CN105577081A - 基于导光混凝土的光伏太阳能结构单元及路面施工方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于导光混凝土的光伏太阳能结构单元及路面施工方法，此光伏太阳能结构单元包括混凝土基体、聚光部、光纤、保护罩和光伏太阳能电池板，所述保护罩位于混凝土基体底部并与混凝土基体之间形成用于安放光伏太阳能电池板的封闭空腔，所述聚光部位于混凝土基体顶部，所述光纤一端与聚光部连接，另一端穿过保护罩并指向光伏太阳能电池板。此路面施工方法包括S1：预制若干上述的光伏太阳能结构单元；S2：将各光伏太阳能结构单元顺次拼接成一个整体路面结构。本发明具有发电性能好、力学性能强、施工效率高且应用前景广阔等优点。
Description
技术领域
本发明涉及光伏太阳能技术，尤其涉及一种基于导光混凝土的光伏太阳能结构单元及路面施工方法。
背景技术
光伏太阳能路面发电技术在专利申请201410142523.X中进行了介绍，该技术方案解决了发电及蓄电的问题，但结构顶层采用有机玻璃达到保护和透光的目的，存在以下几点不足：一是有机玻璃的单价较高，导致结构整体成本不经济；二是有机玻璃材料的摩擦系数较小，结构表面的抗滑性能主要依靠构造深度，抗滑效果不太理想，且对采光性能也有不利影响。因此，选取一种合适的采光方式，对于太阳能路面的推广使用具有重大的意义。
导光混凝土，又名透明混凝土或透光混凝土，导光混凝土是在混凝土原有组分基础上掺入导光组分，例如把光纤、透光树脂等导光材料植入混凝土中，使混凝土成为具有导光功能的先进建筑材料。这个概念最早是由匈牙利的工程师提出的，即Light-TransmittingConcrete（透明混凝土），主要方法是在水泥砂浆中植入光纤，以达到透光的目的。后来，国内外的研究人员进行了许多研究，现在多采用在水泥砂浆植入特殊透明树脂的方法来达到增强其透光性能，研究人员还对导光混凝土的制备工艺、力学性能、微观形貌进行了研究。
为了达到在路面上利用太阳能发电的目的，可以将导光混凝土利用起来，但仍面临几个问题：（1）结构设计的问题，现有的导光混凝土多使用于墙面采光及艺术设计；（2）导光材料的选取和布置方式的问题，现有导光混凝土为了提高透光率，所用光纤或树脂的间距多为毫米级，对施工工艺要求极高，造价也较高；（3）水泥砂浆无法满足路面对强度及路用性能的要求。
发明内容
本发明要解决的技术问题是克服现有技术的不足，提供一种发电性能好、力学性能强、施工效率高且应用前景广阔的基于导光混凝土的光伏太阳能结构单元及路面施工方法。
为解决上述技术问题，本发明采用以下技术方案：
一种基于导光混凝土的光伏太阳能结构单元，包括混凝土基体、聚光部、光纤、保护罩和光伏太阳能电池板，所述保护罩位于混凝土基体底部并与混凝土基体之间形成用于安放光伏太阳能电池板的封闭空腔，所述聚光部位于混凝土基体顶部，所述光纤一端与聚光部连接，另一端穿过保护罩并指向光伏太阳能电池板。
作为上述技术方案的进一步改进：
所述聚光部包括聚光透镜和导光体，所述导光体与聚光透镜连接且口径逐渐缩小，所述聚光透镜向上伸出自混凝土基体外，所述导光体的末端与光纤紧固连接。
所述导光体的末端通过连接胶套与光纤紧固连接；或者，所述导光体的末端延伸为柱形体，所述光纤固定插设于柱形体内。
所述光纤为可弯折的光纤，且两端部分别设置成利于接收、发散光线的凸起。
所述保护罩的顶部为弧形状。
各聚光部呈矩形阵列布置，或呈同心的圆周阵列布置。
一种基于导光混凝土的光伏太阳能结构单元的路面施工方法，包括以下步骤：
S1：预制若干上述的光伏太阳能结构单元；
S2：将各光伏太阳能结构单元顺次拼接成一个整体路面结构。
作为上述技术方案的进一步改进：
所述步骤S1具体包括：
S11：制作单元框架模具，预留供光伏太阳能结构单元之间拼接用的拼接端；
S12：在单元框架模具内固定安装若干限位钢片，各限位钢片分别沿横向和纵向两层间隔布置，所述限位钢片上开设若干限位孔，将聚光部和光纤依次固定插设于上下两层限位钢片的限位孔内；
S13：在单元框架模具底部安装保护罩，保护罩上开设若干导向孔，光纤穿过导向孔并指向保护罩内部；
S14：预制混凝土，并在步骤S11～S13完成后将混凝土浇注于单元框架模具内形成混凝土基体；
S15：单元框架模具养护、拆模，完成一个光伏太阳能结构单元的制备。
步骤S14中，所述混凝土的组分包括按配比混合的碎石、砂、胶凝材料、水及外加剂；混凝土浇注时，先将单元框架模具一侧抬高后再倒下以形成自密实混凝土基体，所述混凝土基体的最大粒径不大于聚光部中心间距1/3。
在所述聚光部与限位孔之间、光纤与限位孔之间以及光纤与导向孔之间分别填充用于密封固定的环氧树脂；通过拼接端将各光伏太阳能结构单元顺次拼接成一个整体路面结构，在各保护罩内放置光伏太阳能电池板，并将光伏太阳能电池板与电路系统电连接；用水泥浆、沥青或者环氧树脂胶将光伏太阳能电池板封装于保护罩内。
与现有技术相比，本发明的优点在于：
本发明的基于导光混凝土的光伏太阳能结构单元，其聚光部、光纤和用于安放光伏太阳能电池板的保护罩均位于混凝土基体内，使得该光伏太阳能结构单元具有足够的承载力和耐久性能，能够满足交通运输的负载要求和使用性能要求，采用保护罩对光伏太阳能电池板进行了全面的保护，且光纤将聚光部聚拢的光线传输至光伏太阳能电池板，发电性能好，力学性能强、在多领域应用前景广阔。
本发明的路面施工方法，先预制若干上述的光伏太阳能结构单元，再将各光伏太阳能结构单元顺次拼接成一个整体路面结构，操作方便、施工效率高，成本低、便于大规模推广。
附图说明
图1是本发明的一种基于导光混凝土的光伏太阳能结构单元的结构示意图。
图2是本发明的聚光部和光纤的一种固定连接示意图。
图3是本发明的聚光部和光纤的另一种固定连接示意图。
图4是本发明的光纤及保护罩处的连接示意图。
图5是本发明的基于导光混凝土的光伏太阳能结构单元的路面施工方法的流程示意图。
图6是本发明的路面施工方法中单元框架模具及限位钢片的结构示意图。
图7是本发明的路面施工方法中的保护罩及导向孔的结构示意图。
图中各标号表示：
1、混凝土基体；2、聚光部；21、聚光透镜；22、导光体；23、连接胶套；3、光纤；30、凸起；4、保护罩；40、导向孔；5、光伏太阳能电池板；6、单元框架模具；7、限位钢片；70、限位孔。
具体实施方式
以下结合说明书附图和具体实施例对本发明作进一步详细说明。
图1至图4示出了本发明的一种基于导光混凝土的光伏太阳能结构单元的实施例，其包括混凝土基体1、聚光部2、光纤3、保护罩4和光伏太阳能电池板5，保护罩4位于混凝土基体1底部并与混凝土基体1之间形成用于安放光伏太阳能电池板5的封闭空腔，聚光部2位于混凝土基体1顶部，光纤3一端与聚光部2连接，另一端穿过保护罩4并指向光伏太阳能电池板5。本发明的基于导光混凝土的光伏太阳能结构单元，其聚光部2、光纤3和用于安放光伏太阳能电池板5的保护罩4均位于混凝土基体1内，使得该光伏太阳能结构单元具有足够的承载力和耐久性能，能够满足交通运输的负载要求和使用性能要求，采用保护罩对光伏太阳能电池板5进行了全面的保护，且光纤3将聚光部2聚拢的光线传输至光伏太阳能电池板5，发电性能好，力学性能强，在多领域应用前景广阔。
本实施例中，聚光部2包括聚光透镜21和导光体22，导光体22与聚光透镜21连接且口径逐渐缩小，聚光透镜21向上伸出自混凝土基体1外，应用于路面时，伸出的部分可增强路面的抗滑性能。导光体22的末端与光纤3紧固连接。本实施例中，光伏太阳能结构单元铺设于路面上，聚光透镜21的角度，因路面角度有设计要求，为获得足够的光能，聚光透镜21可与路面成一定倾角，并选取合适的朝向。试验结果是以长沙地区为例，通过发电实验，其最佳倾角为中轴线与水平面成65°～75°倾角，朝向为南偏西30°方向～南偏东30°。
本实施例中，导光体22的末端通过连接胶套23与光纤3紧固连接，并用环氧树脂胶加固；当然，在其他实施例中，也可是其他的连接形式，如导光体22的末端延伸为柱形体，光纤3固定插设于柱形体内。
本实施例中，导光体22的外周设有反射涂层。本实施例中，聚光透镜21和导光体22均由透明有机玻璃制备而成。为达到导光目的，可根据全反射理论，导光体22的外周涂覆有折射率低于透明有机玻璃的涂层；或者，导光体22的外周镀反光膜，如镀银膜或其他反光膜，增强反射效果。
本实施例中，光纤3为可弯折的光纤，达到将太阳光导向光伏太阳能电池板5的目的。光纤3的两端部分别设置成利于接收、发散光线的凸起30。
本实施例中，保护罩4的顶部为弧形状。可增强保护罩4的抗压能力，避免应力集中，为光伏太阳能电池板5和光纤3尾端提供更好的保护。本实施例中，各聚光部2呈矩形阵列布置，保护罩4的截面为圆弧顶拱，圆弧顶拱沿各聚光部2矩形阵列的长度方向延伸；当然，在其他实施例中，各聚光部2可以有其他的排列方式，如呈同心的圆周阵列布置，此时，保护罩4为与圆周阵列匹配的半球壳体状。
图5至图7示出了本发明的一种基于导光混凝土的光伏太阳能结构单元的路面施工方法，包括以下步骤：
S1：预制若干如权利要求1至7中任意一项的光伏太阳能结构单元；
S2：将各光伏太阳能结构单元顺次拼接成一个整体路面结构。各光伏太阳能结构单元的外形可以为矩形，六边形或其他几何形状中的一种或多种。
本发明的路面施工方法，先预制若干上述的光伏太阳能结构单元，再将各光伏太阳能结构单元顺次拼接成一个整体路面结构，操作方便、施工效率高，成本低、便于大规模推广。
本实施例中，上述的步骤S1具体包括以下步骤：
S11：制作单元框架模具6，预留供光伏太阳能结构单元之间拼接用的拼接端；此拼接端为企口缝或者传力杆等嵌锁结构。
S12：在单元框架模具6内固定安装若干限位钢片7，各限位钢片7分别沿横向和纵向两层间隔布置，限位钢片7上开设若干限位孔70，将聚光部2和光纤3依次固定插设于上下两层限位钢片7的限位孔70内；此限位钢片7不仅可以用于固定聚光部2和光纤3，还可加强混凝土基体1抗弯拉强度的作用。
S13：在单元框架模具6底部安装保护罩4，保护罩4上开设若干导向孔40，光纤3穿过导向孔40并指向保护罩4内部；
S14：预制混凝土，并在步骤S11～S13完成后将混凝土浇注于单元框架模具6内形成混凝土基体1；
S15：单元框架模具6养护、拆模，完成一个光伏太阳能结构单元的制备。
本实施例中，步骤S14中，混凝土的组分包括按配比混合的碎石、砂、胶凝材料、水及外加剂；混凝土浇注时，避开直接接触聚光部2头部，将单元框架模具6一侧抬高以形成自密实混凝土基体1；本实施例中，混凝土基体1的最大粒径不大于聚光部2中心间距1/3。混凝土所选配合比为每立方米的碎石：砂：水泥：粉煤灰：水：减水剂=899.4kg：819.5kg：383.7kg：164.4kg：163.4kg：4.38kg，坍落度扩展度达到700mm，混凝土的流动性满足规范要求。7天养护后抗压强度达到37.75MPa，折合为28天抗压强度可达到64.64MPa，所用水泥标号为42.5，因此混凝土强度完全满足C40的要求。当间距为5cm，骨料最大粒径为16mm时，其间隙通过情况满足要求。
本实施例中，在聚光部2与限位孔70之间、光纤3与限位孔70之间以及光纤3与导向孔40之间分别填充用于密封固定的环氧树脂，防止水泥浆渗入；本实施例中，通过拼接端将各光伏太阳能结构单元顺次拼接成一个整体路面结构，在各保护罩4内放置光伏太阳能电池板5，并将光伏太阳能电池板5与电路系统电连接；本实施例中，用水泥浆、沥青或者环氧树脂胶将光伏太阳能电池板5封装于保护罩4内，进一步保护光伏太阳能电池板5。
虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然而并非用以限定本发明。任何熟悉本领域的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围的情况下，都可利用上述揭示的技术内容对本发明技术方案做出许多可能的变动和修饰，或修改为等同变化的等效实施例。因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明技术实质对以上实施例所做的任何简单修改、等同变化及修饰，均应落在本发明技术方案保护的范围内。
Claims (10)
1.一种基于导光混凝土的光伏太阳能结构单元，其特征在于：包括混凝土基体（1）、聚光部（2）、光纤（3）、保护罩（4）和光伏太阳能电池板（5），所述保护罩（4）位于混凝土基体（1）底部并与混凝土基体（1）之间形成用于安放光伏太阳能电池板（5）的封闭空腔，所述聚光部（2）位于混凝土基体（1）顶部，所述光纤（3）一端与聚光部（2）连接，另一端穿过保护罩（4）并指向光伏太阳能电池板（5）。
2.根据权利要求1所述的基于导光混凝土的光伏太阳能结构单元，其特征在于：所述聚光部（2）包括聚光透镜（21）和导光体（22），所述导光体（22）与聚光透镜（21）连接且口径逐渐缩小，所述聚光透镜（21）向上伸出自混凝土基体（1）外，所述导光体（22）的末端与光纤（3）紧固连接。
3.根据权利要求2所述的基于导光混凝土的光伏太阳能结构单元，其特征在于：所述导光体（22）的末端通过连接胶套（23）与光纤（3）紧固连接；或者，所述导光体（22）的末端延伸为柱形体，所述光纤（3）固定插设于柱形体内。
4.根据权利要求1所述的基于导光混凝土的光伏太阳能结构单元，其特征在于：所述光纤（3）为可弯折的光纤，且两端部分别设置成利于接收、发散光线的凸起（30）。
5.根据权利要求1至4中任意一项所述的基于导光混凝土的光伏太阳能结构单元，其特征在于：所述保护罩（4）的顶部为弧形状。
6.根据权利要求5所述的基于导光混凝土的光伏太阳能结构单元，其特征在于：各聚光部（2）呈矩形阵列布置，或呈同心的圆周阵列布置。
7.一种基于导光混凝土的光伏太阳能结构单元的路面施工方法，其特征在于：包括以下步骤：
S1：预制若干如权利要求1至6中任意一项所述的光伏太阳能结构单元；
S2：将各光伏太阳能结构单元顺次拼接成一个整体路面结构。
8.根据权利要求7所述的路面施工方法，其特征在于：所述步骤S1具体包括：
S11：制作单元框架模具（6），预留供光伏太阳能结构单元之间拼接用的拼接端；
S12：在单元框架模具（6）内固定安装若干限位钢片（7），各限位钢片（7）分别沿横向和纵向两层间隔布置，所述限位钢片（7）上开设若干限位孔（70），将聚光部（2）和光纤（3）依次固定插设于上下两层限位钢片（7）的限位孔（70）内；
S13：在单元框架模具（6）底部安装保护罩（4），保护罩（4）上开设若干导向孔（40），光纤（3）穿过导向孔（40）并指向保护罩（4）内部；
S14：预制混凝土，并在步骤S11～S13完成后将混凝土浇注于单元框架模具（6）内形成混凝土基体（1）；
S15：单元框架模具（6）养护、拆模，完成一个光伏太阳能结构单元的制备。
9.根据权利要求8所述的路面施工方法，其特征在于：步骤S14中，所述混凝土的组分包括按配比混合的碎石、砂、胶凝材料、水及外加剂；混凝土浇注时，先将单元框架模具（6）一侧抬高后再倒下以形成自密实混凝土基体（1），所述混凝土基体（1）的最大粒径不大于聚光部（2）中心间距1/3。
10.根据权利要求9所述的路面施工方法，其特征在于：在所述聚光部（2）与限位孔（70）之间、光纤（3）与限位孔（70）之间以及光纤（3）与导向孔（40）之间分别填充用于密封固定的环氧树脂；通过拼接端将各光伏太阳能结构单元顺次拼接成一个整体路面结构，在各保护罩（4）内放置光伏太阳能电池板（5），并将光伏太阳能电池板（5）与电路系统电连接；用水泥浆、沥青或者环氧树脂胶将光伏太阳能电池板（5）封装于保护罩（4）内。
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