CN208874484U - 一种基于压电陶瓷的压电效应进行道路发电的系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种基于压电陶瓷的压电效应进行道路发电的系统，至少包括用于产生且可以向外输出电能的压电发电装置；该压电发电装置包括道路上面层、道路中面层和处于两者之间的压电复合层，所述压电复合层包括压电层；所述压电层由SBS改性沥青层和嵌装于SBS改性沥青层中且间隔设置的若干个压电陶瓷片组成，所述压电层上或下设置有导线并与压电陶瓷片的正极连接作为正极输出，所述压电层上或上铺设导电金属粉作为压电陶瓷片的负极输出。本系统可以将机械能转化为电能，具有电压可控、结构微小等优点，在压力道路发电系统具有广阔的前景。

Description

一种基于压电陶瓷的压电效应进行道路发电的系统

技术领域

本发明属于道路交通技术和绿色能源的交叉技术领域，具体涉及一种利用压电效应来进行道路发电的基于压电陶瓷的压电效应进行道路发电的系统。

背景技术

随着人类社会的进步，经济的快速发展，三大不可再生能源不断枯竭，人们对能源的需求越来越迫切，研究新的产能方式便成为当代社会面临的主要问题。目前根据转换原理的不同，对环境中的转动能量进行采集的方式主要有电磁式、静电式和压电式。电磁感应技术虽已成熟但其所需设备庞大，结构复杂；而由静电原理转换出所需的电压时需要一个独立的电源初始化过程；所以利用振动产生将机械能转化为电能的压电式发电成为了新型发电方式的研究热点。压电发电技术主要是运用压电材料的耦合性，将引起振动的机械能直接转化为电能，而压电装置检测到外力的变化，可以激发出电荷，将这些电荷进一步处理并储存在蓄电设备中作为外部供电设备，具有成本低、无电磁干扰、电压易控等优点。

然而我国真正能利用的压电技术的应用并不多，主要运用在道路中作为感知系统测出交通流和流速。所以深层次的探究和研发出适合道路发电的装置和电路铺设方式，可以有效地利用压电效应进行发电。

发明内容

针对上述现有技术的缺陷，本实用新型提供一种基于压电陶瓷的压电效应进行道路发电的系统，改变上述现有技术的状况，环保、无电磁干扰、易于实现结构的微小化和集成化。

为实现上述目的，本实用新型所采取的技术方案是：

一种基于压电陶瓷的压电效应进行道路发电的系统，至少包括用于产生且可以向外输出电能的压电发电装置；该压电发电装置包括道路上面层、道路中面层和处于两者之间的压电复合层，所述压电复合层包括压电层；所述压电层由SBS改性沥青层和嵌装于SBS改性沥青层中且间隔设置的若干个压电陶瓷片组成，所述压电层上或下设置有导线并与压电陶瓷片的正极连接作为正极输出，所述压电层上或上铺设导电金属粉作为压电陶瓷片的负极输出。

作为对上述技术方案的改进，所述压电陶瓷片为PZT但不仅限于PZT。

作为对上述技术方案的改进，所述道路上面层采用沥青混凝土SMA系列的沥青混凝土层，道路中面层采用沥青混凝土AC系列的沥青混凝土层。

作为对上述技术方案的改进，所述道路上面层厚度为3~5cm，道路中面层厚度为4~6cm，压电复合层厚度为0.6~1.2cm。

作为对上述技术方案的改进，所述道路中面层下还设置有道路下面层、道路基层、道路垫层、路基，所述道路下面层为沥青混凝土AC系列的沥青混凝土层，厚度为5~7cm。

作为对上述技术方案的改进，所述基于压电陶瓷的压电效应进行道路发电的系统还包括外电路储电装置，该外电路储电装置设置于道路的一侧所开设的腔体内，包括依次相连接的整流电路、超级电容电路、稳压充电电路，所述整流电路与压电发电装置相连接，所述整流电路外连超级电容电路并通过超级电容电路外连稳定电路后输出。

作为对上述技术方案的改进，所述整流电路包括一个桥式整流电路和第一电容，所述桥式整流电路的输入端连接在压电发电装置的正负极之间，所述第一电容连接在桥式整流电路的输出端，所述桥式整流电路包括组成两个桥臂的四个二极管D1、D2、D3和D4，所述D1阴极和D2阳极相连后接交流电源一端，所述D3阴极和D4阳极相连后接交流电源另一端。

作为对上述技术方案的改进，所述超级电容电路包括六个电容C1、C2、C3、C4、C5和C6，一个电感L1，三个二极管D5、D6、D7和一个稳压管D8，所述C1、C2、L3依次并联后一端分别与D2和D4的阴极相连，另一端分别与D1和D3的阳极相连，所述L1一端分别与C3一端和D5阳极相连，所述C3另一端分别与D6阴极和D7阳极相连，所述D5阴极分别与D6阳极和C4一端相连，所述D7阴极分别与C5、C6一端和D8阴极相连，所述C4另一端与L2另一端相连后接地，所述C5、C6另一端和D8阳极分别接地。

作为对上述技术方案的改进，所述稳压充电电路包括两个电容C7和C8、两个二极管D9和D11、晶闸管S1、稳压管D10、电感L2、芯片LM2575和输出直流电源，所述C7一端分别与S1阴极和芯片LM2575第一端子相连，所述S1阳极与D8阴极相连，所述S1门极与D9阳极相连，所述D9阴极与S1阳极相连，所述芯片LM2575第二端子和第三端子分别接地，所述芯片LM2575第四端子与L2一端相连，所述L2另一端分别与芯片LM2575第五端子、D10阴极、D11阳极和C8一端相连，所述D11阴极与输出直流电源正极相连，所述D10阳极、C7和C8另一端、输出直流电源负极分别接地。

本实用新型的基于压电陶瓷的压电效应进行道路发电的系统，1)选用压电陶瓷片作为压电发电材料，进行机械能势能与电能之间的转化；2) 道路上面层采用细粒式沥青混凝土SMA系列、道路中面层采用中粒式沥青混凝土AC系列、道路下面层采用中粒式沥青混凝土AC系列进行铺设；3) 在道路上面层与道路中面层之间铺设压电复合层，压电层复合层采用SBS改性沥青砂浆混合料。道路基层和道路垫层分别采用水稳碎石和沙砾铺设；4) 压电陶瓷发出的电能通过整流和稳压后输出稳定直流电，进入储能装置或者直接对道路两边的路灯进行供电，也可通过逆变电路转化为交流电，并入电网。

与现有技术相比，本实用新型所取得的有益效果是：

本实用新型的基于压电陶瓷的压电效应进行道路发电的系统，通过将来往车辆、行人的机械能转化为电能，输出电流首先通过整流电路转化为直流电，给超级电容充电，超级电容两端电压达到一定值，开启可控硅开关，电流进入升压电路，输出的电流经过储能的收集后可直接为部分交通用电设备供电。本系统微小化和集成化，环保、无电磁干扰、易于实现。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本实用新型的整体结构示意图；

图2为压电发电实验装置的结构示意图；

图3为外电路储电装置的电路结构示意图。

具体实施方式

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，所描述的实施例仅仅是本实用新型一部分实施例，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前提下所获得的所有其他实施例，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。

实施例一

如图1、2、3所示，本实用新型的基于压电陶瓷的压电效应进行道路发电的系统，至少包括用于产生且可以向外输出电能的压电发电装置；该压电发电装置包括道路上面层1、道路中面层3和处于两者之间的压电复合层2，所述压电复合层2包括压电层；所述压电层由SBS改性沥青层和嵌装于SBS改性沥青层中且间隔设置的若干个压电陶瓷片组成，所述压电层上或下设置有导线并与压电陶瓷片的正极连接作为正极输出，所述压电层上或上铺设导电金属粉作为压电陶瓷片的负极输出。所述压电陶瓷片为PZT但不仅限于PZT。

所述道路上面层1采用沥青混凝土SMA系列的沥青混凝土层，例如沥青混凝土SMA-13，道路中面层3采用沥青混凝土AC系列的沥青混凝土层，例如沥青混凝土AC-16。所述道路上面层1厚度为3~5cm，道路中面层3厚度为4~6cm，压电复合层2厚度为0.6~1.2cm。

所述道路中面层3下还设置有道路下面层4、道路基层5、道路垫层6、路基7，所述道路下面层4为沥青混凝土AC系列的沥青混凝土层，例如沥青混凝土AC-20，厚度为5~7cm。

所述基于压电陶瓷的压电效应进行道路发电的系统还包括外电路储电装置，该外电路储电装置设置于道路的一侧所开设的腔体内，包括依次相连接的整流电路、超级电容电路、稳压充电电路，所述整流电路与压电发电装置相连接，所述整流电路外连超级电容电路并通过超级电容电路外连稳定电路后输出。

所述整流电路包括一个桥式整流电路和第一电容，所述桥式整流电路的输入端连接在压电发电装置的正负极之间，所述第一电容连接在桥式整流电路的输出端，所述桥式整流电路包括组成两个桥臂的四个二极管D1、D2、D3和D4，所述D1阴极和D2阳极相连后接交流电源一端，所述D3阴极和D4阳极相连后接交流电源另一端。

所述超级电容电路包括六个电容C1、C2、C3、C4、C5和C6，一个电感L1，三个二极管D5、D6、D7和一个稳压管D8，所述C1、C2、L3依次并联后一端分别与D2和D4的阴极相连，另一端分别与D1和D3的阳极相连，所述L1一端分别与C3一端和D5阳极相连，所述C3另一端分别与D6阴极和D7阳极相连，所述D5阴极分别与D6阳极和C4一端相连，所述D7阴极分别与C5、C6一端和D8阴极相连，所述C4另一端与L2另一端相连后接地，所述C5、C6另一端和D8阳极分别接地。所述稳压充电电路包括两个电容C7和C8、两个二极管D9和D11、晶闸管S1、稳压管D10、电感L2、芯片LM2575和输出直流电源，所述C7一端分别与S1阴极和芯片LM2575第一端子相连，所述S1阳极与D8阴极相连，所述S1门极与D9阳极相连，所述D9阴极与S1阳极相连，所述芯片LM2575第二端子和第三端子分别接地，所述芯片LM2575第四端子与L2一端相连，所述L2另一端分别与芯片LM2575第五端子、D10阴极、D11阳极和C8一端相连，所述D11阴极与输出直流电源正极相连，所述D10阳极、C7和C8另一端、输出直流电源负极分别接地。

本实用新型的基于压电陶瓷的压电效应进行道路发电的系统，1)选用压电陶瓷片作为压电发电材料，进行机械能势能与电能之间的转化；2) 道路上面层采用细粒式沥青混凝土SMA系列、道路中面层采用中粒式沥青混凝土AC系列、道路下面层采用中粒式沥青混凝土AC系列进行铺设；3) 在道路上面层与道路中面层之间铺设压电复合层，压电层复合层采用SBS改性沥青砂浆混合料。道路基层和道路垫层分别采用水稳碎石和沙砾铺设；4) 压电陶瓷发出的电能通过整流和稳压后输出稳定直流电，进入储能装置或者直接对道路两边的路灯进行供电，也可通过逆变电路转化为交流电，并入电网。

本实用新型的基于压电陶瓷的压电效应进行道路发电的系统，通过将来往车辆、行人的机械能转化为电能，输出电流首先通过整流电路转化为直流电，给超级电容充电，超级电容两端电压达到一定值，开启可控硅开关，电流进入升压电路，输出的电流经过储能的收集后可直接为部分交通用电设备供电。本系统微小化和集成化，环保、无电磁干扰、易于实现。

下面以一个压电发电实验装置来说明道路发电原理，如图2为一个压电发电实验装置，本装置包括基板12、压电陶瓷片11、稳固装置9、轮胎压力模拟柱10，压电振子由基板12和一个粘在其下表面的矩形压电陶瓷片11PZT-4构成,基板12和压电晶片PAT-4的厚度分别为3cm和0.5mm。

将压电振子基板12一端作为固定支撑端,另一端自由,在自由端基板露出部分上端施加外力，模拟轮胎行驶过程。将外力传递到稳固装置支撑的压电振子,使压电振子产生机械运动,则压电振子上的压电陶瓷在弯曲变形的作用下,将产生电量。通过示波器可观测输出端电压值。

因压电陶瓷震荡产生电能的瞬时性，为便于收集电能，输出电流通过整流后接入超级电容，超级电容后接稳压电路，稳压电路可将超级电容电压转化为稳定的电压。系统外电路包含整流电路，超级电容电路，稳压电路。

观察示波器有稳定的电压波形，可验证超级电容能达到收集电能的目的。说明基于压电陶瓷的压电效应是可以产生电力的。故利用本系统可以将机械能转化为电能，具有电压可控、结构微小等优点，在压力道路发电系统具有广阔的前景。

尽管已描述了本发明的优选实施例，但本领域内的技术人员一旦得知了基本创造性概念，则可对这些实施例做出另外的变更和修改。所以，所附权利要求意欲解释为包括优选实施例以及落入本发明范围的所有变更和修改。

Claims (9)

1.一种基于压电陶瓷的压电效应进行道路发电的系统，其特征在于，一种基于压电陶瓷的压电效应进行道路发电的系统，至少包括用于产生且可以向外输出电能的压电发电装置；该压电发电装置包括道路上面层、道路中面层和处于两者之间的压电复合层，所述压电复合层包括压电层；所述压电层由SBS改性沥青层和嵌装于SBS改性沥青层中且间隔设置的若干个压电陶瓷片组成，所述压电层上或下设置有导线并与压电陶瓷片的正极连接作为正极输出，所述压电层上或上铺设导电金属粉作为压电陶瓷片的负极输出。

2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述压电陶瓷片为PZT但不仅限于PZT。

3.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述道路上面层采用沥青混凝土SMA系列的沥青混凝土层，道路中面层采用沥青混凝土AC系列的沥青混凝土层。

4.根据权利要求3所述的系统，其特征在于，所述道路上面层厚度为3~5cm，道路中面层厚度为4~6cm，压电复合层厚度为0.6~1.2cm。

5.根据权利要求4所述的系统，其特征在于，所述道路中面层下还设置有道路下面层、道路基层、道路垫层、路基，所述道路下面层为沥青混凝土AC系列的沥青混凝土层，厚度为5~7cm。

6.根据权利要求1至5中任一个所述系统，其特征在于，所述基于压电陶瓷的压电效应进行道路发电的系统还包括外电路储电装置，该外电路储电装置设置于道路的一侧所开设的腔体内，包括依次相连接的整流电路、超级电容电路、稳压充电电路，所述整流电路与压电发电装置相连接，所述整流电路外连超级电容电路并通过超级电容电路外连稳定电路后输出。

7.根据权利要求6所述的系统，其特征在于，所述整流电路包括一个桥式整流电路和第一电容，所述桥式整流电路的输入端连接在压电发电装置的正负极之间，所述第一电容连接在桥式整流电路的输出端，所述桥式整流电路包括组成两个桥臂的四个二极管D1、D2、D3和D4，所述D1阴极和D2阳极相连后接交流电源一端，所述D3阴极和D4阳极相连后接交流电源另一端。

8.根据权利要求6所述的系统，其特征在于，所述超级电容电路包括六个电容C1、C2、C3、C4、C5和C6，一个电感L1，三个二极管D5、D6、D7和一个稳压管D8，所述C1、C2、L3依次并联后一端分别与D2和D4的阴极相连，另一端分别与D1和D3的阳极相连，所述L1一端分别与C3一端和D5阳极相连，所述C3另一端分别与D6阴极和D7阳极相连，所述D5阴极分别与D6阳极和C4一端相连，所述D7阴极分别与C5、C6一端和D8阴极相连，所述C4另一端与L2另一端相连后接地，所述C5、C6另一端和D8阳极分别接地。

9.根据权利要求6所述的系统，其特征在于，所述稳压充电电路包括两个电容C7和C8、两个二极管D9和D11、晶闸管S1、稳压管D10、电感L2、芯片LM2575和输出直流电源，所述C7一端分别与S1阴极和芯片LM2575第一端子相连，所述S1阳极与D8阴极相连，所述S1门极与D9阳极相连，所述D9阴极与S1阳极相连，所述芯片LM2575第二端子和第三端子分别接地，所述芯片LM2575第四端子与L2一端相连，所述L2另一端分别与芯片LM2575第五端子、D10阴极、D11阳极和C8一端相连，所述D11阴极与输出直流电源正极相连，所述D10阳极、C7和C8另一端、输出直流电源负极分别接地。