CN114293429A - 一种基于压电换能技术的装配式路面系统 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种基于压电换能技术的装配式路面系统，包括路面结构和能量采集装置，所述路面结构包括由上至下依次设置的沥青磨耗层、水泥混凝土路面板、基层和路基，所述能量采集装置包括相连接的压电能量采集模块和输电导线，所述水泥混凝土路面板为预置拼装式面板，其上表面开设有用于安装所述压电能量采集模块和输电导线的安装槽。与现有技术相比，本发明能够提升路面与压电能量采集模块的整体性和协同性，延长路面结构和能量采集的服役寿命；提升能量采集效率和电学稳定性；解决压电能量采集模块布设难题，方面维修升级，加快施工进度，提升施工质量。
Description
技术领域
本发明属于道路工程领域，涉及一种路面能量采集装置，尤其是涉及一种基于压电换能技术的装配式路面系统。
背景技术
鉴于道路运输行业典型能源消耗大、环境污染大、智能水平低的特点，挖掘路域范围绿色能源成为实现道路绿色化、智能化发展的重要推动力。路面设计服役期内，路面经受千万次以上轴载作用，不断产生变形与振动。据估算，在1条1公里长的车道上，当货车流量超过600辆/小时，则每小时可产生超过150千瓦的机械能。这些能量最终作为热能耗散在沥青路面内部，但目前缺乏成熟的俘能技术将这部分能量利用起来。同时，重复荷载作用导致了路面结构损伤，进而缩短使用寿命、降低使用性能。压电材料具有将机械能转化为电能的特点，且其能量收集密度仅次于光伏技术，若能充分发挥其效率则可在路面内收集非常可观的电能。
既有研究表明，通过埋设压电能量采集系统可以有效收集路面内部的机械能，用于低功耗传感器和智能道路设施、设备供电。但是与路面中潜在的千瓦级机械能总量相比，现有压电换能技术的收集的能量尚有不足，需要对能量采集系统进行优化。此外，现有压电能量采集系统主要采用后挖法埋设，不仅会干扰交通、破坏路面结构、降低压电装置结构耐久性，并且无法控制施工质量和后期装置的维修升级。
发明内容
本发明的目的就是为了提供一种基于压电换能技术的装配式路面系统，能够有效解决现有压电能量采集效率低、路面结构损伤、路面寿命减短、路面使用性能下降、装置与路面整体性差、施工质量差、施工进度慢等技术问题。
本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：
一种基于压电换能技术的装配式路面系统，包括路面结构和能量采集装置，所述路面结构包括由上至下依次设置的沥青磨耗层、水泥混凝土路面板、基层和路基，所述能量采集装置包括相连接的压电能量采集模块和输电导线，所述水泥混凝土路面板为预置拼装式面板，其上表面开设有用于安装所述压电能量采集模块和输电导线的安装槽。
进一步地，所述压电能量采集模块包括外部封装件、压电单元和限位板，各所述压电单元分别连接能量采集电路后，多个所述压电单元并联连接组成压电阵列，该压电阵列通过所述限位板封装于所述外部封装件内，并与输电导线连接。
进一步地，所述压电单元包括叠堆式设置的压电陶瓷。
进一步地，多个所述压电陶瓷并联连接。
进一步地，所述压电陶瓷的材料为锆钛酸铅压电陶瓷材料。
进一步地，所述外部封装件包括通过柔性垫圈和螺栓连接的顶板和基座，所述顶板上开设有横向等间距凹槽，所述基座上开设有用于引出所述输电导线的导线孔。
进一步地，多个所述压电单元组成对称式压电阵列。
进一步地，所述水泥混凝土路面板上布设有可拆卸传力杆件和起吊调平构件。
进一步地，多个所述安装槽阵列式排布。
进一步地，所述水泥混凝土路面板和基层之间设置有板底功能层，该板底功能层的材料为水泥沥青砂浆。
进一步地，所述沥青磨耗层和水泥混凝土路面板之间设置有应力吸收防水粘接层。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
1、本发明采用装配式路面结构，降低装置埋设对路面使用性能的影响，延长路面结构和压电装置的服役寿命，提升能量采集效率和电学稳定性。
2、本发明采用水泥混凝土路面板，水泥混凝土路面板具有强度高、稳定性好、耐久性好、可预制等特点，在与压电装置刚度差异、交通影响、路面质量控制等方面，相较于沥青路面均具有较大改善。此外，为改善水泥路面存在行驶舒适性差、噪音大、抗滑性能不足等问题，本发明在水泥路面上部加铺一定厚度的沥青磨耗层，改善路面使用性能和行驶舒适性。同时，本发明在沥青磨耗层和水泥混凝土路面板之间设置应力吸收防水粘接层，提升抗反射裂缝和抗层间滑移的能力；水泥混凝土路面板底设置水泥沥青砂浆，实现板底空隙填充，改善板底支撑条件。本发明可以发挥路面结构强度高、行驶舒适性好、抗滑能力强等优点，减轻压电装置车轮磨耗和水损坏等复杂环境影响。
3、本发明能量采集装置埋设于水泥面层顶面预留槽位内，装置顶面与水泥面层顶面平齐，通过灌注填缝材料使得能量采集装置的底面受到路面约束，侧面与路面柔性连接，能够有效提升压电能量采集与路面的协同性能，提升能量采集效率和系统耐久性。
4、本发明压电材料选择机电转换系数、压电参数优异的锆钛酸铅压电陶瓷材料；压电结构选择结构耐久、电学疲劳性能优异的叠堆式压电单元。压电单元在封装结构内部采用对称布设，减少应力不均匀对电学性能的影响。
5、本发明装配式路面结构解决了压电能量采集系统布设难题，方面维修升级，加快施工进度，提升施工质量。
附图说明
图1为本发明装配式路面结构的示意图；
图2为本发明组成的道路示意图；
图3为本发明压电能量采集模块的分解图；
图4为本发明压电单元的结构示意图；
图5为本发明能量采集装置的框架示意图；
图中：1-沥青磨耗层、2-应力吸收防水粘接层、3-水泥混凝土路面板、4-板底功能层、5-基层、6-路基、7-压电能量采集模块、8-输电导线、9-安装槽、10-填缝材料、31-可拆卸传力杆件、32-起吊调平构件、71-顶板、72-压电单元、73-限位板、74-基座，721-压电陶瓷、722-紫铜电极、723-陶瓷垫片、724-环氧树脂、725-紫铜导线。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。本实施例以本发明技术方案为前提进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。
装配式路面技术作为近年成熟的快速铺装和修复技术，具备施工质量高、结构性能可控、交通影响小、路面使用性能优越等优势，有望解决压电能量采集系统铺设难题，并便于压电能量采集系统维护和升级。本发明基于此进行研发。
如图1所示，本实施例提供一种基于压电换能技术的装配式路面系统，包括路面结构和能量采集装置，路面结构包括由上至下依次设置的沥青磨耗层1、水泥混凝土路面板3、基层5和路基6，能量采集装置包括相连接的压电能量采集模块7和输电导线8，水泥混凝土路面板3为预置拼装式面板，其上表面开设有用于安装压电能量采集模块7和输电导线8的安装槽9，方便压电能量采集模块7的安装和升级，输电导线8可与路侧变电站和能源管理系统连接实现路域分布式供电和并网发电。水泥面层、压电模块构件均可以采用模块化设计和生产。
该路面系统将压电能量采集模块安装于装配式水泥面层顶部，现场吊装施工预置路面板并铺筑沥青磨耗层，以实现新型路面压电能量采集系统。该路面结构和能量采集装置的结合可以发挥路面结构强度高、行驶舒适性好、抗滑能力强等优点；减轻压电装置车轮磨耗和水损坏等复杂环境影响，提升路面与压电能量采集的整体性和协同性；降低装置埋设对路面使用性能的影响，延长路面结构和压电模块的服役寿命；提升能量采集效率和电学稳定性；突破路面能量采集的技术瓶颈，为路面压电振动能量采集提供新的技术路线。
沥青磨耗层1厚度为2～4cm，可提升装配式路面结构的平整度、改善行车条件。在优选的实施方式中，沥青磨耗层1和水泥混凝土路面板3之间设置有应力吸收防水粘接层2，提升抗反射裂缝和层间滑移的能力。应力吸收防水粘接层2厚度可为1mm。
水泥混凝土路面板3上布设有可拆卸传力杆件31和起吊调平构件32。可拆卸传力杆件31布设水泥混凝土路面板3四周，起吊调平构件32布设于水泥混凝土路面板3内，可方便快速施工和替换。水泥混凝土路面板3厚度为20～40cm。相邻水泥混凝土路面板3通过可拆卸传力杆件31拼装连接，如图2所示。
如图3所示，压电能量采集模块7用于采集交通荷载激励下的机械能量，包括外部封装件、压电单元72和限位板73，各压电单元72分别连接能量采集电路后，多个压电单元72并联连接组成压电阵列，该压电阵列通过限位板73封装于外部封装件内，并与输电导线8连接。压电能量采集模块7顶面与水泥面层顶面平齐，通过灌注填缝材料10使得压电装置的底面受到路面约束，侧面与路面柔性连接。限位板73预留压电单元和能量采集电路凹槽；限位板72不承担竖向荷载，采用防水、绝缘的填充材料制作。填缝料10可以采用环氧树脂道钉胶，提升压电能量采集系统与装配式水泥混凝土面层的整体性和协同性，降低装置埋设对路面使用性能的影响，延长路面结构和压电装置的服役寿命。
本实施例中，压电能量采集模块7外部形状为长方体，高度为40mm，长度和宽度为300mm。
外部封装件包括通过柔性垫圈和螺栓连接的顶板71和基座74，顶板71上开设有横向等间距凹槽，基座74上开设有用于引出输电导线8的导线孔。顶板71与基座74通过柔性垫圈连接，允许顶板71在荷载激励下可产生竖向位移。顶板71可采用形变小的高强度材料，基座74的强度可采用与水泥混凝土强度接近的材料。顶板71和基座74之间还可连接螺栓。
本实施例中，顶板采用铝合金材料，厚度为8mm，长度和宽度为300mm，四角开设螺栓孔。顶面刻横向等间距的凹槽增加与沥青磨耗层1的摩擦力，深度为2mm，间距为10mm。基座采用玻纤板材料，高度为30mm，中间切削深度为20mm，边长为280mm的凹槽，侧壁厚度为10mm。柔性垫圈压缩厚度为2mm，沉孔螺栓直径为5mm，导线孔为2mm。
多个压电单元72组成对称式压电阵列，安装于限位板73内，减少应力不均匀对电学性能的影响。
压电单元72可优选机电转换系数、压电参数优异的锆钛酸铅压电陶瓷材料；可优选结构耐久、电学疲劳性能优异的叠堆式压电单元。
如图4所示，本实施例中，压电单元72包括多个叠堆式设置的压电陶瓷721，相邻压电陶瓷721间设置有紫铜电极722，紫铜电极722引出有紫铜导线725，多个叠堆的压电陶瓷721端部设置有陶瓷垫片723，陶瓷垫片723、压电陶瓷721、紫铜电极722、紫铜导线725物理串联形成复合结构，并通过环氧树脂724进行封装。压电陶瓷正极与正极搭接、负极与负极搭接，采用电学并联减小冲击荷载下的电压波动、增加输出电流。
表1
| 结构 | 材料 | 直径/mm | 厚度/mm |
| 压电陶瓷 | PZT-5H | 30 | 2 |
| 电极 | 紫铜 | 30 | 0.1 |
| 垫片 | 陶瓷 | 30 | 2.5 |
| 粘结剂 | 环氧树脂 | 30 | 0.01 |
| 导线 | 紫铜 | 0.5 |
本实施例中，压电单元72的各部件尺寸如表1所示。压电单元72直径为30mm，高度为22mm。压电陶瓷721采用PZT-5H。
水泥混凝土路面板3和基层5之间设置有板底功能层4，该板底功能层4为注浆功能层，材料为水泥沥青砂浆，采用重力注浆方法，实现板底空隙填充，改善板底支撑条件。水泥沥青砂浆由水泥、乳化沥青、细骨料、水和多种外加剂等原材料组成。
基层5为柔性基层或半刚性基层，单层18～30cm；路基6满足稳定性、强度和水温稳定性的要求。
安装槽9分为压电装置凹槽和导线凹槽。在具体实施方式中，压电装置凹槽取高度45mm、长度和宽度为310mm，导线凹槽为10mm；多个安装槽按照阵列平行排布，连接至路侧基站。
如图5所示，能量采集装置还可以连接能量采集电路、能量存储电路和能量利用电路；能量采集电路包括全桥整流器、AC-DC变换、阻抗匹配和自供电电路等；能量存储电路可以采用锂电池或超级电容；能量利用电路可以根据负载电路要求进行电压变换；能量存储电路和能量利用电路组成电源管理电路。
上述路面系统可以与路侧变电站和电能管理系统共同组成供电系统，多组压电能量采集模块通过输电导线将能量传输至路侧变电站和电能管理系统实现传感器、智能交通设备供电或并网发电。
以上详细描述了本发明的较佳具体实施例。应当理解，本领域的普通技术人员无需创造性劳动就可以根据本发明的构思作出诸多修改和变化。因此，凡本技术领域中技术人员依本发明的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在由权利要求书所确定的保护范围内。
Claims (10)
1.一种基于压电换能技术的装配式路面系统，其特征在于，包括路面结构和能量采集装置，所述路面结构包括由上至下依次设置的沥青磨耗层(1)、水泥混凝土路面板(3)、基层(5)和路基(6)，所述能量采集装置包括相连接的压电能量采集模块(7)和输电导线(8)，所述水泥混凝土路面板(3)为预置拼装式面板，其上表面开设有用于安装所述压电能量采集模块(7)和输电导线(8)的安装槽(9)。
2.根据权利要求1所述的基于压电换能技术的装配式路面系统，其特征在于，所述压电能量采集模块(7)包括外部封装件、压电单元(72)和限位板(73)，各所述压电单元(72)分别连接能量采集电路后，多个所述压电单元(72)并联连接组成压电阵列，该压电阵列通过所述限位板(73)封装于所述外部封装件内，并与输电导线(8)连接。
3.根据权利要求2所述的基于压电换能技术的装配式路面系统，其特征在于，所述压电单元(72)包括叠堆式设置的压电陶瓷(721)，多个所述压电陶瓷(721)并联连接。
4.根据权利要求3所述的基于压电换能技术的装配式路面系统，其特征在于，所述压电陶瓷(721)的材料为锆钛酸铅压电陶瓷材料。
5.根据权利要求2所述的基于压电换能技术的装配式路面系统，其特征在于，所述外部封装件包括通过柔性垫圈和螺栓连接的顶板(71)和基座(74)，所述顶板(71)上开设有横向等间距凹槽，所述基座(74)上开设有用于引出所述输电导线(8)的导线孔。
6.根据权利要求2所述的基于压电换能技术的装配式路面系统，其特征在于，多个所述压电单元(72)组成对称式压电阵列。
7.根据权利要求1所述的基于压电换能技术的装配式路面系统，其特征在于，所述水泥混凝土路面板(3)上布设有可拆卸传力杆件(31)和起吊调平构件(32)。
8.根据权利要求1所述的基于压电换能技术的装配式路面系统，其特征在于，多个所述安装槽(9)阵列式排布。
9.根据权利要求1所述的基于压电换能技术的装配式路面系统，其特征在于，所述水泥混凝土路面板(3)和基层(5)之间设置有板底功能层(4)，该板底功能层(4)的材料为水泥沥青砂浆。
10.根据权利要求1所述的基于压电换能技术的装配式路面系统，其特征在于，所述沥青磨耗层(1)和水泥混凝土路面板(3)之间设置有应力吸收防水粘接层(2)。
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2021
- 2021-12-09 CN CN202111499220.XA patent/CN114293429A/zh active Pending
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