装置的能量输出始终保证稳定，具有良好的抗疲劳性能。
假设在日均交通流量为10000辆的双车道一级沥青公路上按图3所示在1000米路段内埋设上述叠柱式沥青路面能量收集装置，根据实验数据计算，那么一天内该路段可产生1460kJ的能量。
实施例2
如图1所示一种叠柱式沥青路面能量收集装置（除压电陶瓷柱单元3由四个压电陶瓷柱本体4构成外，其余结构均与图1相同），上表面顶板1和下表面顶板8为半径为15cm的圆形，其厚度为10mm。封装层2的尺寸为底面半径为15cm，高为8cm且填充沥青砂的圆柱体。在上表面顶板1和下表面顶板8之间密实布置15个压电陶瓷柱单元3，其中压电陶瓷柱单元3由四个压电陶瓷柱本体4叠加而成，压电陶瓷柱单元3与表面顶板直接设有金属片5，各压电陶瓷柱本体4之间设有金属片5。压电陶瓷柱本体4、上表面顶板1和下表面顶板8均通过粘结层6粘合。粘结层6为导电胶和强力胶的组合。压电陶瓷柱本体4采用PZT-5H压电陶瓷，高度为1.9cm，横截面积为0.6cm2。金属片5材料为方形铜电极，厚度为0.5mm，面积为1.7cm2。金属片5与压电陶瓷柱单元3、上表面顶板1、下表面顶板8之间均通过粘结层6粘合，其中压电陶瓷柱单元3由四个压电陶瓷柱本体4叠加而成，粘结层6为导电胶和强力胶的组合，导电胶的体积电阻率为1.5*10-4Ω·cm；强力胶的剪切强度为20MPa。
如图4所示15个压电陶瓷柱单元3的布置模式，以上表面顶板1和下表面顶板8的圆心为圆心，按圆形等距分列布置共布置两列，在半径为13.5cm的圆上等距布置八个压电陶瓷柱单元3，在半径为7.7cm的圆上等距布置六个压电陶瓷柱单元3，此外圆心处布置一个压电陶瓷柱单元3。
在实施时，按图3的埋设方式将叠柱式沥青路面能量收集装置7沿行车轮迹带方向埋设在沥青混凝土路面深度为2cm处。其中，各装置无间距紧密排列，且相互间并联于电路上。
根据上述说明所制作而成的叠柱式沥青路面能量收集装置，在MMLS加速加载模拟器0.75MPa的行车荷载作用下，单个压电陶瓷柱本体4可产生高达1400V的电压。通过进一步计算可得，整个叠柱式沥青路面能量收集装置在一次行车荷载作用下可产生约4.2mJ的能量。并且在施加20万次行车荷载作用过程中，叠柱式沥青路面能量收集装置的能量输出始终保证稳定，具有良好的抗疲劳性能。
假设在日均交通流量为10000辆的双车道一级沥青公路上按图3所示在1000米路段内埋设上述叠柱式沥青路面能量收集装置，根据实验数据计算，那么一天内该路段可产生2973kJ的能量。
综上所述，本发明有效克服了现有技术中的种种缺点而具高度产业利用价值。
上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。
Claims (10)
1.一种适用于沥青混凝土路面的叠柱式沥青路面能量收集装置，其特征在于，包括水平设置的上表面顶板（1）和下表面顶板（8），所述上表面顶板（1）和下表面顶板之间（8）为封装层（2），所述封装层（2）中设有一个以上竖直的压电陶瓷柱单元（3），所述压电陶瓷柱单元（3）的顶部与上表面顶板（1）通过金属片（5）相连，底部与下表面顶板（8）通过金属片（5）相连，每个压电陶瓷柱单元（3）均包含若干压电陶瓷柱本体（4），所述各压电陶瓷柱本体（4）之间均设有金属片（5）。
2.如权利要求1所述的一种适用于沥青混凝土路面的叠柱式沥青路面能量收集装置，其特征在于，所述封装层（2）的材料选自橡胶或沥青砂。
3.如权利要求1所述的一种适用于沥青混凝土路面的叠柱式沥青路面能量收集装置，其特征在于，金属片（5）与压电陶瓷柱单元（3）、上表面顶板（1）、下表面顶板（8）之间均通过粘结层（6）粘合。
4.如权利要求3所述的一种适用于沥青混凝土路面的叠柱式沥青路面能量收集装置，其特征在于，所述粘结层（6）选自导电胶或强力胶中的一种或两种的组合。
5.如权利要求1所述的一种适用于沥青混凝土路面的叠柱式沥青路面能量收集装置，其特征在于，所述上表面顶板（1）和下表面顶板（8）互相平行且大小和形状相同。
6.如权利要求5所述的一种适用于沥青混凝土路面的叠柱式沥青路面能量收集装置，其特征在于，所述压电陶瓷柱单元（3）的个数为15-25个，高度为1cm-8cm，每个压电陶瓷柱单元（3）包含2-10个压电陶瓷柱本体（4），并由压电陶瓷柱本体（4）叠加而成，所述压电陶瓷柱本体（4）的材料为PZT-5H压电陶瓷，高度为0.5cm-2cm，横截面积为0.15cm2-0.6cm2，所述金属片（5）材料为方形铜电极，厚度为0.2mm-0.5mm，面积为1cm2-1.7cm2。
7.如权利要求6所述的一种适用于沥青混凝土路面的叠柱式沥青路面能量收集装置，其特征在于，所述上表面顶板（1）和下表面顶板（8）均为圆形铁板，厚度为5mm-10mm，水平截面积为356cm2-712cm2，所述封装层（2）中以顶板的圆心为圆心共设有内、外两圈压电陶瓷柱单元，外圈压电陶瓷柱单元的设置半径为9.5cm-13.5cm，内圈压电陶瓷柱单元的设置半径为5.5cm-7.7cm，此外圆心还设有一个压电陶瓷柱单元。
8.如权利要求1-7任一权利要求所述的叠柱式沥青路面能量收集装置在沥青混凝土路面能量收集领域的用途。
9.一种沥青混凝土路面能量收集方法，所述方法具体为：将权利要求1-7任一权利要求所述的叠柱式沥青路面能量收集装置沿行车轮迹带方向埋设于沥青混凝土路面中，并将各叠柱式沥青路面能量收集装置与储能器相连，以收集沥青混凝土路面能量。
10.如权利要求9所述的一种沥青混凝土路面能量收集方法，其特征在于，所述叠柱式沥青路面能量收集装置的埋设深度为2cm左右。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| C14 | Grant of patent or utility model | ||
| GR01 | Patent grant |