CN103986369A - 利用沥青路面变形进行发电的道路发电装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种利用沥青路面变形进行发电的道路发电装置，包括多个埋设在道路面层内的压电结构单元，压电结构单元包括绝缘外壳、压电片、绝缘拨片、金属传动杆、套管以及弹簧，压电片固连在绝缘外壳的内壁上，绝缘拨片套设并固定连接在金属传动杆上，绝缘拨片设置在压电片上方，金属传动杆的顶端伸出绝缘外壳并具有外凸的承接头，金属传动杆的底端通过弹簧固连在所述绝缘外壳的底部，压电结构单元通过导线连接电源控制箱，电源控制箱连接用电设备。本发明将压电结构单元铺设在道路面层内，将引起路面变形的交通载荷应力转化为电能，对道路上及附近的用电设备进行供电或者将电能存储。

Description

利用沥青路面变形进行发电的道路发电装置

技术领域

本发明涉及道路发电装置。

背景技术

我国公路里程数众多，到2012年底全国公路总里程数已达到423.75万公里，到2030年将达580万公里，它们每年需要承受数以百万计的交通荷载作用。这些荷载产生的机械能一部分以热能的形式逸散到空气中，另一部分则最终引起路面损害。虽然单次交通荷载作用产生的能量逸散和车辙损害一般来说微乎其微，但是考虑到国内庞大的公路里程数和交通流量，那么后果就非常严重了。频繁的车辆荷载不仅加大路面损坏程度，降低使用寿命，而且产生的热能完全耗散在城市空气中，加深城市热岛效应。而有些材料恰恰可以捕获这种逸散的能量，转化为可再生的绿色能源，比如压电材料。它可以根据自身特性将交通荷载产生的机械能转化为电能，并进行收集和利用，为道路指示、照明等提供绿色能源，做到变废为宝。既减轻了路面车辙损害，延长道路寿命，又获得自发的电能供给，减小能源浪费，拥有巨大的经济效益，为建设资源节约型社会提供助力。压电材料的研究和应用经过长时间的技术积累已经趋于成熟，压电能量采集和应用因为其工作环境限制少、效率高、绿色环保等优点受到了广泛的关注。关于道路工程中的研发和应用还亟待提升，因此，研究沥青路面压电发电***具有庞大的经济和环保前景，一旦研发可以大规模运用到目前的沥青路面工程中，必然能获得巨大的收获。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种利用沥青路面变形进行发电的道路发电装置，能够利用道路路面的变形为道路周边用电设备提供电能。

本发明解决技术问题所采用的技术方案是：利用沥青路面变形进行发电的道路发电装置，所述装置包括多个埋设在道路面层内的压电结构单元，所述压电结构单元包括绝缘外壳、压电片、绝缘拨片、金属传动杆、套管以及弹簧，所述压电片的边缘固连在所述外壳的内壁上，所述绝缘拨片套设并固定连接在在所述金属传动杆上，所述绝缘拨片设置在所述压电片的上方，所述金属传动杆的顶端伸出所述绝缘外壳并具有外凸的承接头，所述金属传动杆的底端通过弹簧固连在所述绝缘外壳的底部；所述压电结构单元通过导线连接电源控制箱，所述电源控制箱连接用电设备。

在采用上述技术方案的同时，本发明还可以采用或者组合采用以下进一步的技术方案：

所述金属传动杆伸出所述绝缘外壳的部分外部设有套管，所述金属传动杆能在所述套管内上下活动或旋转。

所述压电片为至少一个或多个，当所述压电片多于一个时，所述绝缘拨片一一对应地设置在所述压电片的上方。

所述绝缘外壳为圆柱形，所述压电片为环形且垂直于所述绝缘外壳的轴向，所述压电片的外缘固连在所述绝缘外壳的内壁上。

所述绝缘外壳采用耐油耐高温的高分子材料制成。

在埋设所述压电结构单元时，所述绝缘外壳上表面距离道路表面4～20cm，所述金属传动杆的承接头距离道路表面2～4cm。

所述压电结构单元分布在每个车道的轨迹带范围内，所述压电结构单元之间的间距为5～20cm。

电源控制箱包括压电性能检测装置、稳压整流装置、电能存储装置和变压输出装置，所述变压输出装置连接所述用电设备。

电源控制箱连接道路监控设备和交通流量监测***。

本发明的有益效果是：本发明利用压电材料的正向压电效应，将压电结构单元铺设在道路面层内，将引起路面变形的交通载荷应力转化为电能，经过电源控制箱处理，对道路上及附近的用电设备进行供电或者将电能存储，本发明的发电装置所产生的电能完全能够为道路交通用电设施，例如路灯、指示灯、指示牌、广告牌等提供足够的电能，还具备电能存储装置，当产生电能富余时能够及时进行存储，已备不时之需，本发明的发电装置环保无污染，不占用任何其他土地环境资源，且就近供电能够降低电能输送成本和损耗。此外，本发明的发电装置所采集的交通载荷变化可以发送至交通流量监测***，通过计算机统计分析，得到道路交通的具体情况，为公路交通管理提供数据支持。本发明适用于各类道路，尤其是人员密集、交通流量较大的道路。

附图说明

图1为本发明的整体结构图。

图2为本发明的压电结构单元与道路面层的剖面图。

图3为本发明的俯视图。

图4为本发明的压电结构单元的内部结构示意图。

图中标号：1-道路面层，2-套管，3-金属传动杆，4-绝缘外壳，5-绝缘拨片，6-压电片，7-弹簧，8-相邻面层，9-压电结构单元，10-轨迹带，11-导线，12-压电性能检测装置，13-稳压整流装置，14-变压输出装置，15-电能存储装置，16-用电设备，17-道路监控设备，18-交通流量监测***，19-电源控制箱，20-承接头。

具体实施方式

参照附图。

本发明的道路发电装置包括多个埋设在道路面层1内的压电结构单元9，压电结构单元9包括套管2、金属传动杆3、绝缘外壳4、绝缘拨片5、压电片6及弹簧7。

绝缘外壳4为圆柱形，使得压电结构单元9的整体外形大致上呈圆柱形，其形状对路用性能影响较小，压电片6为环形，其内径约为1cm，外径约为8cm，厚度约为0.5cm，环形压电片6的构造简单，不增加额外的传力构件，不会因为其他部件损坏而影响其使用寿命，压电片6的外缘通过焊接或者卡槽的形式固定连接在绝缘外壳4的内壁上。

绝缘拨片5套设并固定在在金属传动杆3上，金属传动杆3设置在绝缘外壳4的中心部位且与绝缘外壳4的中心轴方向相同，金属传动杆3同时也穿过压电片6中间的空心部分，绝缘拨片5设置在压电片6上方贴近压电片6的位置上。

压电片6为至少一个，当压电片6多余一个时，压电片6沿绝缘外壳的高度方向均布，且绝缘拨片5一一对应第设置在压电片6上方与其贴近的位置上，压电片6的数量越多，一次交通载荷引起的压电反应效果越好，产生的电量越大，但压电片6的数量不宜过多，否则会造成压电结构单元9的体积过大，影响道路面层的正常结构，且过多压电片6会影响金属传动杆3的传动灵敏度，压电片6的数量通常为2～4个。

金属传动杆3的顶端伸出绝缘外壳4的上表面，且金属传动杆3的顶端具有外凸的承接头20，承接头20的直径大于金属传动杆3的直径，承接头20的顶部具有能够在金属传动杆3的顶部形成接收由路面交通载荷引起形变的平面，能够更有效地接收路面表层沥青混合料弹性变形产生的位移，金属传动杆3的底端通过弹簧7固定连接在绝缘外壳4的底部。

金属传动杆3伸出绝缘外壳4上表面的部分外部设有套管2，金属传动杆3能够在套管2内上下移动或旋转，套管2为金属传动杆3提供了一个位移范围，使金属传动杆3在接收到路面变形时能够灵敏地自由伸缩。

绝缘外壳4采用耐油耐高温的高分子材料制成，能够承受一定程度的压力和纵向剪切力，能保护压电结构单元9的内部结构不受破坏。

本发明的压电结构单元3的工作原理是，路面表层沥青混合料在受到交通载荷压力下会产生变形，金属传动杆3的承接头20接收来自路面的变形向下移动，带动绝缘拨片5的向下移动，绝缘拨片5随之接触压电片6并使压电片6向下弯曲，当交通载荷压力撤除后，弹簧7的回复力使金属传动杆3和绝缘拨片5复位，压电片6也随之回复原位，这样，压电片6在交通运行过程中不断变形-恢复，产生电流。

本发明的道路发电装置包括多个压电结构单元9，多个压电结构单元9埋设在道路面层1内，其中绝缘外壳4的上表面距离道路表面4～20cm，承接头20距离道路表面2～4cm。因为压电结构单元9就每个个体来说体积较小，发电量有限，因此需要多个压电结构单元9构成整个发电装置，才能够实现对道路周边用电设备的供电。本发明的道路发电装置利用交通载荷使得路面结构产生应力场，从而迫使压电结构单元9中的压电片6产生形变，利用压电材料的力电转换机制实现发电，理论分析表明压电结构单元9埋设越深，对道路表面交通载荷的敏感度越差，发电效率越低；埋设越浅，发电效率越高，但埋设太浅会影响路用性能，缩短路面的使用寿命；尽管把压电结构单元9直接粘贴于路表可获得最大发电效率且不影响路用性能，但会影响舒适度，最终迫使车辆避开该区域，反而达不到发电的目的。为了获得尽可能高的发电效率，多个压电结构单元9均匀地埋设在沥青道路面层1内（道路面层按照《公路沥青路面设计规范（JTG D50-2006）》，可为双层或三层），同时考虑不改变路面结构的施工工艺，将压电结构单元9埋设在道路面层1和相邻面层8（基层）之间。

压电结构单元9分布在每个车道的轨迹带10范围内（如图3所示），相邻压电结构单元9之间的间距为5～20cm。车道的轨迹带范围主要是根据行车道宽度和车轮间距来确定的一个路面宽度范围，车辆正常行驶时通常会处于轨迹带范围内。理论上，压电结构单元9沿行车方向铺设越密发电效果越好，但是压电结构单元9与路面材料间存在明显界面，抗剪能力弱，如果铺设密度过大，容易导致道路面层1与压电结构单元3发生滑移破坏；减小铺设密度可降低滑移破坏的可能性，铺设密度太小，尽管可以尽可能保证路用性能，但是单位面积上的发电效率无疑会降低，达不到所需的效果。一般分布间距达到压电结构单元表面尺寸的一倍以上时可有效抑制剪切破坏的发生。

压电结构单元9通过导线11连接电源控制箱19，具体地说，压电结构单元9中负责产生电流的压电片6通过导线11引出，连接至电源控制箱19，其产生的电流通过导线11汇集到电源控制箱5，电源控制箱5与用电设备16连接向其供电，从而达到利用路面变形发电的效果，用电设备可以是设置在道路上的路灯、信号灯、路面指示牌、广告灯箱、交通流量监测***等，便于就近使用，提供绿色能源，保护环境，节省经济。

电源控制箱19包括压电性能检测装置12、稳压整流装置13、变压输出装置14、电能存储装置15，稳压整流装置13可以采用通常的稳压整流电路，对压电结构单元9产生的电能进行稳压整流，变压输出装置14与用电设备16连接，用于将压电结构单元9所产生的电能转换为适用于用电设备16的电压输出，变压输出装置8可以采用通常的变压器，与用电设备16的额定电压匹配即可；压电性能检测装置12可以采用通常的通电检测设备，主要用于检测压电结构单元9的发电情况，例如是否有电流输出以及电流流量大小，从而确认道路发电装置是否正常工作；电能存储装置15可以采用具有一定容量的蓄电设备，在白天路面交通繁忙，路面变形不断，但白天往往不需要大量用电，此时就需要将多余的电能存储起来，已备发电量不足时使用。

此外，电源控制箱19还可以与道路监控设备17和交通流量监测***18连接，向道路监控设备17供电，向交通流量监测***18提供路面变形的信息数据，例如路面变形频率、变形程度，为道路交通管理提供有力的数据支持。

Claims (9)

1.利用沥青路面变形进行发电的道路发电装置，其特征在于：所述装置包括多个埋设在道路面层内的压电结构单元，所述压电结构单元包括绝缘外壳、压电片、绝缘拨片、金属传动杆以及弹簧，所述压电片的边缘固支在所述外壳的内壁上，所述绝缘拨片套设并固定连接在在所述金属传动杆上，所述绝缘拨片设置在所述压电片的上方，所述金属传动杆的顶端伸出所述绝缘外壳并具有外凸的承接头，所述金属传动杆的底端通过弹簧固连在所述绝缘外壳的底部；所述压电结构单元通过导线连接电源控制箱，所述电源控制箱连接用电设备。

2.如权利要求1所述的利用沥青路面变形进行发电的道路发电装置，其特征在于：所述金属传动杆伸出所述绝缘外壳的部分外部设有套管，所述金属传动杆能在所述套管内上下活动或旋转。

3.如权利要求1所述的利用沥青路面变形进行发电的道路发电装置，其特征在于：所述压电片为至少一个或多个，当所述压电片多于一个时，所述压电片沿所述绝缘外壳的高度均布，所述绝缘拨片一一对应地设置在所述压电片的上方。

4.如权利要求1所述的利用沥青路面变形进行发电的道路发电装置，其特征在于：所述绝缘外壳为圆柱形，所述压电片为环形且垂直于所述绝缘外壳的轴向，所述压电片的外缘固连在所述绝缘外壳的内壁上。

5.如权利要求4所述的利用沥青路面变形进行发电的道路发电装置，其特征在于：所述绝缘外壳采用耐油耐高温的高分子材料制成。

6.如权利要求1、2、3、4或5所述的利用沥青路面变形进行发电的道路发电装置，其特征在于：在埋设所述压电结构单元时，所述绝缘外壳上表面距离道路表面4～20cm，所述金属传动杆的承接头距离道路表面2～4cm。

7.如权利要求6所述的利用沥青路面变形进行发电的道路发电装置，其特征在于：所述压电结构单元分布在每个车道的轨迹带范围内，所述压电结构单元之间的间距为5～20cm。

8.如权利要求1所述的利用沥青路面变形进行发电的道路发电装置，其特征在于：电源控制箱包括压电性能检测装置、稳压整流装置、电能存储装置和变压输出装置，所述变压输出装置连接所述用电设备。

9.如权利要求1所述的利用沥青路面变形进行发电的道路发电装置，其特征在于：所述电源控制箱连接道路监控设备和交通流量监测***。