CN204376757U - 一种用于路面的压电发电及储能装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开的一种用于路面的压电发电及储能装置，包括设置于路基上的缓冲层，缓冲层上设置有多个压电片，多个压电片之间通过导线混联后与储能装置相连，压电片上方设置有沥青层。本实用新型的一种用于路面的压电发电及储能装置解决了现有的微小机械能量产生容易、但收集存储并重新利用难的问题。其只需针对城市道路进行简单的改造，将压电装置铺设于路面内或直接用压电材料作为路面组成部分，通过车辆行走时路面振动来发电，并将该电能存储并在必要的时候利用，该发电过程不受地域限制，可以用于任何大流量的交通道路，其不但具有显著地社会意义和经济效益，同时还能达到节能环保的要求，这对于可再生的清洁能源具有巨大的研究和应用前景。

Description

一种用于路面的压电发电及储能装置

技术领域

本实用新型属于发电装置技术领域，具体涉及一种用于路面的压电发电及储能装置。

背景技术

从20世纪50年代以来，随着各种新材料、电子技术的发展，各种无线电传感器设备大量出现。由早期的火力发电、水力发电到风力发电、太阳能发电等，电能的来源也形式多样。近几年来，由于压电材料的广泛应用，电能的来源又多了一种渠道，即压电发电。

压电陶瓷在外力的作用下可以产生电荷这一现象被发现几十年了，但受压电材料发电能力的限制，将这部分电荷收集、储存起来用作驱动微功率电器的电源的研究一直很少。近年来，高集成化、低能耗电子器件和无线电射频技术(RF，Radio-frequency)的使用，为压电发电技术的应用提供了前提；另一方面，随着材料科学和制造技术的发展，高性能、高机电转换效率的压电材料不断出现，压电薄膜的厚度可减小到0.02mm，利用多压电薄膜并、串联的方法可获得所需要的电流、电压。

而目前城市及周边道路所使用的路政设施一般均是使用电网长距离供电，存在电力损耗大且投资巨大的问题。现阶段存在的发电模式都因其技术和应用的限制发展较为缓慢，如发电厂主要以消耗石油、煤、天然气的火力发电为主流，这些天然的资源存在污染问题且必将在一定时期内耗尽；水力发电只能用于江河地段；核发电复杂庞大且需要大量投资，存在核废料的处理问题；其他可再生能源如太阳能、风能、海洋能、地热能等，则在很大程度上受到各种自然条件的限制。

此外，随着居民汽车保有量的逐年增加，汽车的耗能及产生的污染也在增加，且汽车在行驶过程中产生的机械能都被浪费。在降低能耗和开发新能源的同时，对能量进行回收也是一种解决能源危机可行的方法。

压电发电的研究和应用虽然已经取得了很大的进展，但大部分还是处于实验室阶段。许多研究结果证明了从机械振动中提取电能已经是切实可行的，但是，压电换能元件与传统集成电路不易兼容，不易于批量生产，因此在加工工艺上仍需要有更大的突破。

实用新型内容

本实用新型的目的在于提供一种用于用于路面的压电发电及储能装置，解决了现有的微小机械能量产生容易、但收集存储并重新利用困难的问题。

本实用新型所采用的技术方案是：一种用于路面的压电发电及储能装置，包括设置于路基上的缓冲层，缓冲层上设置有多个压电片，多个压电片之间通过导线混联后与储能装置相连，压电片上方设置有沥青层。

本实用新型的特点还在于，

多个压电片与沥青层之间通过泡沫或橡胶材料的中间层分隔。

缓冲层具有与多个压电片位置一一对应对应的凸起，压电片覆盖于缓冲层上对应的凸起上。

缓冲层上的多个凸起为半球形。

压电片通过射钉固定。

本实用新型的一种用于路面的压电发电及储能装置解决了现有的微小机械能量产生容易、但收集存储并重新利用困难的问题。其只需要针对城市道路进行简单的改造，将压电装置铺设于路面内或直接用压电材料作为路面组成部分，通过车辆行走时路面振动来发电，并将该电能存储并在必要的时候加以利用，该发电过程不受地域限制，可以用于任何大流量的交通道路，其不但具有显著地社会意义和经济效益，同时还能达到节能环保的要求，这对于可再生的清洁能源具有巨大的研究和应用前景。

附图说明

图1是本实用新型的一种用于路面的压电发电及储能装置的结构示意图；

图2是图1中压电片的结构示意图；

图3是本实用新型的一种用于路面的压电发电及储能装置的电路结构示意图；

图4是本实用新型的一种用于路面的压电发电及储能装置的模拟实验结构示意图；

图5是图4的充电曲线图。

图中，1.压电片，2.缓冲层，3.射钉，4.中间层，5.路基，6.沥青层，7.压电片组。

具体实施方式

下面结合具体实施方式对本实用新型进行详细说明。

本实用新型提供的一种用于路面的压电发电及储能装置的结构如图1所示，在路基5上设置压电片组合部件，在其上端垫一层10毫米左右的泡沫或橡胶材料组成的中间层4，然后铺设沥青层6或路面漆，即构成了一套完整的压电发电装置。这样当车辆、行人等重物从路面上过去时，压电片1会受力变形，产生小量电荷，然后通过设计的电路把此能量收集起来形成满足一定负荷的新型能源。

压电片组合部件的安装如图2所示，在路基5上挖直径约20毫米深约15毫米的圆柱形坑，把具有一定弹性的橡胶块或弹簧构成的缓冲层2置于该坑里，上端露出半径约10毫米的半球形凸起，两者共同组成弹性体，缓冲层2的弹性系数一般在550～650N/mm，将压电片1以一定弧度或弓形的形式紧贴该凸起放置，压电片1的两端需要通过射钉3固定，压电片1上覆盖一层泡沫或橡胶构成的中间层4，避免铺设沥青时对这个压电组合部件的影响。缓冲层2可以为多个单独的圆柱形和半球形凸起组成的弹性体构成，也可以为多个圆柱形和半球形凸起组成的弹性体之间相连构成。当压电片1受到外力作用时，压电片1随弹性体发生变形，产生电能，当外力撤去后，压电片1在弹性体的作用下恢复原貌，这个过程重复进行就会不断产生电能。即当车辆等重物从路面上过去时，由于重载荷作用，压电片1和弹性体发生形变压电片1会将近平贴路面，弹性体由于形变，将会龟缩到与路面的间隙中。压电片1用射钉3固定在路基5上，由于路面上嵌有一定高度的缓冲层2，所以压电片1有一定的形变量，从而产生电能。把相邻两片压电片用导线串联，再用导线将其并联，形成混联电路，这些导线与压电片均埋设在地面下，之后引出与外部储存电路相连接。

对压电片1的要求是，长度大于60mm，宽度大于40mm，厚度不大于1.2mm，表面涂覆金属导电层，所用材料的压电常数d33值在300pC/N以上，介电常数ε约2000左右，介电损耗tanδ为0.02以下。由于压电片1的高内阻的特点，并且产生的电流特别小，不同链接方式对功率的输出影响较大。要想获得高的电压输出和能量收集串联两片最为适合。但是串联会使相邻的压电片产生逆压电效应造成能量的损失，而压电片并联后则不会产生这种能量损失，而且并联后电源内阻降低，有利于电能的输出。结合实际路况的情况，本实用新型使用混联电路，即两块压电片串联，相邻的再两两并联。

混联连接6片为一组，因为通过实验发现随着并联片数的增加后输出电压几乎没有变化，电流成倍数增长，电源内阻随着片数的增加逐渐减少，而随着串联片数的增加电压确实在增加，但增幅却是逐渐降低，电流逐渐下降，电源内阻不断升高，使用6片压电片得到的电流与电压都较稳定易于收集，而且这样既能提高电压也能提高电流，并且是相同数量压电片连接方式中输出功率最大的，在很大程度上减少了电能的损失。

每组之间再按照这样连接(连接组的多少取决于所要求的电压和电流)后接入储能电路，压电片的多少根据所铺设的面积大小进行计算。在城市道路上来往车辆以小轿车为主，车辆行驶速度一般规定为60Km/h，由此可计算出来往车辆经过每一组压电材料时的理论加载频率为10Hz左右。考虑到路面上的沥青混凝土层与压电装置中的缓冲层2，当车辆经过路面时，大量的冲击载荷被缓冲层2与路面吸收，而加载在每块压电片上使其产生形变的载荷不超过10N，在这样的条件下测得每一组的输出电压为27.9V，输出电流为2.2mA。要得到220V输出电压必须串联16组，此时的输出电流为0.6mA，所需的输出电流通过并联一定的组来得到，并联组的多少根据所需输出电流的大小进行计算。

能量的收集采用如图3所示的电池储存能量(锂电池储存)电路图，输入端为多个压电片1混联组成的压电片组7，它是由一个整流桥和一个超级电容组成，电池可以调节充电频率，电容起到稳压作用，电容的大小根据所产生的电流大小进行选择。由于电池在储电时必须达到一定的电流和电压，由于压电片产生电流很小，而且交流电整流后的有效电压电流都会在最大值基础上降低1.414倍，因此至少需要累计铺设0.25平方米(16组)的压电片1(两组串联，八组并联)，其共同组成压电片组7，输出电压为43.8V，输出电流为14.6mA，超级电容器充电完成后放电，然后将能量储存于电池中。

为了进一步验证本实用新型的一种用于路面的压电发电及储能装置的发电情况，本实用新型还采用模板模拟实际路况进行验证。其结构如图4所示，模拟实验中先在厚木板上钻一个直径为15mm深10mm的孔，在里面放上一个高为15mm且底直径略小于15mm的弹性体，设计的钻孔较弹性体大，是因为这样弹性体发生的形变时有适当的伸展空间，并且木板的圆柱槽限制的弹性体发生较大的变形，所以也就解决了应为重载荷使弹性体失效的问题。

按照图2安装压电片1，将压电片1用射钉3固定在厚木板上并且紧贴弹性体，再用木板代替沥青层。当压电片1受到外力作用时，压电片1随弹性体发生变形，产生电能，当外力撤去后，压电片1在弹性体的作用下恢复原貌，这个过程重复进行就会不断产生电能。

将压电发电装置(压电片为6片)与储存电路连接，在疲劳试验机上进行正弦激励测试(f＝10Hz，作用力峰值F＝20N)，选用4.4F、5.5V的超级电容，记录超级电容两端电压随时间的变化关系如图5所示。由图5可知用并联压电片可实现为4.4F的超级电容充电，约经过1.4h即可将4.4F超级电容充满。将图5的电池两端接在示波器上电压输入端，在10Hz频率的正弦作用力，其峰值为20N的载荷作用下，得到电池两端的电压随时间的变化波形图，通过计算得本实验装置在上述振动条件下其发电功率为0.0612W，电容储电功率为0.0264W，发电效率为14.42％，电容储电效率6.21％。

Claims (5)

1.一种用于路面的压电发电及储能装置，其特征在于，包括设置于路基(5)上的缓冲层(2)，所述缓冲层(2)上设置有多个压电片(1)，所述多个压电片(1)之间通过导线混联后与储能装置相连，所述压电片(1)上方设置有沥青层(6)。

2.如权利要求1所述的一种用于路面的压电发电及储能装置，其特征在于，所述多个压电片(1)与沥青层(6)之间通过泡沫或橡胶材料的中间层(4)分隔。

3.如权利要求1所述的一种用于路面的压电发电及储能装置，其特征在于，所述缓冲层(2)具有与多个压电片(1)位置一一对应对应的凸起，所述压电片(1)覆盖于缓冲层(2)上对应的凸起上。

4.如权利要求3所述的一种用于路面的压电发电及储能装置，其特征在于，所述缓冲层(2)上的多个凸起为半球形。

5.如权利要求1-3任一项所述的一种用于路面的压电发电及储能装置，其特征在于，所述压电片(1)通过射钉(3)固定。