一種發(fā)電路面壓電系統(tǒng)及布設(shè)方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及道路工程以及能量采集技術(shù)領(lǐng)域，尤其是涉及一種發(fā)電路面壓電系統(tǒng)及布設(shè)方法。
【背景技術(shù)】
[0002]隨著我國道路系統(tǒng)建設(shè)日益完善，截止2014年底我國公路總里程已達(dá)446.39萬公里，其中高速公路將近12萬公里，汽車保有量達(dá)2.64億輛。從開放交通到壽命終結(jié)，路面將承受幾十乃至幾百萬次車輛荷載作用，車輛荷載沖擊、振動路面將會產(chǎn)生非?？捎^的機(jī)械能，道路壓電發(fā)電提供了將道路沖擊、振動機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電能的可能性，是一種規(guī)?？捎^、可再生的清潔能源，具有巨大的經(jīng)濟(jì)和社會效益。
[0003]現(xiàn)階段關(guān)于壓電發(fā)電路面的研究多圍繞壓電換能器的研發(fā)展開，而對壓電發(fā)電路面壓電系統(tǒng)布設(shè)方式的研究鮮有報道。然而壓電系統(tǒng)的設(shè)計、布設(shè)方法，對于壓電系統(tǒng)能量的輸出具有重要的影響。因此，在發(fā)電路面領(lǐng)域亟需解決的技術(shù)問題是提供一種與道路耦合性高且壓電發(fā)電性能優(yōu)良的壓電系統(tǒng)布設(shè)方法。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題在于針對道路壓電發(fā)電的特點，提供一種發(fā)電路面壓電系統(tǒng)布設(shè)方法，其結(jié)構(gòu)簡單，施工方便，發(fā)電性能好，能量收集率高，實用性強(qiáng)，可廣泛用于高速公路、城市道路和特殊地區(qū)道路以及舊路改造。
[0005]為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明采用的技術(shù)方案是:
[0006]一種發(fā)電路面壓電系統(tǒng)，包括壓電單元，所述的壓電單元包括壓電元件、銅板、橡膠墊及環(huán)氧樹脂圈，其中銅板位于橡膠墊上方，壓電元件設(shè)置一個以上，位于在銅板和橡膠墊之間；環(huán)氧樹脂圈設(shè)置在壓電元件周圍，并將銅板、橡膠墊以及壓電元件固結(jié)在一起。
[0007]進(jìn)一步地，所述的壓電系統(tǒng)還包括整流濾波裝置、DC/DC變換器以及儲能裝置，所述的壓電元件上引出的導(dǎo)線連接至整流濾波裝置，整流濾波裝置裝置依次連接DC/DC變換器和儲能裝置。
[0008]進(jìn)一步地，所述的銅板的上表面開設(shè)有一個以上的應(yīng)力吸收槽，應(yīng)力吸收槽以銅板的中心點處為中心開設(shè)，應(yīng)力吸收槽為圓形槽、環(huán)形槽或條形槽。
[0009]進(jìn)一步地，所述的橡膠墊上穿過橡膠墊設(shè)置有一對孔洞，用于通過壓電元件上引出的導(dǎo)線。
[0010]進(jìn)一步地，所述的壓電單元埋設(shè)在路面的上面層、下面層或者上下面層之間開設(shè)的安裝槽中。
[0011]進(jìn)一步地，所述的安裝槽的槽壁與槽底之間為倒圓角結(jié)構(gòu)，在安裝槽的槽底中開設(shè)有用于通過壓電元件上引出導(dǎo)線的導(dǎo)線槽。
[0012]進(jìn)一步地，所述的路面壓電系統(tǒng)中，由多個壓電單元并聯(lián)構(gòu)成壓電單元帶，單條或多條壓電單元帶構(gòu)成壓電單元組，壓電單元組對稱分布于車道中軸線兩側(cè)，壓電單元帶的布設(shè)方向與車道中軸線平行，相鄰的兩個壓電單元帶中對應(yīng)的兩個壓電單元之間的連線與車道中軸線垂直或呈銳角。
[0013]進(jìn)一步地，所述的壓電單元組與車道中軸線之間的距離為LI，同一個壓電單元帶中相鄰的兩個壓電單元在道路長度方向上的間距為L3，相鄰的兩個壓電單元帶中對應(yīng)的兩個壓電單元之間在道路寬度方向上的間距為分別為L2，則有L3>L1>L2。
[0014]一種發(fā)電路面壓電系統(tǒng)布設(shè)方法，包括以下步驟:
[0015]步驟一，組裝壓電單元
[0016]取銅板、橡膠墊、環(huán)氧樹脂圈以及壓電元件，以銅板在上、橡膠墊在下、壓電元件位于中間的方式將這些部件進(jìn)行組裝，并將環(huán)氧樹脂圈套裝在壓電單元周圍，對環(huán)氧樹脂圈加熱熔融后將壓電元件、銅板、橡膠墊膠結(jié)成整體，構(gòu)成壓電單元；其中每個壓電單元中壓電元件設(shè)置一個以上，設(shè)置多個壓電元件時，所有壓電元件對其設(shè)置，并將每個壓電元件上的正、負(fù)極導(dǎo)線分別并聯(lián)；
[0017]在銅板的上表面開設(shè)一個以上的、呈圓形或環(huán)形的應(yīng)力吸收槽，在橡膠墊上開設(shè)一對孔洞用于通過壓電元件的導(dǎo)線；
[0018]步驟二，在路面上準(zhǔn)備壓電單元的安裝槽
[0019]在路面上開設(shè)用于安裝壓電單元的安裝槽，安裝槽設(shè)置在路面的上面層、下面層或者上下面層之間；
[0020]對于新建瀝青路面，在碾輪上設(shè)置凸起結(jié)構(gòu)，碾輪碾壓路面結(jié)構(gòu)層時凸起結(jié)構(gòu)在路面結(jié)構(gòu)層上形成所述的安裝槽；對于舊瀝青路面，采用開槽機(jī)開設(shè)安裝槽；
[0021]安裝槽開設(shè)好之后，將安裝槽的槽壁與槽底之間加工為倒圓角形，在每個安裝槽的槽底開設(shè)0.5?Icm寬的導(dǎo)線槽，并將相鄰的安裝槽中的導(dǎo)線槽貫連；
[0022]步驟三，布設(shè)壓電系統(tǒng)
[0023]在安裝槽和導(dǎo)線槽中敷設(shè)環(huán)氧瀝青，采用一個壓電單元對應(yīng)一個安裝槽的方式，將壓電單元以橡膠墊朝下的方式設(shè)置在安裝槽中，將壓電元件上引出的導(dǎo)線沿導(dǎo)線槽布設(shè)；若是新建瀝青路面且安裝槽位于上下面層之間，則在壓電單元設(shè)置好之后再在上下面層之間設(shè)置一層寬度大于安裝槽直徑的抗裂貼；
[0024]由多個壓電單元并聯(lián)構(gòu)成壓電單元帶，單條或多條壓電單元帶構(gòu)成壓電單元組，壓電單元組對稱分布于車道中軸線兩側(cè)，壓電單元帶的布設(shè)方向與車道中軸線平行，相鄰的兩個壓電單元帶中對應(yīng)的兩個壓電單元之間的連線與車道中軸線垂直或呈銳角；
[0025]在路面開設(shè)總線槽，將所有自導(dǎo)線槽中引出的導(dǎo)線通過總線槽引至設(shè)置于路邊的整流濾波裝置，并將整流濾波裝置依次與DC/DC變換器和儲能裝置連接；
[0026]上述步驟完成后，對安裝槽和總線槽進(jìn)行填埋，完成布設(shè)。
[0027]本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比具有以下優(yōu)點:
[0028]1、本發(fā)明將壓電元件進(jìn)行封裝處理，提高了壓電元件承受荷載的能力，相對增加了壓電元件的形變量，提高了力-電轉(zhuǎn)換效率，能夠充分利用道路沖擊、振動機(jī)械能。
[0029]2、本發(fā)明充分考慮了壓電單元埋設(shè)與道路結(jié)構(gòu)的耦合性，優(yōu)化了壓電單元及其線路的埋設(shè)方式，保證了壓電發(fā)電路面結(jié)構(gòu)耐久性，有效控制了壓電單元的置入對路用性能的不利影響。
[0030]3、本發(fā)明充分考慮了車輛類型及其輪跡帶分布特性與壓電單元縱橫向陣列布設(shè)的協(xié)調(diào)性，有效提高了壓電發(fā)電單元的利用頻率，增強(qiáng)了壓電發(fā)電能量的輸出采集效率。
【附圖說明】
[0031]圖1為壓電單元上開設(shè)應(yīng)力吸收槽的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0032]圖2為壓電單元封裝結(jié)構(gòu)，其中圖2 (a)為單片壓電元件壓電單元結(jié)構(gòu)，圖2 (b)為雙片壓電元件并聯(lián)壓電單元結(jié)構(gòu)，圖2(c)為多片壓電元件并聯(lián)壓電單元結(jié)構(gòu)；
[0033]圖3為路面開設(shè)安裝槽的結(jié)構(gòu)示意圖，其中圖3(a)為下面層開槽結(jié)構(gòu)，圖3 (b)為上面層開槽結(jié)構(gòu)，圖3(c)為上下面層復(fù)合開槽結(jié)構(gòu)；
[0034]圖4為壓電單元埋設(shè)示意圖，其中圖4 (a)為下面層壓電單元埋設(shè)示意圖，圖4 (b)為上面層壓電單元埋設(shè)示意圖，圖4(c)為上下面層間壓電單元埋設(shè)示意圖；
[0035]圖5為壓電單元陣列布設(shè)方案圖，其中圖5(a)為橫向單排3個壓電單元等間距布設(shè)示意圖，圖5(b)為橫向單排4個壓電單元等間距布設(shè)示意圖，圖5(c)為橫向雙排3個壓電單元等間距布設(shè)示意圖，圖5(d)為與中軸線呈60°單排4個壓電單元等間距布設(shè)示意圖，圖5(e)為與中軸線呈45°雙排3個壓電單元等間距布設(shè)示意圖。
[0036]圖中標(biāo)號代表:1 一銅板，2—壓電元件，3—孔洞，4一導(dǎo)線，5—橡膠墊，6—環(huán)氧樹脂圈，7—應(yīng)力吸收槽，8—總線槽，9一安裝槽，10—導(dǎo)線槽，12—下面層，13—上面層，14-抗裂貼，15—環(huán)氧瀝青，100—壓電單元。
【具體實施方式】
[0037]壓電元件承受荷載能力較低、脆性大，在車輛荷載較大沖擊力下極易產(chǎn)生損壞，進(jìn)而影響其壓電性能，而壓電元件在路面內(nèi)又需要一定變形才能產(chǎn)生壓電發(fā)電效應(yīng)，故應(yīng)做好壓電元件的封裝形式，以滿足兩方面的需要。相應(yīng)地，壓電元件布設(shè)于路面結(jié)構(gòu)內(nèi)，需對路面進(jìn)行開槽處理或新建公路時進(jìn)行預(yù)埋，路面開槽形式應(yīng)保證對路用性能造成盡量小的影響，壓電單元的埋置應(yīng)與道路結(jié)構(gòu)具有良好的耦合性。在道路渠化交通良好的情況下，標(biāo)準(zhǔn)車道寬度3.75m內(nèi)車輛輪跡的橫向分布呈現(xiàn)“雙駝峰”型曲線特性，車輛輪跡主要集中于以行車道中軸線為對稱軸的兩側(cè)各約0.5m寬的路面上，約27%的車道寬度路面上承受60%