CN106230312A - 一种基于提高力电效应的道路机械能量收集装置 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种基于提高力电效应的道路机械能量收集装置，底板上放置有压电发电基板，压电发电基板上加工有通孔，连接件穿过通孔，连接件的一端固定在顶板上，连接件的另一端固定在底板上；压电发电基板上加工有多个均匀分布的安装盲孔，安装盲孔之间通过加工在压电发电基板上上的导线槽连通，压电发电基板上还加工有与导线槽连通的采集电路安装盲孔；每个安装盲孔内安装有压电堆叠单元，压电堆叠单元上放置有传力构件，传力构件的顶部伸出安装盲孔顶在顶盖上，传力构件将顶板和压电发电基板隔开。本发明可广泛用于道路工程，应力传递效果好、能量转换效率高，具有很高的耐久性，与沥青路面整体契合度高。
Description
技术领域
本发明属于道路工程领域，涉及能量收集，具体涉及一种基于提高力电效应的道路机械能量收集装置。
背景技术
道路结构在几亿甚至上百亿次的车辆荷载作用下积存了可观的机械振动能量，但如此数目巨大的能量却往往未能加以利用而自然流失。若将压电振动能量采集技术与道路工程结合，开发出具有压电发电能力的公路，以此为基础创建安全、可靠、清洁的智能发电系统，可为公路沿线交通设施提供能源，同时也可有效解决偏远地区公路沿线交通设施供电难的问题，具有巨大的经济社会效益。道路压电发电技术多将压电元件植入路面内部，当汽车在路面上行驶时，受荷载的路面材料会对压电元件产生压迫，使其内部的压电晶体变形从而产生电荷，当数千个压电元件被植入路面内部时，在行车荷载作用下便可产生巨大的电量。
目前，道路压电发电技术多是将压电单元直接埋设在沥青混凝土内，施工难度大、压电单元的埋设存活率低、成本过高，且不能保证压电单元受载面与车辆垂向载荷垂直，与道路耦合度低，一旦发生破坏，维修难度很大。同时，虽然国内外已对道路机械能量收集装置进行了初步探索性研究，但大部分装置的应力传递效果差，输出效率不高，且与道路耦合度低。因此开发一种施工方便、耐久性好、道路耦合度高、应力传递效果好、能量转换效率高、便于维修的道路机械能量收集装置是很有必要的。
发明内容
针对现有技术存在的不足，本发明的目的在于，提供一种基于提高力电效应的道路机械能量收集装置，解决现有的能量收集装置力电效应低的技术问题，用于道路振动机械能量的收集利用。
为了解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案予以实现：
一种基于提高力电效应的道路机械能量收集装置，包括底板和与底板平行设置的顶板，底板上放置有压电发电基板，压电发电基板上加工有通孔，连接件穿过通孔，连接件的一端固定在顶板上，连接件的另一端固定在底板上；
压电发电基板上加工有多个均匀分布的安装盲孔，安装盲孔之间通过加工在压电发电基板上上的导线槽连通，压电发电基板上还加工有与导线槽连通的采集电路安装盲孔；
每个安装盲孔内安装有压电堆叠单元，压电堆叠单元上放置有传力构件，传力构件的顶部伸出安装盲孔顶在顶盖上，传力构件将顶板和压电发电基板隔开；
所述的传力构件包括钢球，钢球安装在传力底座的凹槽内，钢球顶在顶板上，传力底座与压电堆叠单元接触。
所述的每个压电堆叠单元上的导线从导线槽引出与安装在采集电路安装盲孔内的能量采集电路相连。
本发明还具有如下区别技术特征：
所述的顶板上设置有与钢球配合的凹式卡槽，所述的传力底座为锥台状或圆柱台状。
所述的传力构件可以采用倒圆角垫块、刚性半球或刚性垫块替换。
所述的顶板上表面和底板下表面设置有浇筑式沥青混凝土层。
所述的底板四周设置有侧板，顶板盖合在侧板上，顶板、底板和侧板形成一个密封的壳体。
所述的侧板上设置有导线出口，能量采集电路的输出导线通过导线出口引出。
所述的连接件为螺栓。
本发明与现有技术相比，具有如下技术效果：
(Ⅰ)本发明的装置应力传递效果好、能量转换效率高，结构简单、安全性高、操作简便、便于维修。本发明可广泛用于道路工程，如行车道路面、减速带、收费站路面、非机动车道路面或者人行道内部，应力传递效果好、能量转换效率高，具有很高的耐久性，与沥青路面整体契合度高。
(Ⅱ)本发明可通过更换不同高度的底板侧板或者在压电堆叠单元下方增加刚性垫片来适应不同厚度的压电堆叠单元。
(Ⅲ)本发明的装置能够通过传力构件的球式传力方式来达到提高应力传递效率、防止侧向挤压的效果，有效保证了压电堆叠单元长期使用的耐久性和稳定性。
(Ⅳ)本发明的装置可以在装置内部通过能量采集电路处置压电堆叠单元所产生的交变、瞬时、随机不规律的能量。
(Ⅴ)本发明的装置通过在表面覆盖浇筑式沥青混凝土，可以充分契合沥青混凝土路面，不破坏沥青混凝土路面的整体性，道路耦合度高；顶板与底板外侧均经过纹路、拉毛等处置，能有效与沥青混凝土骨料结构契合，具备良好的整体性能。
(Ⅵ)本发明的装置外装为高刚度高强度的硬质材料，联动传力效果好，且具有高强度、耐久性好、可回收再利用的特点。
附图说明
图1为本发明的外部结构示意图。
图2为压电发电基板的结构示意图。
图3为本发明的内部结构示意图。
图4为压电堆叠单元的结构示意图。
图5为能量采集电路的示意图。
图6为锥台状传力构件的结构示意图。
图7为圆柱台状传力构件的结构示意图。
图8为倒圆角垫块的结构示意图。
图9为刚性半球的结构示意图。
图10为刚性垫块的结构示意图。
图中各个标号的含义为：1-底板，2-顶板，3-压电发电基板，4-连接件，5-压电堆叠单元，6-传力构件，7-能量采集电路，8-浇筑式沥青混凝土层，9-侧板，10-导线出口，11-凹式卡槽；
(3-1)-通孔，(3-2)-安装盲孔，，(3-3)-导线槽，(3-4)-采集电路安装盲孔；
(6-1)-钢球，(6-2)-传力底座，(6-3)-凹槽，(6-4)-倒圆角垫块，(6-5)-刚性半球，(6-6)-刚性垫块。
以下结合附图对本发明的具体内容作进一步详细解释说明。
具体实施方式
以下给出本发明的具体实施例，需要说明的是本发明并不局限于以下具体实施例，凡在本申请技术方案基础上做的等同变换均落入本发明的保护范围。
实施例1：
遵从上述技术方案，如图1至图6所示，本实施例给出一种基于提高力电效应的道路机械能量收集装置，包括底板1和与底板1平行设置的顶板2，底板1上放置有压电发电基板3，压电发电基板3上加工有通孔3-1，连接件4穿过通孔3-1，连接件4的一端固定在顶板2上，连接件4的另一端固定在底板1上；
压电发电基板3上加工有多个均匀分布的安装盲孔3-2，安装盲孔3-2之间通过加工在压电发电基板3上上的导线槽3-3连通，压电发电基板3上还加工有与导线槽3-3连通的采集电路安装盲孔3-4；
每个安装盲孔3-2内安装有压电堆叠单元5，压电堆叠单元5上放置有传力构件6，传力构件6的顶部伸出安装盲孔3-2顶在顶盖2上，传力构件6将顶板2和压电发电基板3隔开；
传力构件6包括钢球6-1，钢球6-1安装在传力底座6-2的凹槽6-3内，钢球6-1顶在顶板2上，传力底座6-2与压电堆叠单元5接触。
每个压电堆叠单元5上的导线从导线槽3-3引出与安装在采集电路安装盲孔3-4内的能量采集电路7相连。
顶板2上设置有与钢球6-1配合的凹式卡槽11，传力底座6-2为锥台状。传力构件6为高强度、刚度材料，比如碳钢、合金钢等。球式传力方式可以使顶板2受到车辆荷载应力尽可能竖直均匀施加于压电堆叠单元5的表面，避免侧向挤压。
顶板2上表面和底板1下表面设置有浇筑式沥青混凝土层8，并进行固定成型，使道路机械能量收集装置上下表面以沥青混凝土的形式与路面结合，更有利于整体结构的稳固，优选地，顶板2与底板1的表面均有凸出一定高度的侧边，构成一个正方形薄层空间，该空间用于填充浇筑式沥青混凝土层8。优选地，在防水处理层基础之上，涂抹一定厚度的水性环氧沥青作为粘结层，也作为整体防水层，加强与浇筑式沥青混凝土层8的层间粘结性能。
底板1四周设置有侧板9，顶板2盖合在侧板9上，顶板2、底板1和侧板9形成一个密封的壳体，均采用硬质刚性材料，比如碳钢、合金钢等，当荷载作用于装置某一位置时，荷载应力可通过顶板2传递到其他位置，联动传力效果好。
顶板2、底板1、压电发电基板3和传力构件6均应经过绝缘处理，可以采用现今主流金属绝缘处理办法，顶板2与底板1结合处采用橡胶类密封胶进行防水处理。
顶板2与底板1外侧均经过纹路、拉毛等处置，能有效与沥青混凝土骨料结构契合，使其具备良好的整体性能。
顶板2与底板1结合处预留一定为预紧力作用提供的空间，并采在安装完毕后用橡胶类密封胶进行防水处理。
压电发电基板3为刚度高、耐高温、绝缘、隔热、平整度高、方便加工的材料，比如优质尼龙板、环氧玻纤板、电木板、水泥砂浆等。
侧板9上设置有导线出口10，能量采集电路7的输出导线通过导线出口10引出。导线出口10应用橡胶类密封胶进行密封处理。
能量采集电路7采用如图5所示，为经典能量采集电路，可以处置压电堆叠单元5所产生的交变、瞬时、随机不规律的能量。
连接件4为螺栓，螺杆采用高强度单头非全牙螺杆，螺母采用高强度材料，比如合金钢、高强不锈钢等。螺栓中的螺杆通过顶板2、底板1及中间的压电发电基板3的通孔3-1穿插连在一起，底端通过螺母进行固定，通过旋转螺母给上顶板2和底板1施加一定的预紧作用力；同时，在结构整体安装完成之后，在螺杆安装沉孔内灌注树脂类胶黏材料，待固化完成之后在顶板2上面底部整体涂布专用防水胶层。
压电堆叠单元5如图4所示，由多个压电发电片堆叠连接形成。
本实施例的具体安装法如下所述：
步骤一，将压电堆叠单元5与能量采集电路7安装到压电发电基板3中，用导线相连，压电堆叠单元5装入安装盲孔3-2中，导线装入导线槽3-3中，能量采集电路7装入采集电路安装盲孔3-4中。
步骤二，将安装完毕的压电发电基板3放入底板1内，将输出导线从导线出口10，将传力构件6组装好，装入安装盲孔3-2中，位于压电堆叠单元5上方。将顶板2盖到侧板9上。
步骤三，将作为连接件4的螺栓的螺杆穿过通孔3-1，通过旋紧螺母,对顶板2、底板1施加预紧力。
步骤四，在各处灌注树脂类胶黏材料，待固化完成之后在顶板2上面底部整体涂布专用防水胶层，在防水处理层基础之上，涂抹一定厚度的水性环氧沥青作为粘结层。
步骤五，在顶板2、底板1的凸起侧边围成的方形空间内覆盖浇筑式沥青混凝土层8。
实施例2：
本实施例给出一种基于提高力电效应的道路机械能量收集装置，其他结构与实施例1相同，区别仅仅在于：传力底座6-2为圆柱台状，如图7所示。
实施例3：
本实施例给出一种基于提高力电效应的道路机械能量收集装置，其他结构与实施例1相同，区别仅仅在于：传力构件6采用如图8所示的倒圆角垫块6-4替换。
实施例4：
本实施例给出一种基于提高力电效应的道路机械能量收集装置，其他结构与实施例1相同，区别仅仅在于：传力构件6采用如图9所示的刚性半球6-5替换。
实施例5：
本实施例给出一种基于提高力电效应的道路机械能量收集装置，其他结构与实施例1相同，区别仅仅在于：传力构件6采用如图10所示的刚性垫块6-6替换。
对比例：本对比例给出一种道路机械能量收集装置，不设置任何传力构件或结构，压电堆叠单元5直接承受来自顶板2传递而来的车辆荷载。
测试实例：
选用6层1mm厚(厚度共6mm)压电堆叠作为测试实例的压电堆叠元件进行发电效果测试。按照以上步骤进行装置安装，将本装置装入MTS动态伺服液压试验系统，对本装置固定限位，在上部夹具上安装直径302mm压头，分别加载50kN、43kN、36kN、22kN的15Hz正弦输出力，模拟加载0.7MPa、0.6MPa、0.5MPa、0.3MPa行车荷载进行发电效果测试。测试结果如下表1所示。由表1可知，经过上万次加载试验后，实施例1～5中压电堆叠元件均保持正常能量输出，输出衰减轻微，对比例装置能量输出衰减较大；拆分装置后，实施例1～5装置所有压电堆叠元件均完好，对比例装置中部分堆叠已由于应力集中而破坏。
表1 性能测试结果
Claims (7)
1.一种基于提高力电效应的道路机械能量收集装置，其特征在于：包括底板(1)和与底板(1)平行设置的顶板(2)，底板(1)上放置有压电发电基板(3)，压电发电基板(3)上加工有通孔(3-1)，连接件(4)穿过通孔(3-1)，连接件(4)的一端固定在顶板(2)上，连接件(4)的另一端固定在底板(1)上；
压电发电基板(3)上加工有多个均匀分布的安装盲孔(3-2)，安装盲孔(3-2)之间通过加工在压电发电基板(3)上上的导线槽(3-3)连通，压电发电基板(3)上还加工有与导线槽(3-3)连通的采集电路安装盲孔(3-4)；
每个安装盲孔(3-2)内安装有压电堆叠单元(5)，压电堆叠单元(5)上放置有传力构件(6)，传力构件(6)的顶部伸出安装盲孔(3-2)顶在顶盖(2)上，传力构件(6)将顶板(2)和压电发电基板(3)隔开；
所述的传力构件(6)包括钢球(6-1)，钢球(6-1)安装在传力底座(6-2)的凹槽(6-3)内，钢球(6-1)顶在顶板(2)上，传力底座(6-2)与压电堆叠单元(5)接触；
所述的每个压电堆叠单元(5)上的导线从导线槽(3-3)引出与安装在采集电路安装盲孔(3-4)内的能量采集电路(7)相连。
2.如权利要求1所述的基于提高力电效应的道路机械能量收集装置，其特征在于：所述的顶板(2)上设置有与钢球(6-1)配合的凹式卡槽(11)，所述的传力底座(6-2)为锥台状或圆柱台状。
3.如权利要求1所述的基于提高力电效应的道路机械能量收集装置，其特征在于：所述的传力构件(6)可以采用倒圆角垫块(6-4)、刚性半球(6-5)或刚性垫块(6-6)替换。
4.如权利要求1所述的基于提高力电效应的道路机械能量收集装置，其特征在于：所述的顶板(2)上表面和底板(1)下表面设置有浇筑式沥青混凝土层(8)。
5.如权利要求1所述的基于提高力电效应的道路机械能量收集装置，其特征在于：所述的底板(1)四周设置有侧板(9)，顶板(2)盖合在侧板(9)上，顶板(2)、底板(1)和侧板(9)形成一个密封的壳体。
6.如权利要求5所述的基于提高力电效应的道路机械能量收集装置，其特征在于：所述的侧板(9)上设置有导线出口(10)，能量采集电路(7)的输出导线通过导线出口(10)引出。
7.如权利要求1所述的基于提高力电效应的道路机械能量收集装置，其特征在于：所述的连接件(4)为螺栓。
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