CN105207523B - 一种发电路面压电系统及布设方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种发电路面压电系统及布设方法，所述的压电系统包括压电单元，所述的压电单元包括压电元件、铜板、橡胶垫及环氧树脂圈，其中铜板位于橡胶垫上方，压电元件设置一个以上，位于在铜板和橡胶垫之间；环氧树脂圈设置在压电元件周围，并将铜板、橡胶垫以及压电元件固结在一起，所述的布设方法包括组装压电单元、在路面上准备压电单元的安装槽、布设压电系统。本发明结构简单，施工方便，发电性能好，能量收集效率高、实用性强，能实现可再生清洁能源的有效利用，可广泛用于高速公路、城市道路、特殊地区道路以及旧路改造。
Description
技术领域
本发明涉及道路工程以及能量采集技术领域，尤其是涉及一种发电路面压电系统及布设方法。
背景技术
随着我国道路系统建设日益完善，截止2014年底我国公路总里程已达446.39万公里，其中高速公路将近12万公里，汽车保有量达2.64亿辆。从开放交通到寿命终结，路面将承受几十乃至几百万次车辆荷载作用，车辆荷载冲击、振动路面将会产生非常可观的机械能，道路压电发电提供了将道路冲击、振动机械能转化为电能的可能性，是一种规模可观、可再生的清洁能源，具有巨大的经济和社会效益。
现阶段关于压电发电路面的研究多围绕压电换能器的研发展开，而对压电发电路面压电系统布设方式的研究鲜有报道。然而压电系统的设计、布设方法，对于压电系统能量的输出具有重要的影响。因此，在发电路面领域亟需解决的技术问题是提供一种与道路耦合性高且压电发电性能优良的压电系统布设方法。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于针对道路压电发电的特点，提供一种发电路面压电系统布设方法，其结构简单，施工方便，发电性能好，能量收集率高，实用性强，可广泛用于高速公路、城市道路和特殊地区道路以及旧路改造。
为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：
一种发电路面压电系统，包括压电单元，所述的压电单元包括压电元件、铜板、橡胶垫及环氧树脂圈，其中铜板位于橡胶垫上方，压电元件设置一个以上，位于在铜板和橡胶垫之间；环氧树脂圈设置在压电元件周围，并将铜板、橡胶垫以及压电元件固结在一起。
进一步地，所述的压电系统还包括整流滤波装置、DC/DC变换器以及储能装置，所述的压电元件上引出的导线连接至整流滤波装置，整流滤波装置装置依次连接DC/DC变换器和储能装置。
进一步地，所述的铜板的上表面开设有一个以上的应力吸收槽，应力吸收槽以铜板的中心点处为中心开设，应力吸收槽为圆形槽、环形槽或条形槽。
进一步地，所述的橡胶垫上穿过橡胶垫设置有一对孔洞，用于通过压电元件上引出的导线。
进一步地，所述的压电单元埋设在路面的上面层、下面层或者上下面层之间开设的安装槽中。
进一步地，所述的安装槽的槽壁与槽底之间为倒圆角结构，在安装槽的槽底中开设有用于通过压电元件上引出导线的导线槽。
进一步地，所述的路面压电系统中，由多个压电单元并联构成压电单元带，单条或多条压电单元带构成压电单元组，压电单元组对称分布于车道中轴线两侧，压电单元带的布设方向与车道中轴线平行，相邻的两个压电单元带中对应的两个压电单元之间的连线与车道中轴线垂直或呈锐角。
进一步地，所述的压电单元组与车道中轴线之间的距离为L1，同一个压电单元带中相邻的两个压电单元在道路长度方向上的间距为L3，相邻的两个压电单元带中对应的两个压电单元之间在道路宽度方向上的间距为分别为L2，则有L3>L1>L2。
一种发电路面压电系统布设方法，包括以下步骤：
步骤一，组装压电单元
取铜板、橡胶垫、环氧树脂圈以及压电元件，以铜板在上、橡胶垫在下、压电元件位于中间的方式将这些部件进行组装，并将环氧树脂圈套装在压电单元周围，对环氧树脂圈加热熔融后将压电元件、铜板、橡胶垫胶结成整体，构成压电单元；其中每个压电单元中压电元件设置一个以上，设置多个压电元件时，所有压电元件对其设置，并将每个压电元件上的正、负极导线分别并联；
在铜板的上表面开设一个以上的、呈圆形或环形的应力吸收槽，在橡胶垫上开设一对孔洞用于通过压电元件的导线；
步骤二，在路面上准备压电单元的安装槽
在路面上开设用于安装压电单元的安装槽，安装槽设置在路面的上面层、下面层或者上下面层之间；
对于新建沥青路面，在碾轮上设置凸起结构，碾轮碾压路面结构层时凸起结构在路面结构层上形成所述的安装槽；对于旧沥青路面，采用开槽机开设安装槽；
安装槽开设好之后，将安装槽的槽壁与槽底之间加工为倒圆角形，在每个安装槽的槽底开设0.5～1cm宽的导线槽，并将相邻的安装槽中的导线槽贯连；
步骤三，布设压电系统
在安装槽和导线槽中敷设环氧沥青，采用一个压电单元对应一个安装槽的方式，将压电单元以橡胶垫朝下的方式设置在安装槽中，将压电元件上引出的导线沿导线槽布设；若是新建沥青路面且安装槽位于上下面层之间，则在压电单元设置好之后再在上下面层之间设置一层宽度大于安装槽直径的抗裂贴；
由多个压电单元并联构成压电单元带，单条或多条压电单元带构成压电单元组，压电单元组对称分布于车道中轴线两侧，压电单元带的布设方向与车道中轴线平行，相邻的两个压电单元带中对应的两个压电单元之间的连线与车道中轴线垂直或呈锐角；
在路面开设总线槽，将所有自导线槽中引出的导线通过总线槽引至设置于路边的整流滤波装置，并将整流滤波装置依次与DC/DC变换器和储能装置连接；
上述步骤完成后，对安装槽和总线槽进行填埋，完成布设。
本发明与现有技术相比具有以下优点：
1、本发明将压电元件进行封装处理，提高了压电元件承受荷载的能力，相对增加了压电元件的形变量，提高了力-电转换效率，能够充分利用道路冲击、振动机械能。
2、本发明充分考虑了压电单元埋设与道路结构的耦合性，优化了压电单元及其线路的埋设方式，保证了压电发电路面结构耐久性，有效控制了压电单元的置入对路用性能的不利影响。
3、本发明充分考虑了车辆类型及其轮迹带分布特性与压电单元纵横向阵列布设的协调性，有效提高了压电发电单元的利用频率，增强了压电发电能量的输出采集效率。
附图说明
图1为压电单元上开设应力吸收槽的结构示意图；
图2为压电单元封装结构，其中图2(a)为单片压电元件压电单元结构，图2(b)为双片压电元件并联压电单元结构，图2(c)为多片压电元件并联压电单元结构；
图3为路面开设安装槽的结构示意图，其中图3(a)为下面层开槽结构，图3(b)为上面层开槽结构，图3(c)为上下面层复合开槽结构；
图4为压电单元埋设示意图，其中图4(a)为下面层压电单元埋设示意图，图4(b)为上面层压电单元埋设示意图，图4(c)为上下面层间压电单元埋设示意图；
图5为压电单元阵列布设方案图，其中图5(a)为横向单排3个压电单元等间距布设示意图，图5(b)为横向单排4个压电单元等间距布设示意图，图5(c)为横向双排3个压电单元等间距布设示意图，图5(d)为与中轴线呈60°单排4个压电单元等间距布设示意图，图5(e)为与中轴线呈45°双排3个压电单元等间距布设示意图。
图中标号代表：1—铜板，2—压电元件，3—孔洞，4—导线，5—橡胶垫，6—环氧树脂圈，7—应力吸收槽，8—总线槽，9—安装槽，10—导线槽，12—下面层，13—上面层，14—抗裂贴，15—环氧沥青，100—压电单元。
具体实施方式
压电元件承受荷载能力较低、脆性大，在车辆荷载较大冲击力下极易产生损坏，进而影响其压电性能，而压电元件在路面内又需要一定变形才能产生压电发电效应，故应做好压电元件的封装形式，以满足两方面的需要。相应地，压电元件布设于路面结构内，需对路面进行开槽处理或新建公路时进行预埋，路面开槽形式应保证对路用性能造成尽量小的影响，压电单元的埋置应与道路结构具有良好的耦合性。在道路渠化交通良好的情况下，标准车道宽度3.75m内车辆轮迹的横向分布呈现“双驼峰”型曲线特性，车辆轮迹主要集中于以行车道中轴线为对称轴的两侧各约0.5m宽的路面上，约27％的车道宽度路面上承受60％左右的车辆荷载，同时由于汽车轮载不同、轴距不同、行驶轨迹不恒定，故需针对道路汽车行驶特性建立不同的压电单元纵横向阵列布设方式，以实现压电能量的高效率输出采集。
遵从上述技术方案，如图1至图5所示，一种发电路面压电系统，包括压电单元100，所述的压电单元100包括压电元件2、铜板1、橡胶垫5及环氧树脂圈6，其中铜板1位于橡胶垫5上方，压电元件2设置一个以上，位于在铜板1和橡胶垫5之间；环氧树脂圈6设置在压电元件2周围，并将铜板1、橡胶垫5以及压电元件2固结在一起。
上述的压电元件2为PZT或PVDF的一种或者其组合，铜板1采用薄铜板1，最好是铍青铜或磷青铜圆板，覆盖在压电元件2的上方。在铜板1的上表面开设有一个以上的应力吸收槽7，应力吸收槽7以铜板1的中心点处为中心开设，应力吸收槽7为圆形槽、环形槽、条形槽或其他规则、不规则形状槽。如图1所给出的实施例中，应力吸收槽7设置两种：位于中部的圆形槽，以及以铜板1中心点为中心，相互间隔90°对称分布的条形槽，条形槽与圆形槽贯连，且条形槽沿圆形槽的半径方向。设置应力吸收槽7是为了缓冲和消散车辆载荷冲击力，防止压电元件2被压碎破坏。
橡胶垫5采用硅橡胶或氢化丁晴橡胶制成，位于压电元件2的最下部，用于保护压电元件2并增加其形变量，提高电压输出；橡胶垫5上穿过橡胶垫5设置有一对孔洞3，用于通过压电元件2上引出的导线4。
环氧树脂圈6起到胶结作用，将压电元件2、铜板1和橡胶垫5胶结成整体，从而形成稳定的压电单元100。铜板1和橡胶垫5在组装时均需要进行打毛粗糙，以便于和环氧树脂圈6或路面结构层中的环氧沥青15、沥青砂浆之间的胶结，保证压电单元100与道路之间具有良好的耦合性。
压电元件2安装于路面开设的安装槽9中，安装槽9可开设于路面的上面层13、下面层12或者上下面层12之间。对于路面开槽方式，针对于新建的沥青路面，可在压路机的碾轮上设置与安装槽9形状相仿的凸起结构，碾轮碾压路面时，凸起结构与路面结构层接触时对结构层挤压，形成安装槽9。对于旧沥青路面，则使用开槽机进行切槽处理，开槽深度受到压电单元100整体高度以及沥青路面结构的影响。安装槽9的槽壁与槽底之间为倒圆角结构而非垂直结构，以增强槽底的抗压能力；在安装槽9的槽底中开设有用于通过压电元件2上引出导线4的导线槽10，导线槽10宽度约为0.5～1cm，导线槽10可一定程度上增加压电单元100的变形，从而更加有利于电能的输出。安装槽9和导线槽10用搓具或燃烧器进行打毛粗糙处理，以保证后续灌入的环氧沥青15或沥青砂浆有良好的胶结作用。
所述压电单元100埋设于沥青路面结构层中时，先在安装槽9和导线槽10周边涂布环氧沥青15增加粘结力，且兼有防水功效，再将导线4放置于纵向导线槽10中，后将压电单元100整体放置于安装槽9中，特别地若是新建路面还可在上下面层12之间布设宽度略大于安装槽9的抗裂贴14，用于预防因压电元件2变形而引起的裂缝扩展。
压电系统的具体布设方法为，由多个压电单元100并联构成压电单元带，单条或多条压电单元带构成压电单元组，压电单元组对称分布于车道中轴线两侧，压电单元带的布设方向与车道中轴线平行，根据车辆类型及其轮迹带分布特性，相邻的两个压电单元带中对应的两个压电单元100之间的连线与车道中轴线垂直或呈锐角α，如45°、60°等。压电单元带整体为直线型，相邻的两条压电单元带之间平行设置。相邻的两个压电单元带中压电单元100的个数相同，两个相邻的压电单元带中对应的两个压电单元100，如图5(d)所示的示例中，在车道中轴线左侧，沿道路长度方向从左向右分别为第一条、第二条、第三条和第四条压电单元带，第一条压电单元带的第一个压电单元100和其对应的压电单元100，即第二条压电单元带中第一个压电单元100并不一定在道路沿宽度方向的直线上，二者的连线与车道中轴线之间有除垂直外的夹角(图中的夹角α)。
所有压电单元100均设置好之后，将压电单元100的正负极引线分别通过路面上的总线槽8引出，依次连接成套设置在道路边缘的整流滤波装置、DC/DC变换器和储能装置。
具体的布设方法如下：
一种发电路面压电系统布设方法，包括以下步骤：
步骤一，组装压电单元100
取铜板1、橡胶垫5、环氧树脂圈6以及压电元件2，以铜板1在上、橡胶垫5在下、压电元件2位于中间的方式将这些部件进行组装，并将环氧树脂圈6套装在压电单元100周围，对环氧树脂圈6加热熔融后将压电元件2、铜板1、橡胶垫5胶结成整体，构成压电单元100；其中每个压电单元100中压电元件2设置一个以上，设置多个压电元件2时，所有压电元件2对其设置，并将每个压电元件2上的正、负极导线4分别并联；
在铜板1的上表面开设一个以上的、呈圆形或环形的应力吸收槽7，在橡胶垫5上开设一对孔洞3用于通过压电元件2的导线4；
步骤二，在路面上准备压电单元100的安装槽9
在路面上开设用于安装压电单元100的安装槽9，安装槽9设置在路面的上面层13、下面层12或者上下面层12之间；
对于新建沥青路面，在碾轮上设置凸起结构，碾轮碾压路面结构层时凸起结构在路面结构层上形成所述的安装槽9；对于旧沥青路面，采用开槽机开设安装槽9；
安装槽9开设好之后，将安装槽9的槽壁与槽底之间加工为倒圆角形，在每个安装槽9的槽底开设0.5～1cm宽的导线槽10，并将相邻的安装槽9中的导线槽10贯连；
步骤三，布设压电系统
在安装槽9和导线槽10中敷设环氧沥青15，采用一个压电单元100对应一个安装槽9的方式，将压电单元100以橡胶垫5朝下的方式设置在安装槽9中，将压电元件2上引出的导线4沿导线槽10布设；若是新建沥青路面且安装槽9位于上下面层12之间，则在压电单元100设置好之后再在上下面层12之间设置一层宽度大于安装槽9直径的抗裂贴14；
由多个压电单元100并联构成压电单元带，单条或多条压电单元带构成压电单元组，压电单元组对称分布于车道中轴线两侧，压电单元带的布设方向与车道中轴线平行，相邻的两个压电单元带中对应的两个压电单元100之间的连线与车道中轴线垂直或呈锐角；
在路面开设总线槽8，将所有自导线槽10中引出的导线4通过总线槽8引至设置于路边的整流滤波装置，并将整流滤波装置依次与DC/DC变换器和储能装置连接；
上述步骤完成后，对安装槽9和总线槽8进行填埋，完成布设。
以下给出本发明的一些实施例。
实施例1：
步骤一，组装压电单元
铜板采用铍青铜圆板，进行双面打毛以使表面粗糙，并通过精密车床加工应力吸收槽，槽深约占铜板厚度的1/4，如图1所示；橡胶垫为普通圆形硅橡胶垫，与铜板大小相等，进行双面打毛以使表面粗糙，并在直径两端靠近边缘处各凿一个孔洞，具体孔径大小以导线总宽度为准；压电元件采用单片PZT压电陶瓷，直径略小于铜板和橡胶垫。使用丙酮或二甲基甲酰胺对铜板、压电元件、橡胶垫进行清洗后晾干，使用环氧树脂将各元件粘结，并封装成压电单元，如图2(a)所示。
步骤二，在路面上准备压电单元的安装槽
通过碾压成型的方式在沥青路面下面层开安装槽，槽垂直面与槽底间以倒圆相连而非垂直接触，槽底下部设置约0.5～1cm宽的导线槽用于引出电线，并用搓具或燃烧器进行打毛粗糙处理，如图3(a)。
步骤三，布设压电系统
在安装槽槽中先灌入的一定量的环氧沥青或沥青砂浆，然后将压电单元埋置于下面层中，同时将导线引入导线槽中，压电单元完全置入后，再灌入一定数量的环氧沥青或沥青砂浆以使槽被填充均匀，在安装槽上部与道路结构层的接触面上铺设一层抗裂贴，而后进行上面层的铺筑工作，如图4(a)所示。
按步骤一、步骤二制备压电单元及路面开槽处理，以标准车道的中轴线为对称轴(宽度为3.75m)，将3个压电单元按照一定横向间距L2为15cm，通过导线并联组合成压电单元带，一条压电单元带为一组，并在距中轴线两侧L1为40cm处，以步骤二的方式对称埋置于沥青混合料内部，压电单元组垂直行车道中轴线横向布设，各组压电单元纵向相隔L3为2m进行布设，通过导线并联组合，每15组压电单元的导线通过总线槽与设置在道路外侧的整流滤波装置连接进行电能处理，然后通过DC-DC稳压装置，并最终与储能装置相连接，如图5(a)所示。
实施例2：
本实施例步骤与实施例1基本相同，不同之处为：如图5(b)所示，道路宽度方向上布设四条压电单元带，相邻的压电单元带中对应的压电单元之间的连线垂直车道中轴线，压电单元带横向间距L2为10cm，每一个压电单元带中相邻的压电单元纵向间距为L3为2.5m，压电单元带与车道中轴线的间距L1为40cm。
实施例3：
本实施例步骤与实施例1基本相同，不同之处为：如图5(c)所示，道路宽度方向上布设三条压电单元带，并且在车道中轴线的每一侧压电单元组设置两排，两排紧邻设；每一排相邻的压电单元带中对应的压电单元之间的连线垂直车道中轴线，压电单元带横向间距L2为15cm，每一个压电单元带中相邻的压电单元纵向间距为L3为2.5m，压电单元带与车道中轴线的间距L1为40cm。
实施例4：
本实施例步骤与实施例1基本相同，不同之处为：如图5(d)所示，道路宽度方向上布设四条压电单元带，每一排相邻的压电单元带中对应的压电单元之间的连线与车道中轴线之间的夹角为60°，压电单元带横向间距L2为10cm，每一个压电单元带中相邻的压电单元纵向间距为L3为2.5m，压电单元带与车道中轴线的间距L1为30cm。
实施例5：
本实施例步骤与实施例1基本相同，不同之处为：如图5(e)所示，道路宽度方向上布设三条压电单元带，并且在车道中轴线的每一侧压电单元组设置两排，两排紧邻设；每一排相邻的压电单元带中对应的压电单元之间的连线与车道中轴线之间的夹角为45°，压电单元带横向间距L2为15cm，每一个压电单元带中相邻的压电单元纵向间距为L3为3m，压电单元带与车道中轴线的间距L1为40cm。
Claims (2)
1.一种发电路面压电系统，包括压电单元（100），其特征在于，所述的压电单元（100）包括压电元件（2）、铜板（1）、橡胶垫（5）及环氧树脂圈（6），其中铜板（1）位于橡胶垫（5）上方，压电元件（2）设置一个以上，位于铜板（1）和橡胶垫（5）之间；环氧树脂圈（6）设置在压电元件（2）周围，并将铜板（1）、橡胶垫（5）以及压电元件（2）固结在一起；
所述的压电系统还包括整流滤波装置、DC/DC变换器以及储能装置，所述的压电元件（2）上引出的导线（4）连接至整流滤波装置，整流滤波装置装置依次连接DC/DC变换器和储能装置；
所述的铜板（1）的上表面开设有一个以上的应力吸收槽（7），应力吸收槽（7）以铜板（1）的中心点处为中心开设，应力吸收槽（7）为圆形槽、环形槽或条形槽；
所述的橡胶垫（5）上穿过橡胶垫（5）设置有一对孔洞（3），用于通过压电元件（2）上引出的导线（4）；
所述的压电单元（100）埋设在路面的上面层（13）、下面层（12）或者上下面层（12）之间开设的安装槽（9）中；所述的安装槽（9）的槽壁与槽底之间为倒圆角结构，在安装槽（9）的槽底中开设有用于通过压电元件（2）上引出导线（4）的导线槽（10）；
所述的路面压电系统中，由多个压电单元（100）并联构成压电单元带，单条或多条压电单元带构成压电单元组，压电单元组对称分布于车道中轴线两侧，压电单元带的布设方向与车道中轴线平行，相邻的两个压电单元带中对应的两个压电单元（100）之间的连线与车道中轴线垂直或呈锐角；
所述的压电单元组与车道中轴线之间的距离为L1，同一个压电单元带中相邻的两个压电单元（100）在道路长度方向上的间距为L3，相邻的两个压电单元带中对应的两个压电单元（100）之间在道路宽度方向上的间距为分别为L2，则有L3>L1>L2。
2.一种发电路面压电系统布设方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤一，组装压电单元
取铜板（1）、橡胶垫（5）、环氧树脂圈（6）以及压电元件（2），以铜板（1）在上、橡胶垫（5）在下、压电元件（2）位于中间的方式将这些部件进行组装，并将环氧树脂圈（6）套装在压电单元（100）周围，对环氧树脂圈（6）加热熔融后将压电元件（2）、铜板（1）、橡胶垫（5）胶结成整体，构成压电单元（100）；其中每个压电单元（100）中压电元件（2）设置一个以上，设置多个压电元件（2）时，所有压电元件（2）对齐 设置，并将每个压电元件（2）上的正、负极导线（4）分别并联；
在铜板（1）的上表面开设一个以上的、呈圆形或环形的应力吸收槽（7），在橡胶垫（5）上开设一对孔洞（3）用于通过压电元件（2）的导线（4）；
步骤二，在路面上准备压电单元的安装槽
在路面上开设用于安装压电单元（100）的安装槽（9），安装槽（9）设置在路面的上面层（13）、下面层（12）或者上下面层（12）之间；
对于新建沥青路面，在碾轮上设置凸起结构，碾轮碾压路面结构层时凸起结构在路面结构层上形成所述的安装槽（9）；对于旧沥青路面，采用开槽机开设安装槽（9）；
安装槽（9）开设好之后，将安装槽（9）的槽壁与槽底之间加工为倒圆角形，在每个安装槽（9）的槽底开设0.5～1cm宽的导线槽（10），并将相邻的安装槽（9）中的导线槽（10）贯连；
步骤三，布设压电系统
在安装槽（9）和导线槽（10）中敷设环氧沥青（15），采用一个压电单元（100）对应一个安装槽（9）的方式，将压电单元（100）以橡胶垫（5）朝下的方式设置在安装槽（9）中，将压电元件（2）上引出的导线（4）沿导线槽（10）布设；若是新建沥青路面且安装槽（9）位于上下面层（12）之间，则在压电单元（100）设置好之后再在上下面层（12）之间设置一层宽度大于安装槽（9）直径的抗裂贴（14）；
由多个压电单元（100）并联构成压电单元带，单条或多条压电单元带构成压电单元组，压电单元组对称分布于车道中轴线两侧，压电单元带的布设方向与车道中轴线平行，相邻的两个压电单元带中对应的两个压电单元（100）之间的连线与车道中轴线垂直或呈锐角；
在路面开设总线槽（8），将所有自导线槽（10）中引出的导线（4）通过总线槽（8）引至设置于路边的整流滤波装置，并将整流滤波装置依次与DC/DC变换器和储能装置连接；
上述步骤完成后，对安装槽（9）和总线槽（8）进行填埋，完成布设。
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