CN106549625B - 一种复合式路面能量收集装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种复合式路面能量收集装置，包括集成在能量收集装置表面的光伏发电单元，以及设置在能量收集装置内部的压电发电单元、电磁发电单元和温差发电单元；本发明采用复合式能量收集方式，实现了路面太阳辐射能、车辆轴载振动的机械能以及路面环境热能等多种环境能量的复合式收集，实现了道路环境能量收集的多模式化、集成化、高效化、低成本化，提高了道路能量收集的效率，降低了能量收集的成本。
Description
技术领域
本发明属于能量收集装置，涉及一种复合式路面能量收集装置。
背景技术
随着资源能源形势的日益严峻，新能源开发利用越来越得到重视，环境中蕴含大量的环境能量。在道路交通领域，成千上万的车辆行驶在道路上，车辆轴载振动的机械能，轮胎与路面磨耗产生的热能，汽车行驶中带动的空气流通的能量，此外太阳光照对路面的辐射能等都是可以被收集利用的环境能量。
目前道路能量收集方式主要为风力发电和光伏发电两种方式，均为单一形式的能量收集装置，能量输出不高，且这两种方式的能量收集装置通常安装在道路两侧，能量收集的区域并不是道路环境能量较为集中的路面表面。
发明内容
本发明所解决的技术问题在于提供一种复合式路面能量收集装置，能够同时收集道路中的光照辐射能、机械能以及热能，其结构紧凑、能量转换效率高、成本相对较低。
本发明是通过以下技术方案来实现：
一种复合式路面能量收集装置，包括集成在能量收集装置表面的光伏发电单元，以及设置在能量收集装置内部的压电发电单元、电磁发电单元和温差发电单元；
所述的光伏发电单元用于收集路面太阳辐射能，包括设置在顶盖表面的光伏转换组件，其上还覆盖有保护组件；
所述的压电发电单元和电磁发电单元用于收集车辆轴载振动的机械能，分别由传导车辆轴载振动的滑块机构驱动；所述的压电发电单元包括设置在顶盖内侧的悬臂式压电换能器和侧壁底部的堆栈式压电换能器；所述的电磁发电单元包括安装在水平导轨上的永磁体及水平导轨外侧的磁感应线圈；
所述的温差发电单元用于收集路面摩擦及辐射的热能，包括设置在能量收集装置内部的导热部件和温差发电模块。
所述的滑块机构包括设立在顶盖与底盖之间的垂向导杆，垂向导杆在上其端套设有悬臂式压电换能器，在垂向导杆下方固结有垂向滑块，在垂向滑块下方套设有限位弹簧；斜导杆的一端与垂向滑块相连接，另一端与横向滑块相连接，横向滑块与永磁体设置在同一水平导轨上，其两侧分别设置有永磁体、堆栈式压电换能器。
所述的滑块机构对压电发电单元、电磁发电单元的驱动为：
车辆驶入压在顶盖上时，悬臂式压电换能器随垂向导杆下行，垂向导杆驱动悬臂式压电换能器的悬臂振动；垂向滑块随垂向导杆下行，并通过斜导杆带动横向滑块向水平方向移动，挤压堆栈式压电换能器；横向滑块同时带动永磁体移动切割磁感线圈；
当车辆驶离顶盖时，限位弹簧回弹，推动或带动垂向滑块、横向滑块回复至原始位置，随横向滑块的回复永磁体再次切割磁感线圈。
所述的能量收集装置内设有若干组并行排列的滑块机构，滑块机构与侧壁之间以及滑块机构之间设有横向连杆；
垂向滑块及横向滑块与斜导杆之间采用铰链连接。
所述的悬臂式压电换能器由多层贴有压电陶瓷的金属板构成；所述的堆栈式压电换能器由多片环状压电陶瓷片堆叠组成。
所述的悬臂式压电换能器采用双支点支撑方式，每层金属板的中央贴有压电陶瓷片，压电陶瓷片的中央开设有与垂向导杆相匹配的导杆连接孔，导杆连接孔内侧还设有绝缘垫圈；金属板上还开设有固定螺杆孔，金属板之间通过固定螺杆相连接。
所述的金属板上侧还通过卡销与垂向导杆相连接，下侧还通过固定螺母与垂向导杆相连接；
金属板自底层逐层安装，在垂向导杆上安装固定螺母，再安装贴有压电陶瓷的金属板，最后安装卡销；各层金属板之间预留可变形空间。
所述的堆栈式压电换能器内部由多层压电陶瓷片堆叠而成，陶瓷片结构为圆形环装结构或者矩形环装结构，内部预留有水平导轨的安装空间，横向滑块沿导轨移动对堆栈式压电换能器间歇性挤压。
所述温差发电单元通过导热部件将热量传递至温差发电模块表面，温差发电模块根据不同路面层位之间温差产生电能：白天高温端在路面表面层，低温端在装置的底部；夜晚则相反。
所述的光伏发电单元、压电发电单元、电磁发电单元以及温差发电单元还分别通过整流电路与蓄电池相连接，或者通过逆变器与电网相连接。
与现有技术相比，本发明具有以下有益的技术效果：
道路环境中存在多种形式的能量，包括路面吸收的太阳辐射能、路面车辆轴载振动的机械能、路面与轮胎接触产生的摩擦能及噪声能量等。传统的路面能量收集方式仅收集单一形式的能量，输出能量小、能量转换效率低、经济效益差。本发明采用复合式能量收集方式，集成了光伏发电、压电发电、磁电发电、温差发电等多种形式能量收集单元，实现了路面太阳辐射能、车辆轴载振动的机械能以及路面环境热能等多种环境能量的复合式收集，实现了道路环境能量收集的多模式化、集成化、高效化、低成本化，提高了道路能量收集的效率，降低了能量收集的成本。
附图说明
图1-1为本发明的结构示意图，图1-2为本发明的简略侧视图；
图2-1为悬臂式压电换能器安装示意图，图2-2为悬臂式压电换能器详图；
图3为堆栈式压电换能器示意图；
图4为电磁式能量收集单元示意图；
图5为光伏发电单元及温差发电单元示意图；
图6为装置能量收集示意图；
图7为装置铺设示意图。
具体实施方式
下面结合具体的实施例对本发明做进一步的详细说明，所述是对本发明的解释而不是限定。
本发明提供一种复合式路面能量收集装置，在能量收集装置中集成了光伏发电单元、压电发电单元、温差发电单元以及电磁发电单元。其中，光伏发电单元是利用半导体材料的光电效应将吸收的光照能量转化为电能；压电发电单元是利用压电材料的压电效应，将作用的机械能转化为电能；电磁发电单元是利用电磁感应将机械能转化为电能；温差发电单元则是利用半导体材料的塞贝克效应，将热能转化为电能。
参见图1-1、图1-2，一种复合式路面能量收集装置，包括集成在能量收集装置表面的光伏发电单元，以及设置在能量收集装置内部的压电发电单元、电磁发电单元和温差发电单元；
所述的光伏发电单元用于收集路面太阳辐射能，包括设置在顶盖1表面的光伏转换组件5，其上还覆盖有保护组件4；
所述的压电发电单元和电磁发电单元用于收集车辆轴载振动的机械能，分别由传导车辆轴载振动的滑块机构驱动；所述的压电发电单元包括设置在顶盖1内侧的悬臂式压电换能器6和侧壁2底部的堆栈式压电换能器14；所述的电磁发电单元包括安装在水平导轨上的永磁体12及水平导轨外侧的磁感应线圈13；
所述的温差发电单元用于收集路面摩擦及辐射的热能，包括设置在能量收集装置内部的导热部件15和温差发电模块16。
所述的滑块机构包括设立在顶盖1与底盖3之间的垂向导杆7，垂向导杆7在上其端套设有悬臂式压电换能器6，在垂向导杆7下方固结有垂向滑块8，在垂向滑块8下方套设有限位弹簧11；斜导杆10的一端与垂向滑块8相连接，另一端与横向滑块9相连接，横向滑块9与永磁体12设置在同一水平导轨上，其两侧分别设置有永磁体12、堆栈式压电换能器14。
所述的滑块机构对压电发电单元、电磁发电单元的驱动为：
车辆驶入压在顶盖1上时，悬臂式压电换能器6随垂向导杆7下行，垂向导杆7驱动悬臂式压电换能器6的悬臂振动；垂向滑块8随垂向导杆7下行，并通过斜导杆10带动横向滑块9向水平方向移动，挤压堆栈式压电换能器14；横向滑块9同时带动永磁体12移动切割磁感线圈13；
当车辆驶离顶盖1时，限位弹簧11回弹，推动或带动垂向滑块8、横向滑块9回复至原始位置，随横向滑块9的回复永磁体12再次切割磁感线圈13。
下面给出具体的实施例，参见图1-2所示为沿能量收集装置的长边简略透视图，能量收集装置的内部空腔包括一套或多套所示的滑块机构，垂向滑块8底部由限位弹簧11支撑，车辆驶入时，垂向滑块8随垂向导杆7下行，引起悬臂式压电换能器6向下移动，双滑块机构分别向下和向水平方向移动，挤压堆栈式压电换能器14，同时引起连接在横向滑块9末段的永磁体12移动切割磁感线圈13；当车辆驶离时，限位弹簧11回弹，推动双滑块机构回复至原始位置，横向滑块末段的永磁体12再次切割磁感线圈13，完成一次能量收集过程；滑块机构与侧壁2之间以及滑块机构之间设有横向连杆17；装置内部安装有横向连杆17，能固定滑块机构，防止滑块机构在垂直平面内摆动。
垂向滑块8与垂向导杆7固结，载荷通过斜导杆10传递至横向滑块9，垂向滑块8及横向滑块9与斜导杆10之间采用铰链连接，通过滑块结构实现将垂向载荷转化为横向载荷，并增大了载荷值及增加了振动幅度。
具体的，所述的悬臂式压电换能器6由多层贴有压电陶瓷的金属板构成；所述的堆栈式压电换能器14由多片环状压电陶瓷片堆叠组成。
所述的悬臂式压电换能器6采用双支点支撑方式，每层金属板6-1的中央贴有压电陶瓷片6-2，压电陶瓷片6-2的中央开设有与垂向导杆7相匹配的导杆连接孔6-3，导杆连接孔6-3内侧还设有绝缘垫圈6-5；金属板6-1上还开设有固定螺杆孔6-4，金属板6-1之间通过固定螺杆相连接。所述的金属板6-1上侧还通过卡销7-1与垂向导杆7相连接，下侧还通过固定螺母7-2与垂向导杆7相连接；
金属板6-1自底层逐层安装，在垂向导杆7上安装固定螺母7-2，再安装贴有压电陶瓷的金属板，最后安装卡销7-1；各层金属板6-1之间预留可变形空间。
下面给出具体实施例，悬臂式压电换能器结构6采用多层式压电悬臂梁结构，采用双支点支撑方式，每层详细结构如图2-1所示，图中6-1为金属板，6-1为压电陶瓷片，6-3为导杆连接孔，6-4为固定螺杆孔，6-5为绝缘垫圈，各层均通过如图2-2所示的螺母及卡销与垂向导杆7连接，图2-2中7-1为金属卡销，7-2为固定螺母，安装时自底层逐层安装，先安装下层螺母再安装悬臂式压电换能器，最后插入卡销即可；全部悬臂结构通过垂向导杆7的振动驱动，各层之间预留可变形空间。
所述的堆栈式压电换能器14内部由多层压电陶瓷片堆叠而成，陶瓷片结构为圆形环装结构14-4或者矩形环装结构14-3，内部预留有水平导轨18的安装空间，横向滑块沿导轨18移动对堆栈式压电换能器14间歇性挤压。
下面给出具体实施例，堆栈式换能器14内部由多层压电陶瓷片堆叠而成，如图3所示，陶瓷片结构为圆形环装结构14-4或者矩形14-3环装结构，内部预留有导轨18的安装空间，横向滑块9沿导轨18移动，对堆栈式压电换能器14间歇性挤压，实现载荷加载。
横向滑块9末段连接有条状永磁体，如图4所示，永磁体12外部有环形线圈13，通过滑块10带动永磁体12的往复运动引起永磁体12不断切割线圈13，产生感应电流。
所述温差发电单元通过导热部件15将热量传递至温差发电模块16表面，温差发电模块16根据不同路面层位之间温差产生电能：白天高温端在路面表面层，低温端在装置的底部；夜晚则相反。
下面给出具体实施例，如图5所示，内侧贴有导热部件15(金属导热板)，底部贴有温差发电片16，高温端从装置表面经金属导热板15传递至温差发电片16上表面，低温段为装置底部的低温层；温差发电片16上下表面的温度差形成电势差，对外放电。
如图5所示，能量收集装置的上表面贴有光伏转换组件5(一层柔性光伏发单片)，在光伏发电片上部覆盖有一层透光的保护组件4，太阳辐射能经透光膜照射至光伏发电单元，输出电能。
所述的光伏发电单元、压电发电单元、电磁发电单元以及温差发电单元还分别通过整流电路与蓄电池相连接，或者通过逆变器与电网相连接。如图6所示，所集成在装置表面内的光伏发电单元，安装在装置内部的压电发电单元、电磁发电单元以及温差发电单元产生的电能均经过整流电路整流后存储在蓄电池中或通过逆变器输送到电网。
如图7所示，本发明提供的复合式路面能量收集装置，是一种矩形或圆形实体空腔结构，可以单组铺设或多组构成矩阵结构铺设，可以铺设在公路、人行道、停车场减速带区域，能够有效收集车辆轴载振动机械能、路面摩擦及辐射的热能以及太阳辐射能。
本发明采用复合式能量收集方式，集成了光伏发电、压电发电、磁电发电、温差发电等多种形式能量收集单元，实现了道路环境能量收集的多模式化、集成化、高效化、低成本化。
以上给出的实施例是实现本发明较优的例子，本发明不限于上述实施例。本领域的技术人员根据本发明技术方案的技术特征所做出的任何非本质的添加、替换，均属于本发明的保护范围。
Claims (9)
1.一种复合式路面能量收集装置，其特征在于，包括集成在能量收集装置表面的光伏发电单元，以及设置在能量收集装置内部的压电发电单元、电磁发电单元和温差发电单元；
所述的光伏发电单元用于收集路面太阳辐射能，包括设置在顶盖(1)表面的光伏转换组件(5)，其上还覆盖有保护组件(4)；
所述的压电发电单元和电磁发电单元用于收集车辆轴载振动的机械能，分别由传导车辆轴载振动的滑块机构驱动；所述的压电发电单元包括设置在顶盖(1)内侧的悬臂式压电换能器(6)和侧壁(2)底部的堆栈式压电换能器(14)；所述的电磁发电单元包括安装在水平导轨上的永磁体(12)及水平导轨外侧的磁感应线圈(13)；
所述的温差发电单元用于收集路面摩擦及辐射的热能，包括设置在能量收集装置内部的导热部件(15)和温差发电模块(16)；
所述的滑块机构包括设立在顶盖(1)与底盖(3)之间的垂向导杆(7)，在垂向导杆(7)上端套设有悬臂式压电换能器(6)，在垂向导杆(7)下方固结有垂向滑块(8)，在垂向滑块(8)下方套设有限位弹簧(11)；斜导杆(10)的一端与垂向滑块(8)相连接，另一端与横向滑块(9)相连接，横向滑块(9)与永磁体(12)设置在同一水平导轨上，其两侧分别设置有永磁体(12)、堆栈式压电换能器(14)。
2.根据权利要求1所述的复合式路面能量收集装置，其特征在于，所述的滑块机构对压电发电单元、电磁发电单元的驱动为：
车辆驶入压在顶盖(1)上时，悬臂式压电换能器(6)随垂向导杆(7)下行，垂向导杆(7)驱动悬臂式压电换能器(6)的悬臂振动；垂向滑块(8)随垂向导杆(7)下行，并通过斜导杆(10)带动横向滑块(9)向水平方向移动，挤压堆栈式压电换能器(14)；横向滑块(9)同时带动永磁体(12)移动切割磁感线圈(13)；
当车辆驶离顶盖(1)时，限位弹簧(11)回弹，推动或带动垂向滑块(8)、横向滑块(9)回复至原始位置，随横向滑块(9)的回复永磁体(12)再次切割磁感线圈(13)。
3.根据权利要求1或2所述的复合式路面能量收集装置，其特征在于，所述的能量收集装置内设有若干组并行排列的滑块机构，滑块机构与侧壁(2)之间以及滑块机构之间设有横向连杆(17)；
垂向滑块(8)及横向滑块(9)与斜导杆(10)之间采用铰链连接。
4.根据权利要求1所述的复合式路面能量收集装置，其特征在于，所述的悬臂式压电换能器(6)由多层贴有压电陶瓷的金属板构成；所述的堆栈式压电换能器(14)由多片环状压电陶瓷片堆叠组成。
5.根据权利要求4所述的复合式路面能量收集装置，其特征在于，所述的悬臂式压电换能器(6)采用双支点支撑方式，每层金属板(6-1)的中央贴有压电陶瓷片(6-2)，压电陶瓷片(6-2)的中央开设有与垂向导杆(7)相匹配的导杆连接孔(6-3)，导杆连接孔(6-3)内侧还设有绝缘垫圈(6-5)；金属板(6-1)上还开设有固定螺杆孔(6-4)，金属板(6-1)之间通过固定螺杆相连接。
6.根据权利要求5所述的复合式路面能量收集装置，其特征在于，所述的金属板(6-1)上侧还通过卡销(7-1)与垂向导杆(7)相连接，下侧还通过固定螺母(7-2)与垂向导杆(7)相连接；
金属板(6-1)自底层逐层安装，在垂向导杆(7)上安装固定螺母(7-2)，再安装贴有压电陶瓷的金属板，最后安装卡销(7-1)；各层金属板(6-1)之间预留可变形空间。
7.根据权利要求4所述的复合式路面能量收集装置，其特征在于，所述的堆栈式压电换能器(14)内部由多层压电陶瓷片堆叠而成，陶瓷片结构为圆形环装结构(14-4)或者矩形环装结构(14-3)，内部预留有水平导轨(18)的安装空间，横向滑块沿导轨(18)移动对堆栈式压电换能器(14)间歇性挤压。
8.根据权利要求1所述的复合式路面能量收集装置，其特征在于，所述温差发电单元通过导热部件(15)将热量传递至温差发电模块(16)表面，温差发电模块(16)根据不同路面层位之间温差产生电能：白天高温端在路面表面层，低温端在装置的底部；夜晚则相反。
9.根据权利要求1所述的复合式路面能量收集装置，其特征在于，所述的光伏发电单元、压电发电单元、电磁发电单元以及温差发电单元还分别通过整流电路与蓄电池相连接，或者通过逆变器与电网相连接。
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