CN106972781A - 一种集成式压电换能模块及其应用 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种集成式压电换能模块及其应用，包括底板和设置在底板上的多个基座，所述的基座上还配套有盖体；基座上的安装孔内安装有压电换能器，通过滑轨与滑槽的配合将盖体盖合在底座上；基座上安装有侧基板，侧基板上加工有整流稳压模块安装腔，整流稳压模块安装腔底部的侧基板内嵌入有接触电极输入端和接触电极输出端；安装孔内安装有一对与压电换能器上的一对电极相接触导通的固定导电片，固定导电片与接触电极输入端接触导通将压电换能器产生的电能输入稳压整流模块。本发明能够保证能量输出稳定性，简化安装使用步骤，降低施工成本。本发明将竖向震动变形转化为环状变形，提高了能量利用效率，有效提高了发电路面的能量输出。
Description
技术领域
本发明属于道路工程领域，涉及压电换能器，具体涉及一种集成式压电换能模块及其应用。
背景技术
能源问题当前已成为世界性难题，能源危机严重遏制国家的经济发展与国民生活水平的提高，清洁能源的发展已成为国家能源战略发展的重要组成。我国道路工程发展迅猛，公路路面在整个使用寿命周期内将承受极大交通量，交通荷载作用下路面产生震动变形产生可观的机械能，这部分能量未能够进行有效利用。发电路面技术利用各种车辆行驶过程中对路面产生的轮载压力，经传递到换能器处产生电力输出。压电能量收集过程清洁无污染，这部分能源的开发与利用将会极大缓解现阶段能源紧缺的现状，产生巨大经济效益，对于国家能源战略布局有极大现实意义。
压电发电路面技术现阶段仍不成熟，在实际工程中将压电单元直接埋置于路面内部不仅施工难度大且易发生应力集中现象而导致压电单元受损失去功能；同时由于行车荷载的瞬时性以及路面不均匀变形，压电单元易发生负载不均匀导致输出电压交变不稳定，路面内部众多发电单元产生的不均匀能量处理困难，难以直接利用；此外由于埋置于沥青路面变形不均匀，经常出现压电单元变形小能量利用率低的现象。
发明内容
针对现有技术存在的不足，本发明的目的在于，提供一种一种集成式压电换能模块及其应用，解决现有的压电发电模块集成化程度低，引线繁复的技术问题。
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：
一种集成式压电换能模块，包括底板和设置在底板上的多个基座，所述的基座上还配套有盖体；
所述的基座上加工有顶部开放的安装孔，安装孔内安装有压电换能器，基座的一对侧壁上加工有一对平行的滑槽，盖体底部设置有与滑槽相互配合的一对滑轨，盖体上与一对滑轨相邻的一个侧壁设置为可拆卸的侧盖板，通过滑轨与滑槽的配合将盖体盖合在底座上；所述的滑槽的宽度大于滑轨的厚度，盖体和压电换能器之间还放置有橡胶衬垫，使得盖体承受载荷后能够相对于基座上下反复运动给压电换能器施加载荷；
所述的基座上与一对滑槽相邻的一个侧壁设置为可拆卸的侧基板，侧基板上一部分作为安装孔的内壁；侧基板上加工有整流稳压模块安装腔，整流稳压模块安装腔底部的侧基板内嵌入有接触电极输入端和接触电极输出端，整流稳压模块装入整流稳压模块安装腔后，整流稳压模块的整流稳压输入端与接触电极输入端接触导通，整流稳压模块的整流稳压输出端与接触电极输出端接触导通；
所述的安装孔内安装有一对与压电换能器上的一对电极相接触导通的固定导电片，固定导电片与接触电极输入端接触导通将压电换能器产生的电能输入稳压整流模块。
本发明还具有如下区别技术特征：
所述的侧盖板上设置有第一插销，所述的盖体上设置有与第一插销对应的第一插销孔，通过第一插销和第一插销孔的配合将侧盖板拼装在盖体上。
所述的侧基板底部设置有第二插销孔，所述的底板上设置有与第二插销孔对应的第二插销，通过第二插销孔和第二插销的配合将侧基板拼装在基座上。
所述的固定导电片与安装孔的内壁之间设置有弹簧。
所述的固定导电片通过缠绕接触的方式与接触电极输入端接触导通。
所述的底板内加工有导线槽，导线槽内设置有与接触电极输出端相接触导通的导电件，导电件与导线相连输送电能。
所述的压电换能器包括柱状壳体，柱状壳体的内壁上设置有弹性压电层，弹性压电层与设置在柱状壳体外部的一对电极相导通；柱状壳体的中心设置有主液压缸，主液压缸顶部安装有受压活塞，主液压缸的侧壁上均匀设置有多个径向液压缸，径向液压缸与主液压缸相连通，每个径向液压缸上安装有液压活塞杆，液压活塞杆的端部安装有加压板，受压活塞受压后通过液压油传递压力，使得加压板与弹性压电层接触进行压电发电；
所述的弹性压电层包括多层压电层单元，每个压电层单元包括依次叠放在一起的环形金属片、环形橡胶片和环形压电片。
所述的弹性压电层中包括三层压电层单元。
所述的压电层单元中的环形金属片与加压板直接接触，靠近柱状壳体内壁的环形压电片与柱状壳体之间通过环形金属片隔开。
所述的受压活塞和液压活塞杆上均设置有密封套。
所述的集成式压电换能模块用于铺设在高速公路单行车道路面下或公交站台路面下进行压电发电的应用。
本发明与现有技术相比，具有如下技术效果：
(Ⅰ)本发明将整流稳压模块与压电换能器集成模块化，保证能量输出稳定性，简化安装使用步骤，降低施工成本。本发明将竖向震动变形转化为环状变形，提高了能量利用效率，有效提高了发电路面的能量输出。
(Ⅱ)本发明简化了输出线路，安装简便，提高施工效率。本发明可拓展性强，可以批量规模化生产组装，提高产品的适用性。本发明结构简单，方便施工与后期回收利用。
(Ⅲ)本发明的模块适应现代化施工要求、批量生产、应用范围广，保证了发电模块的集成化，方便后期的回收处理与再利用，可以广泛应用在高速公路、城市道路、机场道路和特殊地区道路及人行道、非机动车道等。
附图说明
图1是本发明的整体结构示意图。
图2是基座的正视结构示意图。
图3是基座的俯视结构示意图。
图4是侧基板的拆分结构示意图。
图5是压电换能器的外观示意图。
图6是压电换能器的内部正视结构示意图。
图7是压电换能器的内部俯视结构示意图。
图8是本发明的集成布设示意图。
图9是用于铺设在高速公路单行车道路面下的布设示意图。
图10是用于铺设在公交站台路面下的布设示意图。
图中各个标号的含义为：1-底板，2-基座，3-盖体，4-安装孔，5-压电换能器，6-滑槽，7-滑轨，8-侧盖板，9-侧基板，10-整流稳压模块安装腔，11-接触电极输入端，12-接触电极输出端，13-整流稳压模块，14-固定导电片，15-第一插销，16-第一插销孔，17-第二插销孔，18-第二插销，19-导线槽，20-导线，21-橡胶衬垫，22-弹簧；
(5-1)-柱状壳体，(5-2)-弹性压电层，(5-3)-电极，(5-4)-主液压缸，(5-5)-受压活塞，(5-6)-径向液压缸，(5-7)-液压活塞杆，(5-8)-加压板，(5-9)-液压油，(5-10)-密封套；(5-2-1)-压电层单元，(5-2-2)-环形金属片，(5-2-3)-环形橡胶片，(5-2-4)-环形压电片；
(13-1)-整流稳压输入端，(13-2)-整流稳压输出端。
以下结合实施例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7所示，本实施例给出一种集成式压电换能模块，包括底板1和设置在底板1上的多个基座2，所述的基座2上还配套有盖体3；
所述的基座2上加工有顶部开放的安装孔4，安装孔4内安装有压电换能器5，基座2的一对侧壁上加工有一对平行的滑槽6，盖体3底部设置有与滑槽6相互配合的一对滑轨7，盖体3上与一对滑轨7相邻的一个侧壁设置为可拆卸的侧盖板8，通过滑轨7与滑槽6的配合将盖体3盖合在底座2上；所述的滑槽6的宽度大于滑轨7的厚度，盖体3和压电换能器5之间还放置有橡胶衬垫21，使得盖体3承受载荷后能够相对于基座2上下反复运动给压电换能器5施加载荷；
所述的基座2上与一对滑槽6相邻的一个侧壁设置为可拆卸的侧基板9，侧基板9上一部分作为安装孔4的内壁；侧基板9上加工有整流稳压模块安装腔10，整流稳压模块安装腔10底部的侧基板9内嵌入有接触电极输入端11和接触电极输出端12，整流稳压模块13装入整流稳压模块安装腔10后，整流稳压模块13的整流稳压输入端13-1与接触电极输入端11接触导通，整流稳压模块13的整流稳压输出端13-2与接触电极输出端12接触导通；
所述的安装孔4内安装有一对与压电换能器5上的一对电极5-3相接触导通的固定导电片14，固定导电片14与接触电极输入端11接触导通将压电换能器5产生的电能输入稳压整流模块13。
具体的，侧盖板8上设置有第一插销15，所述的盖体3上设置有与第一插销15对应的第一插销孔16，通过第一插销15和第一插销孔16的配合将侧盖板8拼装在盖体3上。侧基板9底部设置有第二插销孔17，所述的底板1上设置有与第二插销孔17对应的第二插销18，通过第二插销孔17和第二插销18的配合将侧基板9拼装在基座2上，便于拆卸安装。
固定导电片14与安装孔4的内壁之间设置有弹簧22，增加接触导通的紧密性。
固定导电片14通过缠绕接触的方式与接触电极输入端11接触导通。
接触电极输入端11和接触电极输出端12均采用导电系数高且不易氧化的金属制成，设置成符合整流稳压装置引脚形状的圆筒状。
整流稳压模块13采用普通整流稳压模块，包含整流桥与滤波电路，可有效处理压电换能器5产生的能量；引脚材料选用与接触电极耦合性较好的材料。
底板1内加工有导线槽19，导线槽19内设置有与接触电极输出端12相接触导通的导电件，导电件与导线20相连输送电能，规整线路，减少导线数量。
底板1、基座2和盖体3的材料选择绝缘且力学性能较好的硫化机隔热板(玻璃纤维树脂隔热板)制成，可由优质尼龙板、耐高温尼龙板、含油耐磨尼龙板块、MC尼龙滑块、环氧玻纤板，电木板等材料加工切割制成。
作为本实施例中的一种优选方案，压电换能器5包括柱状壳体5-1，柱状壳体5-1的内壁上设置有弹性压电层5-2，弹性压电层5-2与设置在柱状壳体5-1外部的一对电极5-3相导通；柱状壳体5-1的中心设置有主液压缸5-4，主液压缸5-4顶部安装有受压活塞5-5，主液压缸5-4的侧壁上均匀设置有多个径向液压缸5-6，径向液压缸5-6与主液压缸5-4相连通，每个径向液压缸5-4上安装有液压活塞杆5-7，液压活塞杆5-7的端部安装有加压板5-8，受压活塞5-5受压后通过液压油5-9传递压力，使得加压板5-8与弹性压电层5-2接触进行压电发电；
弹性压电层5-2包括多层压电层单元5-2-1，每个压电层单元5-2-1包括依次叠放在一起的环形金属片5-2-2、环形橡胶片5-2-3和环形压电片5-2-4。
径向液压缸5-6的个数可以根据实际需要进行设计布局。主液压缸5-4上通常都会设置注油孔，用于向液压缸注油与卸油。
弹性压电层5-2中包括三层压电层单元5-2-1，层数可以根据实际需要设定，由环氧树脂封装成成体。
压电层单元5-2-1中的环形金属片5-2-2与加压板5-8直接接触，靠近柱状壳体5-1内壁的环形压电片5-2-4与柱状壳体5-1之间通过环形金属片5-2-2隔开，保护环形压电片5-2-4在发生形变的过程中不会遭到破坏并且能够在外力撤销后恢复至初始位置。
加压板5-8的形状与弹性压电层5-2的弧面相贴合，也为弧面状。
压电换能器5的主体材质为钢材；底板1和基座2采用PEEK材料定制；盖体3选用刚度较大的铍青铜，表面定制花纹并且打毛以使表面粗糙；橡胶衬垫22为普通圆形硬塑橡胶。
环形压电片5-2-4采用压电材料聚偏二氟乙烯PVDF制成。
受压活塞5-5和液压活塞杆5-7上均设置有密封套5-10。
本发明的集成式压电换能模块在使用时，按照如下方法进行组装：
将整流稳压模块13上的整流稳压输入端13-1与整流稳压输出端13-2插入对应的接触电极输入端11和接触电极输出端12中，将固定导电片14的一端缠绕在接触电极输入端11上，插入侧基板9上的整流稳压模块安装腔10内，完成侧基板9组装。组装完成的侧基板9通过第二插销孔17与对应的第二插销18配合拼装在底板1上，将固定导电片14与弹簧22固定安装在安装孔4中，导线20固定在导线槽19内，完成底板1的拼装。集成的压电换能器5卡入安装孔4内，弹簧22保证压电换能器5的电极5-3与安装孔4内的固定导电片14导通良好，完成发电模块组装。在压电换能器5上放置橡胶衬垫21，盖体3底部的滑轨7沿着基座2侧壁加工的平行滑槽6滑入，使得盖体3盖合在底座2上，侧盖板8通过第一插销15与第一插销孔16的配合组合盖体3完成顶板的组合拼装，完成整个埋设单元的拼装。
图8为本发明的一种组装方式，按照基座为3×4的阵列形成一个集成式压电换能模块为一组，组装完成为一个埋设单元。具体的布设方式如下：在路面准备埋设单元的安装槽，对于新建路面，沥青铺筑前在行车道轮迹带下方提前布设好各埋设单元，对于旧沥青路面，采用开槽机开设安装槽；导线连接各埋设单元，布设总线引至能量输出控制模块；为保证埋设单元安全与铺筑质量，在布设好压电导电系统后铺筑一层薄水泥混凝土，水泥混凝土厚度不超过荷载条件下顶板底面。水泥混凝土形成强度后，对路面进行填埋，完成布设。
实施例2：
本实施例给出如实施例1中所述的集成式压电换能模块用于铺设在高速公路单行车道路面下进行压电发电的应用。
步骤一，组装埋设单元。L3为埋设单元长度，L4为埋设单元宽度，选择如图8所示的埋设单元为本次埋设的基础形式，按图9所示组装方式完成埋设单元的组装。
步骤二，布设压电系统。在铺筑沥青混凝土前，以10个压电埋设单元为一组，L2为路中线距基板边缘距离，L1为每个埋设单元间隔，定位布设完毕进行线路连接，布设总线引出端；在布设好压电导电系统后铺筑一层薄水泥混凝土，水泥混凝土厚度不超过荷载条件下盖体的底面。
步骤三，路面铺装与能量利用。水泥混凝土形成强度后，进行路面铺筑，完成埋设单元布设，将总线接入能量输出控制模块，电能存储在储能器中，在存储器蓄满能量后控制电能经逆变器与变压器并联至电网完成能量收集利用。
实施例3：
本实施例给出如实施例1中所述的集成式压电换能模块用于铺设在公交站台路面下进行压电发电的应用。
本实施例与实施例2实施步骤基本相同，不同之处为：如图10所示，布设位置在公交站台下，L5为距路缘石一侧距离。埋设单元同实施例2，10个埋设单元为一组，L1为每个埋设单元间隔，L6为埋设单元距开槽边缘距离；压电单元布设及铺装完成，能量输出控制模块保证白天时刻电能存储在蓄电池组，傍晚开始为公交站牌及广告牌提供电能。
测试例：
本测试例中的压电换能模块中，弹性压电层5-2通过8层压电层单元5-2-1组成，环形压电片5-2-4的单层厚度为1mm。基本压电换能模块组合形式(基座个数)选择1×1，2×2，3×3，4×4，5×5共计5种，模块间连接形式为并联，埋入加速加载试验场内，按上述步骤进行安装布设，以加速加载设备ALF分别以40kN、60kN和80kN轴载模拟行车荷载进行发电效果测试。测试效果如下表1所示。由表1可知，装置规格在1×1到5×5间，在相同轴载作用下输出电压稳定，随着轴载增加输出电压随之上升。试验结束后拆除装置，各个换能器发电效果正常，无损坏现象，每个模块零部件无损坏现象。
表1性能测试结果
Claims (10)
1.一种集成式压电换能模块，其特征在于，包括底板(1)和设置在底板(1)上的多个基座(2)，所述的基座(2)上还配套有盖体(3)；
所述的基座(2)上加工有顶部开放的安装孔(4)，安装孔(4)内安装有压电换能器(5)，基座(2)的一对侧壁上加工有一对平行的滑槽(6)，盖体(3)底部设置有与滑槽(6)相互配合的一对滑轨(7)，盖体(3)上与一对滑轨(7)相邻的一个侧壁设置为可拆卸的侧盖板(8)，通过滑轨(7)与滑槽(6)的配合将盖体(3)盖合在底座(2)上；所述的滑槽(6)的宽度大于滑轨(7)的厚度，盖体(3)和压电换能器(5)之间还放置有橡胶衬垫(21)，使得盖体(3)承受载荷后能够相对于基座(2)上下反复运动给压电换能器(5)施加载荷；
所述的基座(2)上与一对滑槽(6)相邻的一个侧壁设置为可拆卸的侧基板(9)，侧基板(9)上一部分作为安装孔(4)的内壁；侧基板(9)上加工有整流稳压模块安装腔(10)，整流稳压模块安装腔(10)底部的侧基板(9)内嵌入有接触电极输入端(11)和接触电极输出端(12)，整流稳压模块(13)装入整流稳压模块安装腔(10)后，整流稳压模块(13)的整流稳压输入端(13-1)与接触电极输入端(11)接触导通，整流稳压模块(13)的整流稳压输出端(13-2)与接触电极输出端(12)接触导通；
所述的安装孔(4)内安装有一对与压电换能器(5)上的一对电极(5-3)相接触导通的固定导电片(14)，固定导电片(14)与接触电极输入端(11)接触导通将压电换能器(5)产生的电能输入稳压整流模块(13)。
2.如权利要求1所述的集成式压电换能模块，其特征在于，所述的侧盖板(8)上设置有第一插销(15)，所述的盖体(3)上设置有与第一插销(15)对应的第一插销孔(16)，通过第一插销(15)和第一插销孔(16)的配合将侧盖板(8)拼装在盖体(3)上；
所述的侧基板(9)底部设置有第二插销孔(17)，所述的底板(1)上设置有与第二插销孔(17)对应的第二插销(18)，通过第二插销孔(17)和第二插销(18)的配合将侧基板(9)拼装在基座(2)上。
3.如权利要求1所述的集成式压电换能模块，其特征在于，所述的固定导电片(14)与安装孔(4)的内壁之间设置有弹簧(22)。
4.如权利要求1所述的集成式压电换能模块，其特征在于，所述的固定导电片(14)通过缠绕接触的方式与接触电极输入端(11)接触导通。
5.如权利要求1所述的集成式压电换能模块，其特征在于，所述的底板(1)内加工有导线槽(19)，导线槽(19)内设置有与接触电极输出端(12)相接触导通的导电件，导电件与导线(20)相连输送电能。
6.如权利要求1所述的集成式压电换能模块，其特征在于，所述的压电换能器(5)包括柱状壳体(5-1)，柱状壳体(5-1)的内壁上设置有弹性压电层(5-2)，弹性压电层(5-2)与设置在柱状壳体(5-1)外部的一对电极(5-3)相导通；柱状壳体(5-1)的中心设置有主液压缸(5-4)，主液压缸(5-4)顶部安装有受压活塞(5-5)，主液压缸(5-4)的侧壁上均匀设置有多个径向液压缸(5-6)，径向液压缸(5-6)与主液压缸(5-4)相连通，每个径向液压缸(5-4)上安装有液压活塞杆(5-7)，液压活塞杆(5-7)的端部安装有加压板(5-8)，受压活塞(5-5)受压后通过液压油(5-9)传递压力，使得加压板(5-8)与弹性压电层(5-2)接触进行压电发电；
所述的弹性压电层(5-2)包括多层压电层单元(5-2-1)，每个压电层单元(5-2-1)包括依次叠放在一起的环形金属片(5-2-2)、环形橡胶片(5-2-3)和环形压电片(5-2-4)。
7.如权利要求6所述的集成式压电换能模块，其特征在于，所述的弹性压电层(5-2)中包括三层压电层单元(5-2-1)。
8.如权利要求6所述的集成式压电换能模块，其特征在于，所述的压电层单元(5-2-1)中的环形金属片(5-2-2)与加压板(5-8)直接接触，靠近柱状壳体(5-1)内壁的环形压电片(5-2-4)与柱状壳体(5-1)之间通过环形金属片(5-2-2)隔开。
9.如权利要求6所述的集成式压电换能模块，其特征在于，所述的受压活塞(5-5)和液压活塞杆(5-7)上均设置有密封套(5-10)。
10.如权利要求1至9任一权利要求所述的集成式压电换能模块用于铺设在高速公路单行车道路面下或公交站台路面下进行压电发电的应用。
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