CN107620323B - 一种具有压电发电功能的路面井盖及其施工方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种具有压电发电功能的路面井盖及其施工方法，包括安装于井口处的井盖座、井盖，所述井盖包括固定外环圈、活动中环圈、内圆座，固定外环圈与井盖座固定连接，内圆座底面上环形间隔分布多个矩形槽、T形槽，位于内圆座下方的井盖座上环形分布有多个T形卡台，内圆座的矩形槽下移与井盖座的T形卡台相配合，T形卡台沿内圆座的矩形槽旋转，T形卡台与内圆座的T形槽相配合，本发明通过合理的结构设置使得汽车和行人通过窨井盖时，窨井盖内的结构可以收集到更多电能，同时在未改变路面结构以及不影响路面排水功能的情况下，改善了路面减震功能。

Description

一种具有压电发电功能的路面井盖及其施工方法

技术领域

本发明涉及路面车辆能量收集技术领域，特别是利用压电发电材料结合车辆动能的一种具有压电发电功能的路面井盖及其施工方法。

背景技术

目前道路窨井盖主要作用是便于工人对下水道维修，窨井盖平时都被闲置在路面，汽车和行人通过时产生的震动能未被充分利用，造成能源的浪费。随着近年来人们对环保意识的日益重视和国际大力倡导可持续发展的要求，一种可发电的新型窨井盖值得探究。

已公开的具有发电功能的窨井盖，虽然对压电结构进行了特别设计，但未对防水和防盗功能进行特别设计，窨井盖整体实用性不强，并且需要增加路面结构设施或者改变路面原有结构以满足其发电结构的设计，因而会对原有路面结构的性能产生较大影响。该新型窨井盖主要通过压电发电来设计传感装置以达到预警的目的，虽说采用了压电发电原理，但产生的电能太小，仅能用于传递电信号。

发明内容

本发明为避免上述现有技术中的不足之处，提供了一种具有压电发电功能的路面井盖及其施工方法，通过合理的结构设置使得汽车和行人通过窨井盖时，窨井盖内的结构可以收集到更多电能，同时改善了路面排水功能和减震功能。

本发明为解决技术问题采用如下技术方案：

一种具有压电发电功能的路面井盖，包括安装于井口处的井盖座、井盖，所述井盖包括固定外环圈、活动中环圈、内圆座，固定外环圈与井盖座固定连接，内圆座底面上环形间隔分布多个矩形槽、T形槽，位于内圆座下方的井盖座上环形分布有多个T形卡台，内圆座的矩形槽下移与井盖座的T形卡台相配合，T形卡台沿内圆座的矩形槽旋转，T形卡台与内圆座的T形槽相配合，所述井盖座上开有环形凹槽，环形凹槽上间隔分布有压电发电装置、复位弹簧，复位弹簧下端固定连接于井盖座的环形凹槽上，复位弹簧上方的活动中环圈底部设有承压板，复位弹簧上端顶置于活动中环圈底部的承压板上，压电发电装置包括横截面为椭圆状的弹性外壳、发电片单元，发电片单元包括有发电片以及包覆于发电片外的防护橡胶层，发电片单元贴置于弹性外壳顶部内壁上，发电片单元底面两端分别垫置有缓冲橡胶块；压电发电装置上方的活动中环圈底部设有弧形凸起，压电发电装置两侧分别设有高度限位台，高度限位台上端具有限位凹槽；当井盖的活动中环圈受到车辆或行人的外荷载作用向下移动时，活动中环圈的弧形凸起压置于压电发电装置的弹性外壳上，发电片单元开始变形发电，井盖座内设有导电环，压电发电装置通过导线与导电环相连接，导电环通过导线连接蓄电池；当压电发电装置的发电片单元处于最大变形量时，复位弹簧处于最大压缩变形量，高度限位台的限位凹槽与活动中环圈的弧形凸起相接触。

所述的固定外环圈上表面由内向外呈渐低的坡面且上表面延伸至井盖座，并通过内螺栓与井盖座固定连接，内圆座上表面由圆心向外呈渐高的坡面，且内圆座的圆心处设有排水孔，活动中环圈两侧与固定外环圈、内圆座之间分别设有防水密封圈。

所述的井盖座为圆环体，压电发电装置下方的环形凹槽的槽底面由外向内呈渐低的坡面，且环形凹槽向内径向贯穿井盖座。

所述的活动中环圈上部具有外接触弧形凸起，外接触弧形凸起分别高于固定外环圈、内圆座。

所述的内圆座上设有两个操作孔。

所述压电发电装置的弹性外壳边沿带有连接片，连接片上开有螺栓孔，连接片的螺栓孔配合有固定螺栓，固定螺栓将压电发电装置与井盖座固定连接。

所述的高度限位台的限位凹槽内敷设有橡胶层。

一种具有压电发电功能的路面井盖施工方法，包括有以下施工步骤：

步骤一：按照市政道路窨井盖的施工要求，选择合适路面位置安装井盖座将制作好的井盖座安装在路面上，然后将压电发电装置安装在井盖座上，蓄电池安装在路面偏路边一侧，压电发电装置与蓄电池通过穿过井盖座内壁的导线连接，然后将活动中环圈安装，最后将内圆座和固定外环圈安装在井盖座上；

步骤二：找到合适安装点后，先将井盖座固定于井盖口处，确认井盖座安装固定完成后，将压电发电装置和复位弹簧安装在井盖座的环形凹槽上；压电发电装置的弹性外壳通过其上的连接片和固定螺栓与井盖座固定，固定螺栓安装在连接片两端；复位弹簧可根据井盖座材料采用焊接或用环氧树脂胶固定；

步骤三：将导线从发电片单元两极引出，连接到导电环；再从导电环引出导线连接到整流电路和蓄电池储存；导线和导电环用塑料或橡胶包裹；

步骤四：蓄电池安装在靠近路边一侧；

步骤五：先将活动中环圈安装在井盖座上，然后将固定外环圈合上，根据需要在固定外环圈间隔安装有多个内螺栓；

步骤六：将内圆座合上，内圆座的矩形槽先与T形卡台嵌合，再用安装杆旋转内圆座使T形槽与T形卡台嵌合，完成安装。

与已有技术相比，本发明有益效果如下：

1、本发明在不影响窨井盖原有功能的前提下，以环形阵列的方式布置压电装置可以有效增加发电量，并使电能得到有效的利用，解决原有技术因发电量太小，而仅能在传感器上应用的缺点；

2、本发明的压电发电装置设置于井盖座内侧支撑处，利用窨井盖已有的空间，未改变路面结构，也没有增加路面结构其他设施；

3、本发明利用活动中环圈上下移动，挤压压电发电装置产生电能，利用压电发电装置弹性外壳的回复作用和复位弹簧的复位作用，可以有效改善路面的减震功能；

4、本发明通过防水密封圈以及倾斜结构的设计，使得窨井盖及内部压电发电装置具有一定的防水功能；通过T形卡台、T形槽和操作孔、安装杆的设计，使得窨井盖及内部压电发电装置具有一定的防盗功能，这样大大地增加窨井盖的实用性，更好地应用于实际情况；

5、本发明为使所述的窨井盖更好地应用于实际，还设计了所述窨井盖的施工方法，根据窨井盖原有的结构，合理设计井盖座及井盖各部分的施工工序，使窨井盖除了能满足传统井盖功能外，还能满足发电功能以及内部压电发电装置防水防盗的功能，增加窨井盖实际可操作性和实用性。

附图说明

图1为本发明的井盖结构示意图；

图2为本发明的井盖座结构示意图；

图3为本发明的井盖座的局部放大示意图；

图4为本发明的活动中环圈结构示意图；

图5为本发明的压电发电装置结构示意图；

图6为本发明的活动中环圈与复位弹簧接触示意图；

图7为本发明的活动中环圈与压电发电装置接触示意图；

图8为本发明的安装杆结构示意图。

具体实施方式

参见附图，一种具有压电发电功能的路面井盖，包括安装于井口处的井盖座1、井盖，井盖包括固定外环圈2、活动中环圈3、内圆座4，固定外环圈2与井盖座1固定连接，内圆座4底面上环形间隔分布多个矩形槽20、T形槽19，位于内圆座4下方的井盖座1上环形分布有多个T形卡台8，内圆座4的矩形槽20下移与井盖座1的T形卡台8相配合，T形卡台8沿内圆座4的矩形槽20旋转，T形卡台8与内圆座4的T形槽19相配合，井盖座1上开有环形凹槽9，环形凹槽9上间隔分布有压电发电装置10、复位弹簧6，复位弹簧6下端固定连接于井盖座的环形凹槽9上，复位弹簧6上方的活动中环圈3底部设有承压板16，复位弹簧6上端顶置于活动中环圈3底部的承压板16上，压电发电装置10包括横截面为椭圆状的弹性外壳11、发电片单元12，发电片单元12包括有发电片以及包覆于发电片外的防护橡胶层，发电片单元12贴置于弹性外壳11顶部内壁上，发电片单元12底面两端分别垫置有缓冲橡胶块13；压电发电装置10上方的活动中环圈3底部设有弧形凸起17，压电发电装置10两侧分别设有高度限位台7，高度限位台7上端具有限位凹槽；当井盖的活动中环圈3受到车辆或行人的外荷载作用向下移动时，活动中环圈3的弧形凸起17压置于压电发电装置10的弹性外壳11上，发电片单元12开始变形发电，井盖座1内设有导电环23，压电发电装置10通过导线与导电环23相连接，导电环23通过导线连接蓄电池5；当压电发电装置10的发电片单元12处于最大变形量时，复位弹簧6处于最大压缩变形量，高度限位台7的限位凹槽与活动中环圈3的弧形凸起17相接触；

固定外环圈2上表面由内向外呈渐低的坡面且上表面延伸至井盖座1，并通过内螺栓22与井盖座1固定连接，内圆座4上表面由圆心向外呈渐高的坡面，且内圆座4的圆心处设有排水孔24，活动中环圈3两侧与固定外环圈2、内圆座4之间分别设有防水密封圈21；井盖座1为圆环体，压电发电装置10下方的环形凹槽9的槽底面由外向内呈渐低的坡面，且环形凹槽9向内径向贯穿井盖座1；活动中环圈3上部具有外接触弧形凸起18，外接触弧形凸起18分别高于固定外环圈2、内圆座4；内圆座4上设有两个操作孔25；压电发电装置10的弹性外壳11边沿带有连接片15，连接片15上开有螺栓孔，连接片15的螺栓孔配合有固定螺栓14，固定螺栓14将压电发电装置10与井盖座1固定连接；高度限位台7的限位凹槽内敷设有橡胶层。

本发明的内圆座4旋转后T形卡台8与T形槽19相配合，使井盖座1与内圆座4结合紧密，并具有一定的防盗功能，井盖座1上的环形凹槽9内设有复位弹簧6，复位弹簧6上端顶置于井盖的活动中环圈3，具有复位与保护压电发电装置的功能，环形凹槽9内固定有压电发电装置10，压电发电装置10的发电片外包覆的防护橡胶层，防护橡胶层具有一定的防水功能，避免发电片浸水失效，发电片单元12贴置于弹性外壳11顶部内壁上，发电片单元12底面两端分别垫置有缓冲橡胶块13，缓冲橡胶块13可以防止荷载过大时，压电发电装置10变形失效；

固定外环圈2上表面由内向外呈渐低的坡面且上表面延伸至井盖座1，将可能产生的积水导向路面，并通过内螺栓22与井盖座1固定连接，内圆座4上表面由圆心向外呈渐高的坡面，将可能产生的积水导向圆心处，且内圆座4的圆心处设有排水孔24，活动中环圈3两侧与固定外环圈2、内圆座4之间分别设有防水密封圈21，增加装置的防水性能。所述的井盖座1为圆环体，环形凹槽9向内径向贯穿井盖座1，井盖座1的环形凹槽9的槽底面由外向内呈渐低的坡面，将可能产生的积水导向井口。活动中环圈3上部具有外接触弧形凸起18，外接触弧形凸起18分别高于固定外环圈2、内圆座4，以便于承受和传递外荷载。所述的内圆座4上设有两个操作孔25，以配合特殊装置进行安装和拆卸。所述的压电发电装置10两侧分别设有高度限位台7，防止压电发电装置10变形过大而被破坏，高度限位台7上端设有限位凹槽，限位凹槽与活动中环圈3的弧形凸起17相配合，限位凹槽内设有橡胶层，保护压电发电装置10。压电发电装置10的弹性外壳11边沿带有连接片15，连接片15上开有螺栓孔，连接片15的螺栓孔配合有固定螺栓14，固定螺栓14将压电发电装置10与井盖座1固定连接。活动中环圈3底部设有承压板16，承压板16压置于所述的复位弹簧6顶端，使得活动中环圈3与复位弹簧6良好接触。

本发明当整个装置受到车辆荷载作用时，活动中环圈3受力下移压置于压电发电装置10和复位弹簧6，压电发电装置10受压变形发电，电能由蓄电池5收集；当车辆荷载撤销时，在复位弹簧6和压电发电装置10本身弓弧截面的复位作用下，活动中环圈3和压电发电装置10恢复到初始状态，压电发电装置10因为恢复变形，进而再一次发电，电能由蓄电池5收集，即完成一次发电循环。

一种具有压电发电功能的路面井盖的施工方法，包括有以下施工步骤：

步骤一：按照市政道路窨井盖的施工要求，选择合适路面位置安装井盖座将制作好的井盖座1安装在路面上，然后将压电发电装置10安装在井盖座1上，蓄电池5安装在路面偏路边一侧，压电发电装置与蓄电池通过穿过井盖座内壁的导线连接，然后将活动中环圈3安装，最后将内圆座4和固定外环圈2安装在井盖座1上；

步骤二：找到合适安装点后，先将井盖座固定于井盖口处，确认井盖座安装固定完成后，将压电发电装置10和复位弹簧6安装在井盖座1的环形凹槽9上；压电发电装置10的弹性外壳11通过其上的连接片15和固定螺栓14与井盖座1固定，固定螺栓14安装在连接片15两端；复位弹簧6可根据井盖座材料采用焊接或用环氧树脂胶固定；

步骤三：将导线从发电片单元12两极引出，连接到导电环；再从导电环引出导线连接到整流电路和蓄电池5储存；导线和导电环23用塑料或橡胶包裹；

步骤四：蓄电池5安装在靠近路边一侧；

步骤五：先将活动中环圈3安装在井盖座1上，然后将固定外环圈2合上，根据需要在固定外环圈2间隔安装有多个内螺栓22；

步骤六：将内圆座4合上，内圆座4的矩形槽20先与T形卡台8嵌合，再用安装杆29旋转内圆座4使T形槽19与T形卡台8嵌合，完成安装。

本发明具有压电发电功能的路面井盖的具体制作方法：

井盖具体制作方法是按照GB/T23858-2009规范，且将井盖制作分成三部分进行，即内圆座4、活动中环圈3和固定外环圈2；井盖座具体制作方法是按照GB/T23858-2009规范，区别在于其内侧支撑处增加3~5cm，根据压电发电装置10和复位弹簧6的数量、大小、位置和活动中环圈3的大小、位置，制作时在井盖座内侧支撑处留出相应大小的环形凹槽9，在紧挨压电发电装置10两侧设有高度限位台7，其上填充2～3cm的橡胶；T形卡台8位于井盖座1上，宽度可设为2cm，长度可设为10～12cm。

井盖座在成型时根据一定的尺寸要求，留出环形凹槽，放置压电结构的环形凹槽宽度可控制在12~15cm，长度控制在6~9cm；放置复位弹簧6的环形凹槽宽度可控制在6~9cm，长度可根据需要设置；

活动中环圈3其上部具有外接触弧形凸起18，下部间隔分布有弧形凸起17和承压板16，活动中环圈3宽度可设为4~5cm，承压板16宽度设为8~9cm，活动中环圈3两侧设有防水密封圈；活动中环圈3可采用一定模具制作而成，其材料与井盖材料一样；

内圆座4下部的矩形槽20、T形槽19宽度均设为略大于2cm，长度相等且略大于T形卡台8长度；内圆座4的排水孔24圆半径设为3～4cm；操作孔25圆半径设为1cm，相距40～50cm，其材料与井盖材料一样；

固定外环圈2其宽度可设为4~5cm，其材料与井盖材料一样；

安装杆29由T形杆件26、倒U形杆件27、支撑杆件28组成，倒U形杆件27两脚间距与操作孔25间距一样，高度设为50cm，截面半径略小于两边圆半径；支撑杆件28长度设为5cm；T形杆件26长度可设为30cm，高度可设为50cm；所述安装杆29杆件均采用焊接形式连接。

Claims (8)

1.一种具有压电发电功能的路面井盖，包括安装于井口处的井盖座、井盖，其特征在于，所述井盖包括固定外环圈、活动中环圈、内圆座，固定外环圈与井盖座固定连接，内圆座底面上环形间隔分布多个矩形槽、T形槽，位于内圆座下方的井盖座上环形分布有多个T形卡台，内圆座的矩形槽下移与井盖座的T形卡台相配合，T形卡台沿内圆座的矩形槽旋转，T形卡台与内圆座的T形槽相配合，所述井盖座上开有环形凹槽，环形凹槽上间隔分布有压电发电装置、复位弹簧，复位弹簧下端固定连接于井盖座的环形凹槽上，复位弹簧上方的活动中环圈底部设有承压板，复位弹簧上端顶置于活动中环圈底部的承压板上，压电发电装置包括横截面为椭圆状的弹性外壳、发电片单元，发电片单元包括有发电片以及包覆于发电片外的防护橡胶层，发电片单元贴置于弹性外壳顶部内壁上，发电片单元底面两端分别垫置有缓冲橡胶块；压电发电装置上方的活动中环圈底部设有弧形凸起，压电发电装置两侧分别设有高度限位台，高度限位台上端具有限位凹槽；当井盖的活动中环圈受到车辆或行人的外荷载作用向下移动时，活动中环圈的弧形凸起压置于压电发电装置的弹性外壳上，发电片单元开始变形发电，井盖座内设有导电环，压电发电装置通过导线与导电环相连接，导电环通过导线连接蓄电池；当压电发电装置的发电片单元处于最大变形量时，复位弹簧处于最大压缩变形量，高度限位台的限位凹槽与活动中环圈的弧形凸起相接触。

2.根据权利要求 1所述的具有压电发电功能的路面井盖，其特征在于，所述的固定外环圈上表面由内向外呈渐低的坡面且上表面延伸至井盖座，并通过内螺栓与井盖座固定连接，内圆座上表面由圆心向外呈渐高的坡面，且内圆座的圆心处设有排水孔，活动中环圈两侧与固定外环圈、内圆座之间分别设有防水密封圈。

3.根据权利要求 1所述的具有压电发电功能的路面井盖，其特征在于，所述的井盖座为圆环体，压电发电装置下方的环形凹槽的槽底面由外向内呈渐低的坡面，且环形凹槽向内径向贯穿井盖座。

4.根据权利要求 1所述的具有压电发电功能的路面井盖，其特征在于，所述的活动中环圈上部具有外接触弧形凸起，外接触弧形凸起分别高于固定外环圈、内圆座。

5.根据权利要求 1所述的具有压电发电功能的路面井盖，其特征在于，所述的内圆座上设有两个操作孔。

6.根据权利要求 1所述的具有压电发电功能的路面井盖，其特征在于，所述压电发电装置的弹性外壳边沿带有连接片，连接片上开有螺栓孔，连接片的螺栓孔配合有固定螺栓，固定螺栓将压电发电装置与井盖座固定连接。

7.根据权利要求 1所述的具有压电发电功能的路面井盖，其特征在于，所述的高度限位台的限位凹槽内敷设有橡胶层。

8.一种权利要求1所述具有压电发电功能的路面井盖施工方法，其特征在于，包括有以下施工步骤：

步骤一：按照市政道路窨井盖的施工要求，选择合适路面位置安装井盖座将制作好的井盖座安装在路面上，然后将压电发电装置安装在井盖座上，蓄电池安装在路面偏路边一侧，压电发电装置与蓄电池通过穿过井盖座内壁的导线连接，然后将活动中环圈安装，最后将内圆座和固定外环圈安装在井盖座上；

步骤二：找到合适安装点后，先将井盖座固定于井盖口处，确认井盖座安装固定完成后，将压电发电装置和复位弹簧安装在井盖座的环形凹槽上；压电发电装置的弹性外壳通过其上的连接片和固定螺栓与井盖座固定，固定螺栓安装在连接片两端；复位弹簧可根据井盖座材料采用焊接或用环氧树脂胶固定；

步骤三：将导线从发电片单元两极引出，连接到导电环；再从导电环引出导线连接到整流电路和蓄电池储存；导线和导电环用塑料或橡胶包裹；

步骤四：蓄电池安装在靠近路边一侧；

步骤五：先将活动中环圈安装在井盖座上，然后将固定外环圈合上，根据需要在固定外环圈间隔安装有多个内螺栓；

步骤六：将内圆座合上，内圆座的矩形槽先与T形卡台嵌合，再用安装杆旋转内圆座使T形槽与T形卡台嵌合，完成安装。