CN115262435A - 具有折纸结构的防风障 - Google Patents

Abstract

本公开描述一种具有折纸结构的防风障，包括防风障主体、以及摩擦纳米发电装置，防风障主体包括立柱和固定于立柱的风障条，摩擦纳米发电装置设置于风障条，摩擦纳米发电装置包括相对设置的第一电极和第二电极、设置于第一电极和第二电极之间的可伸缩的折纸结构、以及覆盖于折纸结构的摩擦层，在无侧风作用时，第一电极和第二电极处于分离状态，在风障条受到侧风的作用下，折纸结构压缩，折纸结构与摩擦层接触摩擦，通过摩擦起电和静电感应，第一电极和第二电极之间产生电势差，摩擦纳米发电装置将风障条受到的侧风转换为电能。由此，能够缓冲防风障受到的侧风压力。

Description

具有折纸结构的防风障

本申请是申请日为2020年05月29日、申请号为CN202010475352.8、发明名称为一种使用折纸结构摩擦纳米发电机的防风障的专利申请的分案申请。

技术领域

本发明涉及桥梁工程技术领域，尤其是涉及一种具有折纸结构的防风障。

背景技术

桥梁是现代交通运输系统中的重要组成部分，处于强风频发地区的桥梁道路，如新疆、内蒙以及沿海等地的公路，由于地理位置等原因，桥梁路面的风速要远远高于其他路面的风速，在该处道路行驶的车辆侧风行车安全问题凸显。为降低侧风对桥面行车安全的影响、避免发生车辆侧滑或侧倾事故，改善桥面行车环境、提高桥梁有效通行时间，通常需要在桥梁两侧或中央分隔带上设置防风障。通过加设防风障，能够降低桥面风速、增加桥面行车舒适性、是改善桥梁使用功能的一种主要手段。

现有的防风障大多采用“钢立柱+障条”的条式风障结构，其中，钢立柱起支撑作用，风障条起挡风作用，通过调节风障条的宽度、间距以及数量，可以控制风障的挡风效果。如图1所示，防风障主体7主要由风障立柱1、风障条2、风障拉索3、风障夹板与阻尼橡胶套4组成，风障立柱1为固定风障条2的柱状构件；风障条2固定在风障立柱1之间，是一种用于减小侧风风荷载的水平条形受力构件；风障拉索3用于保证桥梁风障的整体稳固性，其材料为不锈钢丝等，需施加预应力；风障夹板用于夹紧风障条2，并采用高强度螺栓固定在风障立柱1上；阻尼橡胶套4用于减小风障条2的震动。

在实际应用中，当出现大风天气时，风障条将会受到较大的侧风压力，使得整个防风障主体容易发生振动，容易发生损坏现象，甚至会带动桥梁整体振动。此外，现有的防风障并不能对桥面行驶车辆产生警示作用，在风速较大时，无法有效提醒行驶车辆注意安全行驶。

发明内容

本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种使用折纸结构摩擦纳米发电机的防风障，基于现有的防风障主体结构，结合使用折纸结构的摩擦纳米发电机技术，以缓冲防风障受到的侧风压力，并通过风电转换，将电能用于警示灯板，以有效警示行驶车辆。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：一种使用折纸结构摩擦纳米发电机的防风障，包括防风障主体，所述防风障主体的外侧安装有摩擦纳米发电装置和风速传感器，所述摩擦纳米发电装置用于将风能转换为电能，所述摩擦纳米发电装置内部设有用于缓冲侧风压力以及增大摩擦面积的折纸结构，所述防风障主体上还安装有警示装置，所述风速传感器连接有处理器，所述摩擦纳米发电装置的输出端分别连接至风速传感器、通过可控开关连接至警示装置，以分别提供电能给风速传感器和警示装置，所述处理器与可控开关相连接，以控制可控开关的导通与关断。

进一步地，所述摩擦纳米发电装置具体为垂直接触分离式摩擦纳米发电装置，所述摩擦纳米发电装置还包括摩擦层、TENG(Triboelectric Nanogenerators，摩擦纳米发电机)电路和相互对称设置的电极，所述折纸结构位于电极之间，所述摩擦层覆盖在折纸结构的外表面，所述TENG电路的输入端与电极相连接，所述TENG电路的输出端分别连接至风速传感器、通过可控开关连接至警示装置。

进一步地，所述TENG电路的输出端依次连接有全波整流电路和滤波电容，所述滤波电容分别连接至风速传感器、通过可控开关连接至警示装置。

进一步地，所述摩擦层的负极采用全氟烷材料，所述摩擦层的正极采用弹性乳胶材料。

进一步地，所述电极采用金属铝材质。

进一步地，所述折纸结构采用类蜂窝胞壁形式，以产生缓冲和抗压作用。

进一步地，所述摩擦纳米发电装置以简支形式安装在防风障主体的外侧。

进一步地，所述警示装置安装在风障条的内侧。

进一步地，所述警示装置包括多个发光二极管。

进一步地，所述发光二极管得电后发出以预设频率进行闪烁的黄色灯光。

本发明的具体工作原理为：当无侧风作用时，摩擦纳米发电装置的电极处于分离状态，此时摩擦纳米发电装置不输出电能；

当有侧风作用时，侧风压力作用于位于风障条外侧的摩擦纳米装置，折纸结构压缩，折纸结构与摩擦层接触摩擦，通过摩擦起电以及静电感应，两个电极之间产生电势差，伴随侧风压力大小的不规则变化，形成电极之间周期性的接触分离过程，TENG电路依此将风能转换为电能，输出交流电，该交流电经过全波整流电路变换为直流电，再经过滤波电容输出平稳的直流电，该直流电输出给风速传感器，风速传感器检测当前侧风的风速，若处理器判断当前侧风的风速值是否超过预设的风速阈值，若判断为是，则控制可控开关导通，警示系统从摩擦纳米装置得电后，发出闪烁的黄色灯光，从而提醒桥梁路面的行驶车辆当前风速过大、需注意安全行驶；若判断为否，则控制可控开关关断，警示系统失电，不对桥梁路面的行驶车辆进行提醒。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：

一、本发明结合设置折纸结构的摩擦纳米发电装置以及警示装置，利用摩擦纳米发电装置将风障条受到的侧风转换为电能，并将该电能输出给警示装置，不仅能够通过折纸结构缓冲减少桥梁防风障受到的侧风压力，同时能够对桥梁路面行驶车辆产生警示作用。

二、本发明将摩擦层覆盖在折纸结构的外表面，以有效增加摩擦层的接触表面积，从而显著放大接触摩擦带电和静电感应作用，形成可产生感应电荷的区域，增强能量转换效率，保证防风障受到的侧风能够有效地被转换为电能。

三、本发明通过风速传感器实时采集当前侧风风速，利用处理器进行危险风速的判断，从而控制警示装置是否得电，依次保证警示装置能够及时可靠地提醒桥梁路面行驶车辆注意安全行驶。

附图说明

现在将仅通过参考附图的例子进一步详细地解释本公开，其中：

图1防风障本体的示意图。

图2为本发明的结构示意图。

图3为本发明中摩擦纳米发电装置的结构示意图。

图4为本发明中TENG电路的连接示意图。

附图标记说明

1…风障立柱，2…风障条，3…风障拉索，4…风障夹板和阻尼橡胶套，5…桥面，6…桥梁护栏，7…防风障主体，8…摩擦纳米发电装置，9…连接导线，10…风速传感器，101…处理器，11…可控开关，12…警示装置，13…折纸结构，14…电极，15…摩擦层，16…TENG电路。

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。

实施例

一种使用折纸结构摩擦纳米发电机的防风障，包括防风障主体7(具体结构如图1所示，该结构为现有技术)，防风障主体7的内侧朝向桥梁路面，防风障主体7的外侧朝向桥梁两侧外部区域，如图2所示，防风障主体7的外侧安装有摩擦纳米发电装置8、防风障主体7的内侧安装有警示装置12，防风障主体7上还安装有风速传感器10、处理器101和可控开关11，其中，摩擦纳米发电装置8通过导线9分别连接至风速传感器10和可控开关11，风速传感器10与处理器101连接，处理器101与可控开关11连接，可控开关11则连接至警示装置12，即摩擦纳米发电装置8为风速传感器10提供电能，处理器101根据风速传感器10检测的风速值，以控制可控开关11的导通与关断，从而控制警示装置12是否从摩擦纳米发电装置得电，风速感应装置10检测实时的风速，当测量到的风速处于正常范围时，可控开关11关断，当风速超过预设的限值时，可控开关11导通，使安装在风障条内侧的警示装置12得电开始工作，本实施例中，警示装置12由发光二极管组成，能发出以一定频率进行闪烁的黄色灯光。

具体的，摩擦纳米发电装置8的结构如图3所示，整个摩擦纳米发电装置8采用垂直接触分离式工作模式，利用摩擦起电和静电感应之间的耦合作用，以产生电能，主要由折纸结构13、相互对称设置的电极14、摩擦层15、TENG电路16组成，折纸结构13采用类蜂窝胞壁的形式，能够提供很好的缓冲能力以及抗压能力，从而缓冲防风障受到的侧风压力、增大摩擦面积，摩擦层15采用以全氟烷(PFA)作为负极材料，弹性乳胶作为正极材料，金属铝(Al)作为电极，摩擦层15覆盖在折纸结构13上，折纸结构13能够有效地增加摩擦层15的接触表面积，以显著放大接触摩擦带电和静电感应的电容变化，形成可产生感应电荷的区域。在无风力作用的状态下，摩擦纳米发电装置的电极14处于分离状态；当有风力作用时，在侧风压力作用下，折纸结构13折叠压缩，折纸结构13与摩擦层15接触摩擦，根据摩擦生电和静电感应原理，上下两个电极14就会产生电势差，通过不规律的侧风压力形成电极14周期性的接触分离过程，通过TENG电路16实现风能向电能的转化，并通过连接导线9为风速传感器10以及警示装置12供电，如图4，TENG电路16的输出端先经过全波整流电路，将交流电转化为直流电，然后经过电容滤波，以获得较为稳定平缓的输出电流。

本发明将折纸技术与摩擦纳米发电技术结合应用于防风障上，纳米发电技术自从2012年首次崭露头角以来，以麦克斯韦位移电流为理论基础的摩擦纳米发电已经引起人们的广泛关注。摩擦纳米发电利用摩擦起电和静电感应之间的耦合作用将机械能转化为电能，具有成本低、材料选择丰富等优点，在微电子低功耗系统和可拉伸能源生成的解决方案中具有很大的应用前景，其开路电压高、瞬时能量转换效率远高于压电、磁电等其他机械能收集技术，是一种前景巨大的道路能量收集技术；折纸技术则是近年来涌现的新兴科技，通过数学上的推导与证明，可以设计制造出有着不同刚性、比表面积和伸缩性的折纸构型，在空间压缩利用、信息储存方面有着许多应用。综合运用摩擦纳米发电机与折纸技术，可以增强当下传统的摩擦纳米发电能量转化效率和输出功率，实现更好的能量回收和电源供给，在发电和自供电方面有很大的应用前景。使用折纸技术的摩擦纳米发电机结构简单，重量轻，故安装在桥梁防风障的外侧并不会影响主梁流线型的气动外形。

因此，将本发明提出的桥梁用防风障应用于实际，既可以利用折纸结构缓冲减少桥梁风障的受力，同时结合摩擦纳米发电将原来在防风障上大量被浪费掉的风能转化为电能，可以将产生的电能直接用于警示灯板，用以提示路过的车辆注意安全，本发明具有缓冲风障条所受的侧风压力以及将防风障上所受的风能转化为电能的优点。本发明设计具有预警桥梁上的风速是否达到临界危险值的作用，当测量到的风速处于危险值时，控制布设在风障条内侧的发光二极管发光进行警示，提前预警桥上行驶的车辆，减少因侧风导致的事故的发生，在未来智能化、安全化桥梁工程中具有重要作用。

Claims (10)

1.一种具有折纸结构的防风障，其特征在于，包括防风障主体、以及摩擦纳米发电装置，所述防风障主体包括立柱和固定于所述立柱的风障条，所述摩擦纳米发电装置设置于所述风障条，所述摩擦纳米发电装置包括相对设置的第一电极和第二电极、设置于所述第一电极和所述第二电极之间的可伸缩的折纸结构、以及覆盖于所述折纸结构的摩擦层，在无侧风作用时，所述第一电极和所述第二电极处于分离状态，在所述风障条受到侧风的作用下，所述折纸结构压缩，所述折纸结构与所述摩擦层接触摩擦，通过摩擦起电和静电感应，所述第一电极和所述第二电极之间产生电势差，从而所述摩擦纳米发电装置将所述风障条受到的侧风转换为电能。

2.根据权利要求1所述的防风障，其特征在于，所述摩擦纳米发电装置以简支形式安装于所述防风障主体的外侧。

3.根据权利要求1所述的防风障，其特征在于，所述折纸结构为类蜂窝胞壁式结构。

4.根据权利要求1所述的防风障，其特征在于，所述防风障主体还包括风障拉索。

5.根据权利要求1所述的防风障，其特征在于，所述防风障主体还包括将所述风障条夹紧的风障夹板。

6.根据权利要求1所述的防风障，其特征在于，所述防风障主体还包括用于减轻所述风障条震动的阻尼橡胶套。

7.根据权利要求1所述的防风障，其特征在于，还包括与所述摩擦纳米发电装置连接的警示系统。

8.根据权利要求7所述的防风障，其特征在于，还包括连接于所述摩擦纳米发电装置并检测当前风速的风速传感器。

9.根据权利要求8所述的防风障，其特征在于，若所述风速传感器所检测的当前侧风的风速值超过预设的风速值，则所述警示系统进行警示。

10.根据权利要求5所述的防风障，其特征在于，所述风障夹板固定于所述立柱上。

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