CN103986368B - 一种利用交通载荷的发电装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种利用交通载荷的发电装置，包括多个埋设在道路面层内的压电结构单元，压电结构单元包括上保护层和下保护层，上保护层和下保护层之间由上而下依次设有第一弹性层、压电片及弹性阵列层，第一弹性层横向设置，弹性阵列层包括多个纵向设置的第二弹性层，多个第二弹性层的弹性模量递减/递增，压电结构单元通过导线连接电源控制箱，电源控制箱连接用电设备。本发明把压电结构单元埋设在道路面层内，利用压电材料的正向压电效应，将交通荷载产生的机械能转换成电能，供给用电设备或者存储，收集转换过程不需要外部能源输入，完全做到自给自足，不会产生任何污染，不浪费土地资源，降低电能输送成本和损耗。

Description

一种利用交通载荷的发电装置

技术领域

本发明涉及道路发电装置。

背景技术

我国公路里程数众多，到2012年底全国公路总里程数已达到423.75万公里，高速公路里程达9.62万公里，其中沥青路面因其优良的路用性能占了绝大部分，它们每年需要承受数以百万计的交通荷载作用。这些荷载产生的机械能一部分以热能的形式逸散到空气中，另一部分则最终引起路面损害。虽然单次交通荷载作用产生的能量逸散和车辙损害一般来说微乎其微，但是考虑到国内庞大的公路里程数和交通流量，那么后果就非常严重了。频繁的车辆荷载不仅加大路面损坏程度，降低使用寿命，而且产生的热能完全耗散在城市空气中，加深城市热岛效应。而有些材料恰恰可以捕获这种逸散的能量，转化为可再生的绿色能源，比如压电材料，它可以根据自身特性将交通荷载产生的机械能转化为电能，并进行收集和利用，为道路指示、照明等提供绿色能源，做到变废为宝，既减轻了路面车辙损害，延长道路寿命，又获得自发的电能供给，减小能源浪费，拥有巨大的经济效益，为建设资源节约型社会提供助力。压电材料的研究和应用经过长时间的技术积累已经趋于成熟，压电能量采集和应用因为其工作环境限制少、效率高、绿色环保等优点受到了广泛的关注。关于道路工程中的研发和应用还亟待提升，因此，研究沥青路面压电发电系统具有庞大的经济和环保前景，一旦研发可以大规模运用到目前的沥青路面工程中，必然能获得巨大的收获。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种利用交通载荷的发电装置，能够利用通行对路面造成的应力载荷进行发电。

本发明解决技术问题所采用的技术方案是：一种利用交通载荷的发电装置，所述装置包括多个埋设在道路面层内的压电结构单元，所述压电结构单元包括上保护层和下保护层，所述上保护层和下保护层之间由上而下依次设有第一弹性层、压电片及弹性阵列层，所述第一弹性层横向设置，所述弹性阵列层包括多个纵向设置的第二弹性层，所述多个第二弹性层的弹性模量递减/递增，所述压电结构单元通过导线连接电源控制箱，所述电源控制箱连接用电设备。

在采用上述技术方案的同时，本发明还可以采用或者组合采用以下进一步的技术方案：

所述第一弹性层和所述第二弹性层均采用氟胶制成。

所述压电结构单元埋设在道路面层的上面层和相邻面层之间。

所述压电结构单元分布在路面上每个车道的轮迹带范围内，其长边垂直于行车方向，间距6~20cm，短边沿行车方向，间距3~10cm。

所述电源控制箱包括压电检测装置、稳压整流装置、电能存储设备和变压输出装置，所述变压输出装置连接用电设备。

本发明的发电装置适用于各类道路，尤其是人员密集、交通流量较大的沥青路面，其把压电结构单元埋设在沥青道路面层内，利用压电材料的正向压电效应，将交通荷载产生的机械能转换成电能，经过电源控制箱处理，供给指示照明设备或者存储，收集转换过程不需要外部能源输入，完全做到自给自足，不会产生任何污染，不浪费土地资源；产生电能就近供给各类设备，降低电能输送成本和损耗。另外，如有需要，可以在相应各个路段加装流量监测处理系统，根据采集到的电流经过电脑统计分析，得出交通流量的具体情况，为公路交通管理提供数据支持。

附图说明

图1为本发明的压电结构单元的结构示意图。

图2为埋设本发明的发电装置的路面的横向剖视图。

图3为埋设本发明的发电装置的路面的纵向剖视图。

图4为埋设本发明的发电装置的路面的内部结构俯视图。

图中标号：1-道路面层，2-基层，3-压电结构单元，4-导线，5-电源控制箱，6-压电检测装置，7-稳压整流装置，8-变压输出装置，9-用电设备，10-电能存储设备，11-上保护层，12-第一弹性层，13-17-氟胶层，18-下保护层，19-压电片，20-轨迹带。

具体实施方式

参照附图。

本发明的利用交通载荷的发电装置包括多个埋设在面层1内的压电结构单元3，面层1是指铺设在基层2上方，直接与通行车辆接触的层位，承受行车荷载较大的竖向力、水平力和冲击力的作用，是受到交通载荷影响最大的路面结构部分，压电结构单元3埋设在道路面层1内，能够最大程度地利用交通载荷。

压电结构单元3包括上保护层11和下保护层18，上保护层11和下保护层18采用抗压耐磨的刚性材料制作，对设置在其中的其他部件起到保护作用，上保护层11和下保护层18之间由上而下依次设有第一弹性层12、压电片19以及弹性阵列层，第一弹性层12粘结在上保护层11的下表面且横向设置，压电片19粘结在第一弹性层12的下表面，第一弹性层12采用氟胶制成，压电片19采用市售PZT-5，尺寸为6cm×3cm，第一弹性层12的弹性模量较小、容易变形，在外力（来自路面的交通载荷）作用下，可以比较平滑地贴合在两层材料之间，避免产生空穴；弹性阵列层包括多个纵向设置的第二弹性层，第二弹性层也用氟胶制成，在本实施例中，第二弹性层的数量为5个，分别为氟胶层13、14、15、16和17，也可以根据需要设置不同的数量的第二弹性层，氟胶层13-17依次减小或依次增加，在受到外力作用时，能够形成阶梯状的纵向压缩形变，使得粘结在其上部的压电片19产生类似悬臂梁结构端部受压的弯曲变形（与阶梯状纵向压缩性变相对应），当路面没有通行不受外力作用的时候，氟胶层13-17和压电片19恢复原状，这样，压电片19在载荷的作用下不断产生形变-恢复原状，产生电流。

压电结构单元3为多个，因为压电结构单元3每个个体来说体积较小，发电量有限，因此需要多个压电结构单元3组成整个发电装置，才能够实现对道路周边用电设备的供电。本装置利用交通荷载使路面结构产生应力场，从而迫使压电结构单元3产生变形，并利用压电材料的力电转换机制实现发电。理论分析表明压电结构单元3埋设越深，对道路表面交通载荷的敏感度越差，发电效率越低；埋设越浅，发电效率越高，但埋设太浅会影响路用性能，缩短路面的使用寿命；尽管把压电结构单元3直接粘贴于路表可获得最大发电效率且不影响路用性能，但会影响舒适度，最终迫使车辆避开该区域，反而达不到发电的目的。为了获得尽可能高的发电效率，多个压电结构单元3均匀地埋设在沥青路面结构面层1内（按照《公路沥青路面设计规范（JTGD50-2006）》，可为双层或三层），同时考虑不改变路面结构的施工工艺，将压电结构单元3埋设在道路面层1的上面层和相邻面层之间。

压电结构单元3（图1）的俯视图呈长方形（图4），分布在路面上每个车道的轮迹带范围内，长边垂直于行车方向，间距6~20cm，短边沿行车方向，间距3~10cm，车道的轨迹带范围主要是根据行车道宽度和车轮间距来确定的一个路面宽度范围，车辆正常行驶时通常会处于轨迹带范围内。本发明主要利用压电片19的动态弯曲变形来发电，将压电片19的长边垂直于行车方向，轮压荷载通过压电片19时更容易产生高频冲击效应，发电效率更高。理论上，压电结构单元3沿行车方向埋设越密发电效果越好，但是压电结构3与路面材料间存在明显界面，抗剪能力弱，如果埋设密度过大，容易导致道路面层1与压电结构单元3发生滑移破坏；减小埋设密度可降低滑移破坏的可能性，如果密度太小，尽管可以尽可能保证路用性能，但是单位面积上的发电效率无疑会降低，达不到所需的效果。一般分布间距达到压电结构3面内尺寸的一倍以上时可有效抑制剪切破坏的发生。

压电结构单元3通过导线连接电源控制箱5，具体地说，压电结构单元3中负责产生电流的压电片19由导线引出，连接至电源控制箱5，其产生的电流通过导线汇集到电源控制箱5，电源控制箱5与用电设备9连接，并向用电设备9供电，从而达到利用交通载荷发电的效果。用电设备可以是设置在道路上的路灯、信号灯、路面指示牌、广告灯箱、交通流量监测系统等，便于就近使用，保护环境，节省经济。

电源控制箱5包括压电检测装置6、稳压整流装置7、电能存储设备10以及变压输出装置8，其中变压输出装置8与用电设备9连接，压电检测装置6可以采用通常的通电检测设备，主要用于检测压电结构单元3的发电情况，例如是否有电流输出以及电流流量的大小，从而明确本发明的发电装置是否正常工作；稳压整流装置7可以采用通常的稳压整流电路，对压电结构单元3产生的电能进行稳压整流，电能存储设备10可以采用一定容量的蓄电装置，例如白天不需要大量用电的情况下，路面交通还是会继续，甚至比晚上需要用电的时候产生更多的电能，此时就需要将多余的电能存储起来，已备发电量不足时使用，变压输出装置8可以采用通常的变压器，用于与用电设备9的额定电压匹配。

Claims (3)

1.一种利用交通载荷的发电装置，其特征在于：所述装置包括多个埋设在沥青道路面层内的压电结构单元，所述压电结构单元包括上保护层和下保护层，所述上保护层和下保护层之间由上而下依次设有第一弹性层、压电片及弹性阵列层，所述弹性阵列层包括多个纵向设置的第二弹性层，所述多个第二弹性层的弹性模量递减/递增，所述压电结构单元通过导线连接电源控制箱，所述电源控制箱连接用电设备；所述压电结构单元埋设在道路面层的上面层和相邻面层之间；压电结构单元分布在沥青路面上每个车道的轮迹带范围内，其长边垂直于行车方向，间距6~20cm，短边沿行车方向，间距3~10cm。

2.如权利要求1所述的一种利用交通载荷的发电装置，其特征在于：所述第一弹性层和所述第二弹性层均采用氟胶制成。

3.如权利要求1所述的一种利用交通载荷的发电装置，其特征在于：所述电源控制箱包括压电检测装置、稳压整流装置、电能存储设备和变压输出装置，所述变压输出装置连接用电设备。