CN107204721A - 一种路面换能设备 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及发电装置技术领域，尤其涉及一种路面换能设备，用于将路面振动的机械能转换为电能，包括：封装组件、压电转换组件和导电组件，封装组件构成盒式结构，压电转换组件和导电组件均设于盒式结构的内部；压电转换组件包括若干个堆叠式压电转换单元和若干个悬臂梁式压电转换单元；导电组件将压电转换组件与外部电能收集设备连接，以将压电转换组件输出的电能传输至电能收集设备。将压电转换组件和导电组件置于由封装组件构成的盒式结构内，便于将其嵌入路面，具有加工方便、结构简单、组装快捷等优点，使得施工操作简化方便。
Description
技术领域
本发明涉及发电装置技术领域，尤其涉及一种用于将路面振动的机械能转换为电能的路面换能设备。
背景技术
在车辆行驶在路面的过程中，无论是在沥青混凝土路面还是在水泥路面，路面内部都会产生纵横向的振动。这种路面振动的机械能可以转换为电能，并且可能的换能方式包括压电式、静电式、电磁式等。
其中，压电式的换能方式具有俘能效率高、能量密度大等优点，在国内外已有部分研究。例如，以色列研制出了可用于路面、轨道和跑道的基于压电效应的能量收集系统，但该技术的具体细节并未公开，实施和推广困难。
虽然，国内在压电材料和压电换能方面研究较多，但是关于将路面振动的机械能转换为电能并进行收集方面的研究不系统，各种路面换能设备存在施工复杂、刚度低、防水防腐性差等缺点。
发明内容
(一)要解决的技术问题
本发明要解决的技术问题是现有路面换能设备施工复杂的问题。
(二)技术方案
为了解决上述技术问题，本发明提供了一种路面换能设备，用于将路面振动的机械能转换为电能，包括：封装组件、压电转换组件和导电组件，封装组件构成盒式结构，压电转换组件和导电组件均设于盒式结构的内部；压电转换组件包括若干个堆叠式压电转换单元和若干个悬臂梁式压电转换单元；导电组件将压电转换组件与外部电能收集设备连接，以将压电转换组件输出的电能传输至电能收集设备。
根据本发明，封装组件包括底板和与底板贴合相接的盖板，底板朝向盖板的一面开设有安装槽，压电转换组件和导电组件均安装于安装槽内。
根据本发明，底板为边缘部较低且中间部较高的第一台阶结构，盖板为边缘部较高且中间部较低的第二台阶结构，第一台阶结构与第二台阶结构能够配合相接。
根据本发明，在底板的边缘部开设有通孔，在盖板的边缘部与通孔相对应的位置开设有盲孔，通孔与盲孔内插设有连接底板和盖板的连接件。
根据本发明，安装槽包括用于安装导电组件的第一凹槽、用于安装悬臂梁式压电转换单元的第二凹槽以及若干个用于安装堆叠式压电转换单元的孔槽。
根据本发明，若干个孔槽在第二凹槽的两侧呈阵列式分布。
根据本发明，底板与盖板之间设有用于防水的防水件。
发明根据本发明，悬臂梁式压电转换单元包括金属基板、粘贴在金属基板上的压电陶瓷片、粘贴在金属基板上的质量块以及将金属基板固定在盒式结构内的夹持块。
根据本发明，导电组件包括整流桥电路板、将压电转换组件与整流桥电路板连接的第一导线和将整流桥电路板与外部电能收集设备连接的第二导线。
根据本发明，整流桥电路板的外表面喷涂有电子灌封胶。
(三)有益效果
本发明的上述技术方案提供的路面换能设备具有如下优点：
(1)将压电转换组件和导电组件置于由封装组件构成的盒式结构内，便于将其嵌入路面，通过若干个堆叠式压电转换单元和若干个悬臂梁式压电转换单元共同作用将车辆载荷造成路面振动的机械能转换为电能，并由导电组件传输至电能收集设备，具有加工方便、结构简单、组装快捷等优点，使得施工操作简化方便。此外，由于采用了悬臂梁式压电转换单元，使得压电转换组件不需要直接承受车辆碾压载荷，而是通过路面传递的振动波即可发电，因此该路面换能设备设置在公路两边时也可以实现将路面振动的机械能转换为电能。
(2)压电转换组件和导电组件均嵌入式地安装在封装组件的安装槽内，安装方便，且能够有效避免压电转换组件和导电组件发生位移而破坏工作性能。
(3)压电转换组件与导电组件的整流桥电路板连接，使得所有的堆叠式压电转换单元和悬臂梁式压电转换单元在使用时都能处于发电状态，而不会存在耗电元件。
附图说明
图1是本发明实施例的路面换能设备的整体结构示意图；
图2是图1中示出的路面换能设备的分体结构示意图；
图3是图1中示出的路面换能设备的底板的俯视示意图。
图中：1：底板；11：第一台阶结构；2：盖板；21：第二台阶结构；3：安装槽；31：第一凹槽；311：电路板容纳槽；312：导线容纳槽；32：第二凹槽；33：孔槽；41：通孔；42：盲孔；5：连接件；6：夹持块；7：夹持块固定孔。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
如图1至图3所示，本发明路面换能设备的一种实施例，本实施例的路面换能设备用于将路面振动的机械能转换为电能。本实施例的路面换能设备包括：封装组件、压电转换组件和导电组件。封装组件构成盒式结构，压电转换组件和导电组件均设于盒式结构的内部。压电转换组件包括若干个堆叠式压电转换单元和若干个悬臂梁式压电转换单元。导电组件将压电转换组件与外部电能收集设备连接，以将压电转换组件输出的电能传输至电能收集设备。
本实施例的上述路面换能设备，将压电转换组件和导电组件置于由封装组件构成的盒式结构内，便于将其嵌入路面，通过若干个堆叠式压电转换单元和若干个悬臂梁式压电转换单元共同作用将车辆载荷造成路面振动的机械能转换为电能，并由导电组件传输至电能收集设备，具有加工方便、结构简单、组装快捷等优点，使得施工操作简化方便。此外，由于采用了悬臂梁式压电转换单元，使得压电转换组件不需要直接承受车辆碾压载荷，而是通过路面传递的振动波即可发电，因此该路面换能设备设置在公路两边时也可以实现将路面振动的机械能转换为电能。
具体地，如图1所示，在本实施例中，封装组件包括底板1和盖板2，盖板2与底板1贴合相接构成盒式结构，底板1朝向盖板2的一面开设有安装槽3，压电转换组件和导电组件均安装于安装槽3内。优选地，本实施例的底板1为边缘部较低且中间部较高的第一台阶结构11，盖板2为边缘部较高且中间部较低的第二台阶结构21，第一台阶结构11与第二台阶结构21能够配合相接，即第一台阶结构11与第二台阶结构21能够插接，使得底板1和盖板2贴合相接形成整体密封式的盒式结构。在底板1的边缘部开设有通孔41，在盖板2的边缘部与底板1上的通孔41相对应的位置开设有盲孔42，通孔41和盲孔42内插设有连接件5，连接件5用于连接底板1和盖板2，以使底板1和盖板2紧固连接。在本实施例中，盲孔42的内壁设有内螺纹，连接件5采用螺钉，螺钉的外螺纹与盲孔42的内螺纹配合连接。优选地，在底板1与盖板2之间设有用于防水的防水件，在本实施例中，防水件采用硅胶垫，能够起到很好的防水作用，避免水渗入盒式结构内部而破坏压电转换组件和导电组件的工作性能。当然，封装组件构成盒式结构的形式并不局限于本实施例的底板1的第一台阶结构11和盖板2的第二台阶结构21相互配合的形式，也可以采用其它的能够构成整体盒式结构的方式。优选地，封装组件的底板1和盖板2可以采用PA+二硫化钼尼龙材料，该材料具有强度高、防水、耐磨、耐腐蚀、耐冲击、几何稳定性好、适合机床加工等优点，并且其较高的刚度能很好的将外部荷载传递到压电转换组件。当然，PA+二硫化钼尼龙板仅是一种示例，也可以采用其他具有强度高、耐腐蚀等性能的材料。
在本实施例中，压电转换组件的堆叠式压电转换单元和悬臂梁式压电转换单元均能够将路面振动的机械能转换为电能。其中，堆叠式压电转换单元的材料可以选用高压电系数材料，例如PZT-5H压电陶瓷片，其具有很高的压电系数和机电耦合系数，每个堆叠式压电转换单元由若干片压电陶瓷堆叠而成，根据其极化方向，用导电树脂和铜箔串联连接，使得每组压电转换单元中的压电陶瓷的应力状态一样。将多个堆叠式压电转换单元组成阵列式，放入安装槽3中，具有便于替换的特点，根据外部应力大小选择放置的组数以调节堆叠式压电转换单元所处的应力大小，保证其工作在最佳的工作状态。在本实施例中，将3片PZT-5H压电陶瓷片堆叠成矮柱状，每两个压电陶瓷片之间可以夹有铜箔，再用导电环氧树脂粘结，形成一个堆叠式压电转换单元。每个堆叠式压电转换单元的外部可以用防水胶带缠绕，能够起到防水防腐以及防磕碰等作用。悬臂梁式压电转换单元包括金属基板、粘贴在金属基板上的压电陶瓷片、粘贴在金属基板上的质量块以及将金属基板固定在盒式结构内的夹持块6。在本实施例中，金属基板为铜板，在铜板的上下两侧均粘贴有压电陶瓷片，且两个压电陶瓷片串联。铜板远离夹持块6的一端上还设有质量块，根据外部振动频率调整铜板尺寸和质量块的重量，可保证悬臂梁式压电转换单元工作在最佳的工作状态。悬臂梁式压电转换单元也采用PZT-5H压电陶瓷片。在安装槽3内设有用于固定安装夹持块6的夹持块固定孔7，通过插设于夹持块固定孔7中的螺丝可将夹持块6与底板1固定连接。
在本实施例中，导电组件包括整流桥电路板、将压电转换组件与整流桥电路板连接的第一导线和将整流桥电路板与外部电能收集设备连接的第二导线。由此实现将压电转换组件输出的电能收集并传输至外部电能收集设备。整流桥电路板的外表面喷涂有电子灌封胶，以达到密封的效果，由此能更好的做防水防尘处理，保护导电组件不受腐蚀。通过将压电转换组件与导电组件的整流桥电路板连接，使得所有的堆叠式压电转换单元和悬臂梁式压电转换单元在使用时都能处于发电状态，而不会存在耗电元件。
进一步，在本实施例中，安装槽3设于第一台阶结构11的中间部，即安装槽3设在第一台阶结构11的凸起部分上。如图3所示，安装槽3包括用于安装导电组件的第一凹槽31、用于安装悬臂梁式压电转换单元的第二凹槽32以及若干个用于安装堆叠式压电转换单元的孔槽33。其中，第一凹槽31包括用于安装整流桥电路板的电路板容纳槽311和用于安装第一导线的导线容纳槽312，导线容纳槽312相对设有两个，并与电路板容纳槽311连通形成呈U型的第一凹槽31。第二凹32和孔槽33均位于U型的第一凹槽31的内部中间位置，且若干个孔槽33在第二凹槽32的两侧呈阵列式分布。由此能够提高能量收集效率，并且可以依据道路荷载情况，方便地增加或减少堆叠式压电转换单元和悬臂梁式压电转换单元的数量，使压电转换组件处于最有利的工作状态。并且，压电转换组件和导电组件均嵌入式地安装在封装组件的相应的安装槽内，采用模块化的设计，安装方便，且能够有效避免压电转换组件和导电组件发生位移而破坏工作性能。
本实施例的路面换能设备可以用于沥青混凝土路面能量的收集，在沥青混凝土路面上使用切割机开槽，槽深与本实施例的路面换能设备高度一样，由于封装组件的整体弹性模量大，盖板2可与路面齐平以直接承受车辆的轮载，路面与设备之间用灌封胶填充，来保持路面整体完整性。当车辆从该设备上方通过时，盖板2将应力传递于压电转换组件，压电转换组件可以将外部做功(机械能)转变为电能，通过导电组件收集并输送至外部电能收集设备存储，可用于道路指示牌供电，也可以为传感器供电实现自供电传感。其中，压电转换组件中的压电陶瓷片可以承受大约60-100MPa的正向应力，车辆载荷作用在盖板2上，通过盖板2作用于压电陶瓷片上，路面车辆标准载荷为0.7MPa，整个盖板2收集压力传递到压电陶瓷片上，使得压电陶瓷片工作应力大于0.7MPa，但远小于其本身的破坏强度。而悬臂梁式压电转换单元在工作时处于振动状态，并限制了其振幅为10mm，使得压电陶瓷片不会受到达到其破坏强度的应力。
综上所述，本实施例的路面换能设备采用了便于组装的盒式结构，结构简单，加工方便，适合批量加工，具有可提前预制、材料寿命长、工作稳定、可回收等特点。采用悬臂梁式压电转换单元，使得压电转换组件不需要直接承受车辆碾压载荷，而是通过路面传递的振动波即可发电，因此该路面换能设备设置在公路两边时也可以实现将路面振动的机械能转换为电能。封装组件构成的盒式结构的内部结构还可以成上下左右对称，从而可以预知各个组件的位置关系，更便于现场组装和替换，现场放置操作简单，支持嵌入式铺装，施工方便，可回收，容易维护和替换。压电转换组件和导电组件均嵌入式地安装在封装组件的安装槽内，能够有效避免压电转换组件和导电组件发生位移而破坏工作性能。压电转换组件与导电组件的整流桥电路板连接，使得所有的堆叠式压电转换单元和悬臂梁式压电转换单元在使用时都能处于发电状态，而不会存在耗电元件。此外，该设备的各个部件均可量产，单个部件损坏，可单独替换，有利于降低损耗成本。
最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。
Claims (10)
1.一种路面换能设备，用于将路面振动的机械能转换为电能，其特征在于，包括：封装组件、压电转换组件和导电组件，所述封装组件构成盒式结构，所述压电转换组件和所述导电组件均设于所述盒式结构的内部；所述压电转换组件包括若干个堆叠式压电转换单元和若干个悬臂梁式压电转换单元；所述导电组件将所述压电转换组件与外部电能收集设备连接，以将所述压电转换组件输出的电能传输至所述电能收集设备。
2.根据权利要求1所述的路面换能设备，其特征在于，所述封装组件包括底板和与所述底板贴合相接的盖板，所述底板朝向所述盖板的一面开设有安装槽，所述压电转换组件和所述导电组件均安装于所述安装槽内。
3.根据权利要求2所述的路面换能设备，其特征在于，所述底板为边缘部较低且中间部较高的第一台阶结构，所述盖板为边缘部较高且中间部较低的第二台阶结构，所述第一台阶结构与所述第二台阶结构能够配合相接。
4.根据权利要求3所述的路面换能设备，其特征在于，在所述底板的边缘部开设有通孔，在所述盖板的边缘部与所述通孔相对应的位置开设有盲孔，所述通孔与所述盲孔内插设有连接所述底板和所述盖板的连接件。
5.根据权利要求2所述的路面换能设备，其特征在于，所述安装槽包括用于安装所述导电组件的第一凹槽、用于安装所述悬臂梁式压电转换单元的第二凹槽以及若干个用于安装所述堆叠式压电转换单元的孔槽。
6.根据权利要求5所述的路面换能设备，其特征在于，若干个所述孔槽在所述第二凹槽的两侧呈阵列式分布。
7.根据权利要求2所述的路面换能设备，其特征在于，所述底板与所述盖板之间设有用于防水的防水件。
8.根据权利要求1所述的路面换能设备，其特征在于，所述悬臂梁式压电转换单元包括金属基板、粘贴在所述金属基板上的压电陶瓷片、粘贴在所述金属基板上的质量块以及将所述金属基板固定在所述盒式结构内的夹持块。
9.根据权利要求1所述的路面换能设备，其特征在于，所述导电组件包括整流桥电路板、将所述压电转换组件与所述整流桥电路板连接的第一导线和将所述整流桥电路板与所述外部电能收集设备连接的第二导线。
10.根据权利要求1所述的路面换能设备，其特征在于，所述整流桥电路板的外表面喷涂有电子灌封胶。
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