CN204168182U - 一种多层压电装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种多层压电装置，用于沥青混凝土路面内，包括多个层式压电转换器、金属模具和封装保护层，层式压电转换器为圆柱状，层式压电转换器包括压电元件、预应力螺栓、前金属盖板和后金属盖板；各层式压电转换器均设置于金属模具中固定，层式压电转换器的前金属盖板露于金属模具的上表面外，各层式压电转换器之间并联连接；封装保护层充满金属模具与层式压电转换器之间的缝隙且覆盖金属模具的上表面。本实用新型的多层压电装置可以将沥青混凝土路面所受外力和振动转化为电能的问题，并且提高多层压电装置与沥青混凝土的相容性，对沥青混凝土结构损伤较小。

Description

一种多层压电装置

技术领域

本实用新型涉及道路建设技术领域，尤其涉及一种多层压电装置，具体地涉及一种适合埋置于沥青混凝土路面内的多层压电装置。

背景技术

振动在自然环境中无处不在。这些振动能量大部分以热能行驶耗散至周围环境中而被浪费掉。压电材料，作为一种理想的机电能量转换材料,具有很高的能量密度,其峰值能量密度可达100～1000KW/KG。

沥青混凝土路面具有表面平整度好等优点,在设计使用期内,路面要承受几百万次以上的车辆轴载的反复作用,从而产生形变和振动,若将合适的压电装置埋入沥青混凝土当中,则外力所产生的部分机械能可以被转换成电能,前景可观。

目前，关于道路自发电技术的发明及实际应用目前都很少，据有关媒体报道以色列机构已实际铺设成功一段压电路面，但涉及技术保密问题，其具体实施方式不得而知。国内西安交通大学的曹秉刚等人所发表的专利《利用公路系统振动能量压电发电的方法及系统》完整介绍了利用公路振动发电的一套方法，但其并未详细介绍压电装置。

因此，针对以上不足，需要提供一种适合埋置于沥青混凝土路面内的多层压电装置。

实用新型内容

(一)要解决的技术问题

本实用新型要解决的技术问题是，提供一种多层压电装置，解决将沥青混凝土路面所受外力和振动转化为电能的问题，并且提高多层压电装置与沥青混凝土的相容性，减少对路面结构的损伤。

(二)技术方案

为了解决上述技术问题，本实用新型提供了一种多层压电装置，用于沥青混凝土路面内，包括多个层式压电转换器、金属模具和封装保护层，层式压电转换器为圆柱状，层式压电转换器包括压电元件、预应力螺栓、前金属盖板和后金属盖板，压电元件包括多组圆环形的压电陶瓷片和电极片，各组压电陶瓷片和电极片相互间隔的层叠构成，各压电陶瓷片之间并联连接；压电元件的两端分别设有前金属盖板、后金属盖板，预应力螺栓依次穿过后金属盖板、压电元件并固定于前金属盖板上；

各层式压电转换器均设置于金属模具中固定，层式压电转换器的前金属盖板露于金属模具的上表面外，各层式压电转换器之间并联连接；封装保护层充满金属模具与层式压电转换器之间的缝隙且覆盖金属模具的上表面。

优选的，前述金属模具的上表面开设有若干桶状空腔，每个桶状空腔的直径大于层式压电转换器的直径，层式压电转换器依次设置于桶状空腔中。

优选的，每组中的压电陶瓷片和电极片通过加有银粉的环氧导电银胶粘合连接。

优选的，前述压电陶瓷片的材质为锆钛酸铅。

优选的，前述电极片为横截面与所述压电陶瓷片相同尺寸的铜箔。

优选的，前述封装保护层在所述金属模具上表面的部分覆盖所述层式压电转换器的前金属盖板的上表面。

优选的，前述封装保护层的材质为环氧沥青。

优选的，前述预应力螺栓外设有绝缘套筒。

(三)有益效果

本实用新型的上述技术方案具有如下优点：

(1)本实用新型提供的一种适于埋置于沥青混凝土的多层压电装置，采用层式压电转换器，将层式压电转换器并联，并固定于一金属模具内，可以吸收部分沥青混凝土路面所受外力和振动的能量，并将该能量转化为电能，而且能使多层压电装置与沥青混凝土的相容性提高，同时减小对沥青混凝土结构的损伤。

(2)本实用新型中层式压电转换器的压电元件前后加装金属盖板，并插有带有绝缘套筒的螺栓，螺栓可以提供预应力，提高转换效率；前后盖板可以使得受力更加均匀，并且由于前后盖板和预应力螺栓的加紧作用使得环形陶瓷片在收到振动时一直处于一种压缩状态，可以有效的避免陶瓷片的爆裂问题，并且还可以增大装置的功率。

(3)本实用新型中层式压电转换器的压电元件中，通过改变压电陶瓷材料的高度、形状及前后金属盖板的形状,可以获得不同的工作频率，适应不同道路环境要求。

(4)本实用新型中压电陶瓷片和电极片采用环氧导电胶粘合，可以保证沥青摊铺时高温环境下元件与电极片之间的粘合及导电能力。

(5)本实用新型加装封装保护层，可以有效地保护压电材料、导线及连接点免受尖锐集料的伤害；封装保护层可以有效防止含铅压电陶瓷中铅元素流失到环境中对环境造成污染，另外还可提高压电装置耐酸碱腐蚀，抗水损破坏性能；本实用新型的封装保护层采用弹性的环氧沥青，对于力的传递有较小的减损。

附图说明

图1是本实用新型中层式压电转换器的结构示意图；

图2是本实用新型中金属模具的结构示意图；

图3是本实用新型中封装保护层的结构示意图。

图中：1：层式压电转换器；2：压电陶瓷片；3：电极片；4：前金属盖板；5：后金属盖板；6：预应力螺栓；7：金属模具；8：桶状空腔；9：封装保护层。

具体实施方式

为使本实用新型实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型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实用新型的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，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，都属于本实用新型保护的范围。

本实用新型实施例提供的一种多层压电装置，用于沥青混凝土路面内，包括多个层式压电转换器1、金属模具7和封装保护层9。

如图1所示，层式压电转换器1为圆柱状，层式压电转换器1包括压电元件、预应力螺栓6、前金属盖板4和后金属盖板5，压电元件由多组圆环形的压电陶瓷片2和电极片3层叠构成，各压电陶瓷片2之间并联连接；每组中的压电陶瓷片2和电极片3通过加有银粉的且耐高温的环氧导电银胶粘合连接，环氧导电胶可以保证高温下的粘结性能和导电性能；压电元件的两端分别设有前金属盖板4、后金属盖板5，目的为保证受力均匀，预应力螺栓6依次穿过后金属盖板5的中心、压电元件的中孔并固定于前金属盖板4的中心，可以有效防止压电陶瓷片2受力爆裂且能提高输出功率。

由于，压电陶瓷材料具有机械耦合系数高、机械品质因数高、居里温度高、工艺纯熟的优点，因此，本实施例的压电元件由锆钛酸铅材料作为压电陶瓷片2的材料和电极片3构成，电极片3为横截面与压电陶瓷片2相同尺寸的铜箔。

压电陶瓷片2的连接方式有串联和并联两种，本实施例中的连接方式为并联连接且采用层叠结构，具体原理如下：

设外接存储电容大小为C₁，压电陶瓷片2的内部等效电容为C_p则压电陶瓷片2产生的初始能量为设电量存储过程结束后电压为U₁，由电荷守恒定理知

Q＝C_pU_o＝(C_p+C₁)U₁    (I)

可推导出

$U_1=\frac{C_P{U}_o}{C_P+C_2}---\left(2\right)$

外接电容存储电能为

$E_1=\frac{1}{2}{C}_1{U_1}^2---\left(3\right)$

则能量转换效率

                               #

$\mathrm{\β}=\frac{E_1}{E_0}=\frac{C_P{C}_1}{{(C_1+C_P)}^2}---\left(2\right)$

经数学计算得到当C_P＝C₁时转换效率达到最大为25％,为更多的存储电能，一般外接电容较大，而压电陶瓷片2的等效电容很小，这使得转换效率很低，因此采用层叠结构来增加等效电容。压电陶瓷片2的层叠方式有两种,即并联和串联，如果两片压电陶瓷片2串联,两片压电陶瓷片2中间电极上正负电荷抵消,输出总电荷不变，串联电容量减半；如果两片压电陶瓷片2并联,两片压电陶瓷片2的负负电荷集中在中间的负电极上,正电荷在上下两正电极上,输出总电荷和电容量就会增加一倍，因此采用电学并联方式。

因此，本实施例的压电陶瓷片2的层叠方式为电学并联，即正正相连，负负相连。

各个层式压电转换器1均设置于金属模具7中固定，层式压电转换器1的前金属盖板4露于金属模具7的上表面外，各层式压电转换器1之间并联连接；封装保护层9，如图3所示，充满金属模具7与层式压电转换器1之间的缝隙且覆盖金属模具7的上表面。

金属模具7由其上表面至内部以阵列方式规则的分布若干桶状空腔8，每个桶状空腔8的直径略大于层式压电转换器1的直径，层式压电转换器1依次设置于桶状空腔8中，起到固定和保护作用。金属模具7上表面的封装保护层9的厚度为刚好盖住层式压电转换器1的前金属盖板4的顶部，封装保护层9的材质为环氧沥青，环氧沥青具有较好的弹性，行车荷载应力可以很好的传递至压电元件。

本实施例的制作方法如下：

一、层式压电转换器1的制作方法：

(一)选用外径20、内径6、厚度5mm的锆钛酸铅材料作为压电陶瓷片2的材料。

(二)选用与压电陶瓷片2相同尺寸的铝箔作为电极片3，电极片3带有正、负极导线，将环形压电陶瓷片2与带导线电极片3用环氧导电银胶粘合。

其中，环氧导电银胶A组分为以基体树脂和导电填料即银为主要组分；B组分为固化剂。

具体粘合步骤如下：

1、将A组分搅拌3-5min，使其为均匀粘稠体。

2、按比例A:B＝5:1(重量比)混合均匀。

3、将上述胶体涂在需要胶合的电极片3和压电陶瓷片2两个部件上，厚度0.1～0.2mm。

(三)使用夹具夹紧粘合后的电极片3和压电陶瓷片2，室温晾置5～10min。然后放置在90℃×2h或者110℃×1h的条件下完全固化。

(四)将压电陶瓷片2层叠，各压电陶瓷片2之间的电极正正相连、负负相连。

(五)在层叠并连接后的压电陶瓷片2的前后加装金属盖板，并且在中孔处插入螺栓并拧紧，成型后结构如图1所示。

二、多层压电装置的制作方法如下：

(一)将各个层式压电转换器1采用电学并联方式集中排列于金属模具7之内并固定，金属模具7如图2所示。

(二)对连接固定好的多层压电转换器1和金属模具7采用环氧沥青进行封装。

其中，环氧沥青包括：A组分为E44环氧树脂，B组分为用70#基质沥青、固化剂与反应促进剂，使用时，将A、B组分按比例混合剪切半小时，制成环氧沥青混合物。具体制作步骤如下：

1、将A、B组分分别烘烤10-20min使其全部达到流动状态，取出分别搅拌均匀；

2、将A、B组分按照1：3(质量比)混合后搅拌3-5min，然后浇筑到金属模具7中置放多层压电转换器1的周围空隙。

(三)将封装后的压电装置置于高温内3-6小时，直至完全固化。

使用时，直接将本实施例提供的多层压电装置埋于沥青混凝土路面之下，并将其与电力转换装置、存储装置等相连即可构成完整的道路压电发电系统。当沥青混凝土路面经受外力或者振动时，前金属盖板4受力并将所经受的力均匀的传递给压电元件，压电元件受到机械力的作用产生压电效应，将该能量转化为电能，并由电极片3和导线将转化后的电能导出。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本实用新型的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本实用新型进行了详细的说明，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实用新型各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (8)

1.一种多层压电装置，用于沥青混凝土路面内，其特征在于：包括多个层式压电转换器、金属模具和封装保护层，所述层式压电转换器为圆柱状，所述层式压电转换器包括压电元件、预应力螺栓、前金属盖板和后金属盖板，所述压电元件包括多组圆环形的压电陶瓷片和电极片，所述各组压电陶瓷片和电极片相互间隔的层叠构成，所述各压电陶瓷片之间并联连接；所述压电元件的两端分别设有所述前金属盖板、后金属盖板，所述预应力螺栓依次穿过后金属盖板、压电元件并固定于前金属盖板上；

所述各层式压电转换器均设置于所述金属模具中固定，所述层式压电转换器的前金属盖板露于金属模具的上表面外，所述各层式压电转换器之间并联连接；所述封装保护层充满所述金属模具与层式压电转换器之间的缝隙且覆盖所述金属模具的上表面。

2.根据权利要求1所述的多层压电装置，其特征在于：所述金属模具的上表面开设有若干桶状空腔，每个所述桶状空腔的直径大于层式压电转换器的直径，所述层式压电转换器依次设置于所述桶状空腔中。

3.根据权利要求1所述的多层压电装置，其特征在于：每组中的所述压电陶瓷片和电极片通过加有银粉的环氧导电银胶粘合连接。

4.根据权利要求1所述的多层压电装置，其特征在于：所述压电陶瓷片的材质为锆钛酸铅。

5.根据权利要求1所述的多层压电装置，其特征在于：所述电极片为横截面与所述压电陶瓷片相同尺寸的铜箔。

6.根据权利要求1所述的多层压电装置，其特征在于：所述封装保护层在所述金属模具上表面的部分覆盖所述层式压电转换器的前金属盖板的上表面。

7.根据权利要求1所述的多层压电装置，其特征在于：所述封装保护层的材质为环氧沥青。

8.根据权利要求1所述的多层压电装置，其特征在于：所述预应力螺栓外设有绝缘套筒。