CN204652264U - 路面换能设备 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种路面换能设备，用于将路面振动的机械能转换为电能，包括：第一面板(1)；第二面板(5)；中间保护层(4)，其设置于所述第一面板(1)与所述第二面板(5)之间，并且开设有多个第一孔洞(43)；压电转换组件，其包括至少一个压电转换单元(3)，并且各所述压电转换单元(3)容置于所述中间保护层(4)的一个所述第一孔洞(43)内；以及导电组件(2)，其连接各所述压电转换单元(3)以及外部的电能收集设备，用于将各所述压电转换单元(3)输出的电能传输至所述电能收集设备。能够组装为盒式结构，方便嵌入路面，将路面振动的机械能转换为电能，具有加工方便、结构简单、组装快捷等优点，便于施工操作。

Description

路面换能设备

技术领域

本实用新型涉及交通、能源和机械装置领域，尤其是一种将车辆荷载所产生的机械能收集置换为电能的路面换能设备。

背景技术

在车辆行驶在路面的过程中，无论是在沥青混凝土路面还是在水泥路面，路面内部都会产生纵横向的振动。这种路面振动的机械能可以转换为电能，并且可能的换能方式包括压电式、静电式、电磁式等。

其中，压电式的换能方式具有俘能效率高、能量密度大等优点，在国内外已有部分研究。例如，以色列研制出了可用于路面、轨道和跑道的基于压电效应的能量收集系统，但该技术的具体细节并未公开，实施和推广困难。

虽然，国内在压电材料和压电换能方面研究较多，但是关于将路面振动的机械能转换为电能并进行收集方面的研究不系统，各种路面换能设备存在施工复杂、刚度低、防水防腐性差等缺点。

实用新型内容

技术问题

有鉴于此，本实用新型要解决的技术问题是，提供一种便于施工操作的路面换能设备。

解决方案

为了解决上述技术问题，根据本实用新型的一实施例，提供了一种路面换能设备，用于将路面振动的机械能转换为电能，包括：第一面板；第二面板；中间保护层，其设置于所述第一面板与所述第二面板之间，并且开设有多个第一孔洞；压电转换组件，其包括至少一个压电转换单元，并且各所述压电转换单元容置于所述中间保护层的一个所述第一孔洞内；以及导电组件，其连接各所述压电转换单元以及外部的电能收集设备，用于将各所述压电转换单元输出的电能传输至所述电能收集设备。

对于上述路面换能设备，在一种可能的实现方式中，所述第一面板和所述第二面板各自靠近所述中间保护层的一侧均为边缘部较低、而中间部较高的第一台阶结构；所述中间保护层分别靠近所述第一面板和所述第二面板的两侧均为边缘部较高、而中间部较低的第二台阶结构，其中，所述第一台阶结构与所述第二台阶结构能够相互配合，并且所述多个第一孔洞开设于所述第二台阶结构的中间部。

对于上述路面换能设备，在一种可能的实现方式中，所述导电组件包括：第一电极，其与各所述压电转换单元的靠近所述第一面板的一端侧连接；第二电极，其与各所述压电转换单元的靠近所述第二面板的另一端侧连接；以及导线，用于将所述第一电极和所述第二电极分别连接至所述电能收集设备。

对于上述路面换能设备，在一种可能的实现方式中，在所述第一面板的靠近所述中间保护层的一侧设置有用于容纳所述第一电极的凹槽，在所述第二面板的靠近所述中间保护层的一侧设置有用于容纳所述第二电极的凹槽。

对于上述路面换能设备，在一种可能的实现方式中，所述第一孔洞呈阵列式分布于所述中间保护层的与所述凹槽对应的部分内。

对于上述路面换能设备，在一种可能的实现方式中，所述路面换能设备的内部缝隙填充有灌封胶。

对于上述路面换能设备，在一种可能的实现方式中，在所述第一面板和所述第二面板各自与所述中间保护层接触的面上贴有防水胶带。

对于上述路面换能设备，在一种可能的实现方式中，所述第一面板、所述中间保护层和所述第二面板经由安装组件依次串接。

对于上述路面换能设备，在一种可能的实现方式中，所述第一面板、所述中间保护层和所述第二面板的对应位置分别设置有用于容纳所述安装组件的贯通孔。

对于上述路面换能设备，在一种可能的实现方式中，所述第一面板与所述第二面板具有相互一致的结构。

有益效果

本实用新型的路面换能设备能够将第一面板、第二面板、中间保护层、压电转换组件、导电组件组装为盒式结构，能够方便的嵌入路面，将路面振动的机械能转换为电能，具有加工方便、结构简单、组装快捷等优点，便于施工操作。

进一步地，第一面板和第二面板结构一致加工方便，适合批量加工。

进一步地，各压电转换单元呈阵列式排布，能够提高能量收集效率，并且可以依据道路荷载情况，增加或减少单元数量，使其处于最有利的工作状态。

进一步地，采用安装组件紧固，整体性好，通过灌封胶和防水胶带等可以更好的做防水防尘处理，保护电极材料不受腐蚀。

根据下面参考附图对示例性实施例的详细说明，本实用新型的其它特征及方面将变得清楚。

附图说明

包含在说明书中并且构成说明书的一部分的附图与说明书一起示出了本实用新型的示例性实施例、特征和方面，并且用于解释本实用新型的原理。

图1为本实用新型一实施例的路面换能设备的立体结构示意图；

图2为本实用新型另一实施例的路面换能设备的侧视结构示意图；

图3至图5为本实用新型另一实施例的路面换能设备的上顶板、下底板以及中间保护层的结构示意图；

图6为本实用新型另一实施例的路面换能设备的组装结构示意图；

图7为本实用新型另一实施例的路面换能设备的组装结构剖面示意图；

图8为本实用新型另一实施例的路面换能设备的压电转换单元的结构示意图。

附图标记说明

1： 第一面板          11,51： 第一台阶结构  13,53： 凹槽

2： 导电组件          21： 第一电极         22： 第二电极

3： 压电转换单元      4： 中间保护层        41： 第二台阶结构

43： 第一孔洞         47： 导线出口         5： 第二面板

15,45,55： 贯通孔

具体实施方式

以下将参考附图详细说明本实用新型的各种示例性实施例、特征和方面。附图中相同的附图标记表示功能相同或相似的元件。尽管在附图中示出了实施例的各种方面，但是除非特别指出，不必按比例绘制附图。

在这里专用的词“示例性”意为“用作例子、实施例或说明性”。这里作为“示例性”所说明的任何实施例不必解释为优于或好于其它实施例。

另外，为了更好的说明本实用新型，在下文的具体实施方式中给出了众多的具体细节。本领域技术人员应当理解，没有某些具体细节，本实用新型同样可以实施。在一些实例中，对于本领域技术人员熟知的方法、手段、元件和电路未作详细描述，以便于凸显本实用新型的主旨。

实施例1

图1为本实用新型一实施例的路面换能设备的立体结构示意图。如图1所示，该路面换能设备用于将路面振动的机械能转换为电能，该设备主要可以包括：封装组件、压电转换组件和导电组件2。

其中，封装组件可以采用PA+二硫化钼尼龙材料，该材料具有强度高、防水、耐磨、耐腐蚀、耐冲击、几何稳定性好、适合机床加工等优点，并且其较高的刚度能很好的将外部荷载传递到压电转换组件。PA+二硫化钼尼龙板仅是一种示例，也可以采用其他具有强度高、耐腐蚀等性能的材料。

具体而言，封装组件可以包括第一面板1、中间保护层4和第二面板5。所述中间保护层4设置于所述第一面板1与所述第二面板5之间，并且开设有多个第一孔洞43。所述第一面板1、所述中间保护层4和所述第二面板5能够封装为一体结构。优选地，所述第一面板1与所述第二面板5可以具有相互一致的结构。

此外，如果将路面换能设备嵌入路面铺装，根据路面换能设备的放置位置的不同，在第一面板1在第二面板5之上的情况下，也可以将第一面板1称为上顶板，将第二面板5称为下底板，二者的名称与位置均可以相互替换。并且由于采用机床加工后的PA+二硫化钼尼龙板的各表面光滑度很高，方便生产，易于装配。

路面换能设备的压电转换组件包括至少一个压电转换单元3，并且各所述压电转换单元3容置于所述中间保护层4的一个所述第一孔洞43内。其中压电转换单元3能够将路面振动的机械能转换为电能。例如，如图5所示，中间保护层4预留了9个孔，用于放置压电陶瓷片、即压电转换单元3。

路面换能设备的导电组件2连接各所述压电转换单元3以及外部的电能收集设备，用于将各所述压电转换单元3输出的电能传输至所述电能收集设备。

本实用新型的路面换能设备能够将第一面板1、第二面板5、中间保护层4、压电转换组件、导电组件2组装为盒式结构，从而方便的嵌入例如水泥路面、沥青混凝土路面等路面，通过设备的面板直接承受汽车轮胎载荷，例如：在路面上开槽，槽深与该设备高度一样，直接将该设备安装在路面开设的槽中，从而获取路面振动的机械能转换为电能，因此，该设备具有加工方便、结构简单、组装快捷等优点，便于施工操作。具体而言，为了保证施工方便，该设备的整体封装结构可以采用预制、组装，搬运至现场直接铺装，从而使得施工更便捷。

实施例2

图2为本实用新型一实施例的路面换能设备的侧视结构示意图。在上述实施例的基础上，图2中标号与图1相同的组件具有相同的功能，为简明起见，省略对这些组件的详细说明。

如图2所示，与上述实施例的主要区别在于，所述第一面板1和所述第二面板5各自靠近所述中间保护层4的一侧均为边缘部较低、而中间部较高的第一台阶结构11、51，相应的，如图1所示，中间保护层4分别靠近所述第一面板1和所述第二面板5的两侧均为边缘部较高、而中间部较低的第二台阶结构41，其中，所述第一台阶结构11、51与所述第二台阶结构41能够相互配合，并且所述多个第一孔洞43开设于所述第二台阶结构41的中间部。这样，在将第一面板1、中间保护层4和第二面板5依次串接例如层叠组装时，可以防止发生水平位错，更容易组装。

在一种可能的实施方式中，所述第一孔洞43呈阵列式分布于所述中间保护层4的与所述凹槽13、53对应的部分内。如图5所示，可以将多个例如9组压电转换单元3容置于中间保护层4中预留的第一孔洞43中，等间距3行3列分布。压电转换单元3的数量与分布仅是一种示例，具体可以根据检测精度和路面情况灵活的选择压电转换单元3的数量与分布。

在一种可能的实施方式中，如图3至图7所示，所述第一面板1、所述中间保护层4和所述第二面板5经由安装组件依次串接。具体而言，所述第一面板1、所述中间保护层4和所述第二面板5的对应位置分别设置有用于容纳所述安装组件的贯通孔15、45、55例如螺栓孔，用安装组件例如螺栓穿过螺栓孔并通过螺母分别在第一面板1和第二面板5紧固，施加预应力，保证压电元件工作在最佳状态，防止冲击力破坏压电材料。并且能够将第一面板1、中间保护层4、第二面板5固定为一体结构。然后，在路面换能设备的各部分之间的空隙用防水胶带或灌封胶填充，更有效的防水防尘。例如，在路面换能设备的内部缝隙可以填充灌封胶，在所述第一面板1和所述第二面板5各自与所述中间保护层4接触的面上可以贴防水胶带。

具体而言，中间保护层4的加工过程可以为：将一块厚PA+二硫化钼尼龙板用机床加工出与上顶板的第一台阶结构11和下底板的第一台阶结构51相匹配的第二台阶结构41，根据需要预留出用于容置各压电转换单元3的多个第一孔洞43以及用于整体组装的贯通孔，并且可以根据需要加工出内部导线槽和放置电路板的空槽，以及将导线从中间保护层4导出的导线出口47。由于中间保护层4结构整体性好，稳定性高，能够对压电转换单元3保护到位，使其工作在稳定安全的状态。

举例而言，压电转换单元3的材料可以选用高压电系数材料例如，PZT-5H压电陶瓷片，其具有很高的压电系数和机电耦合系数，每个压电转换单元3由N片压电陶瓷堆叠而成，根据其极化方向，用导电树脂和铜箔串联连接，使得每组压电转换单元3中的压电陶瓷的应力状态一样。将n×m个压电转换单元3组成阵列式，放入中间保护结构中预留的孔洞，具有便于替换的特点，根据外部应力大小选择放置的组数以调节压电转换单元3所处的应力大小，保证其工作在最佳的工作状态。例如，如图8所示，将3片PZT-5H压电陶瓷片堆叠成矮柱状，每两个压电陶瓷片之间可以夹有铜箔，再用导电环氧树脂粘结，形成一个压电转换单元3。每个压电转换单元3的外部可以用防水胶带缠绕，能够起到防水防腐以及防磕碰等作用。

在一种可能的实施方式中，如图2所示，所述导电组件2包括第一电极21，其与各所述压电转换单元3的靠近所述第一面板1的一端侧连接；第二电极22，其与各所述压电转换单元3的靠近所述第二面板5的另一端侧连接；以及导线，用于将所述第一电极21和所述第二电极22分别连接至所述电能收集设备。

在一种可能的实施方式中，在所述第一面板1的靠近所述中间保护层4的一侧设置有用于容纳所述第一电极21的凹槽13，在所述第二面板5的靠近所述中间保护层4的一侧设置有用于容纳所述第二电极22的凹槽53。

举例而言，如图1、图2、图4和图7所示，各压电转换单元3之间可以由电极例如：铜电极板、铜条电极等连接，彼此之间为电学并联的关系。在所述上顶板和下底板上各预留3条凹槽13、53，将电极21、22放置于上顶板和下底板预留的凹槽中，用瞬干胶等粘结剂粘结固定。其中，电极21、22的材料可以采用厚黄铜板等导电性能较好的材料，电极21、22除了导电外，还可以将外部应力均匀传递到各压电转换单元上，使得各压电转换单元的工作应力状态接近。

本实用新型的路面换能设备应用场景如下：

首先，路面换能设备可以用于水泥路面能量的收集，在水泥路面上开槽，槽深与设备高度一样，由于封装组件的整体弹性模量大，接近水泥路面弹性模量，上顶板与水泥路面齐平以直接承受汽车的轮载，水泥路面与设备之间用填缝剂填充，来保持路面整体完整性。当汽车从该设备上方通过时，上顶板将应力传递于各压电转换单元3，各压电转换单元3可以将外部做功(机械能)转变为电能，通过能量采集电路收集储存，可用于道路指示牌供电，也可以为传感器供电实现自供电传感。其中，压电转换单元3的压电陶瓷片可以承受大约例如60-100MPa的正向应力，汽车载荷作用刚在上顶板上，通过上顶板作用于压电材料上，路面汽车载荷为例如0.7MPa，整个上顶板收集压力传递到压电材料上，使得压电材料工作应力大于0.7MPa，但远小于材料本身的破坏强度。

其次，本实用新型的路面换能设备也可以应用在沥青混凝土路面，在沥青混凝土路面上开槽，优选为槽深稍大于设备高度，上顶板的位置可以适当低于沥青混凝土路面。

进一步地，由于本实用新型的路面换能设备采用了便于组装的盒式结构，结构简单，加工方便，适合批量加工，具有可提前预制、材料寿命长、工作稳定、可回收等特点。此外，整个结构还可以成上下左右对称，从而可以预知各个组件的位置关系，更便于现场组装和替换，现场放置操作简单，支持嵌入式铺装，施工方便，可回收，容易维护和替换。此外，该设备的各个部件均可量产，单个部件损坏，可单独替换，有利于降低损耗成本。

进一步地，各压电转换单元呈阵列式排布，能够提高能量收集效率，并且可以依据道路荷载情况，增加或减少单元数量，使其处于最有利的工作状态。此外，采用螺栓等安装组件紧固，整体性好，通过灌封胶和防水胶带等可以更好的做防水防尘处理，保护电极材料不受腐蚀。

需要说明的是，本实用新型的路面换能设备所附图结构比例大小仅用于配合说明书展示内容，而不是对实际产品的尺寸的限制。

以上所述，仅为本实用新型的具体实施方式，但本实用新型的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本实用新型揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本实用新型的保护范围之内。因此，本实用新型的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。

Claims (10)

1.一种路面换能设备，用于将路面振动的机械能转换为电能，其特征在于，包括：

第一面板(1)；

第二面板(5)；

中间保护层(4)，其设置于所述第一面板(1)与所述第二面板(5)之间，并且开设有多个第一孔洞(43)；

压电转换组件，其包括至少一个压电转换单元(3)，并且各所述压电转换单元(3)容置于所述中间保护层(4)的一个所述第一孔洞(43)内；以及

导电组件(2)，其连接各所述压电转换单元(3)以及外部的电能收集设备，用于将各所述压电转换单元(3)输出的电能传输至所述电能收集设备。

2.根据权利要求1所述的路面换能设备，其特征在于，

所述第一面板(1)和所述第二面板(5)各自靠近所述中间保护层(4)的一侧均为边缘部较低、而中间部较高的第一台阶结构(11,51)；

所述中间保护层(4)分别靠近所述第一面板(1)和所述第二面板(5)的两侧均为边缘部较高、而中间部较低的第二台阶结构(41)，

其中，所述第一台阶结构(11,51)与所述第二台阶结构(41)能够相互配合，并且所述多个第一孔洞(43)开设于所述第二台阶结构(41)的中间部。

3.根据权利要求1所述的路面换能设备，其特征在于，所述导电组件(2)包括：

第一电极(21)，其与各所述压电转换单元(3)的靠近所述第一面板(1)的一端侧连接；

第二电极(22)，其与各所述压电转换单元(3)的靠近所述第二面板(5)的另一端侧连接；以及

导线，用于将所述第一电极(21)和所述第二电极(22)分别连接至所述电能收集设备。

4.根据权利要求3所述的路面换能设备，其特征在于，

在所述第一面板(1)的靠近所述中间保护层(4)的一侧设置有用于容纳所述第一电极(21)的凹槽(13)，

在所述第二面板(5)的靠近所述中间保护层(4)的一侧设置有用于容纳所述第二电极(22)的凹槽(53)。

5.根据权利要求4所述的路面换能设备，其特征在于，所述第一孔洞(43)呈阵列式分布于所述中间保护层(4)的与所述凹槽(13,53)对应的部分内。

6.根据权利要求1至5中任一项所述的路面换能设备，其特征在于，所述路面换能设备的内部缝隙填充有灌封胶。

7.根据权利要求1至5中任一项所述的路面换能设备，其特征在于，在所述第一面板(1)和所述第二面板(5)各自与所述中间保护层(4)接触的面上贴有防水胶带。

8.根据权利要求1至5中任一项所述的路面换能设备，其特征在于，所述第一面板(1)、所述中间保护层(4)和所述第二面板(5)经由安装组件依次串接。

9.根据权利要求8所述的路面换能设备，其特征在于，所述第一面板(1)、所述中间保护层(4)和所述第二面板(5)的对应位置分别设置有用于容纳所述安装组件的贯通孔(15,45,55)。

10.根据权利要求1至5中任一项所述的路面换能设备，其特征在于，所述第一面板(1)与所述第二面板(5)具有相互一致的结构。