CN110752782B - 利用压电换能器收集道路振动能量的构造及其施工方法和试验方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开的一种利用压电换能器收集道路振动能量的构造，包括压电换能器，压电换能器包括振动压电机构，振动压电机构包括埋设于混凝土路面内的压电换能器壳体，压电换能器壳体包括下壳体和上壳体，压电换能器壳体内设置有压电陶瓷组件，上壳体顶壁与下方的压电陶瓷组件之间设置有橡胶垫，所述压电陶瓷组件包括竖陶瓷单元，陶瓷单元之间由绝缘尼龙隔开，铜片横向区隔整个陶瓷组件，各陶瓷单元之间通过铜片并联，铜片经由穿过导线通道的导电线与外部压电换能采集器连接。本发明还提供了上述压电构造的施工方法和试验方法。上述压电构造能够将道路中车辆振动机械能转化为电能并收集利用。
Description
技术领域
本发明涉及一种利用压电换能器收集道路振动能量的构造。本发明还涉及一种上述利用压电换能器收集道路振动能量的构造的施工方法。本发明还涉及一种上述利用压电换能器收集道路振动能量的构造的试验方法。
背景技术
我国交通发展迅速，路面都要经受汽车的重复荷载作用，其能产生大量的机械能，若能通过压电换能器来发电，必然产生很好的经济与环保效益。公路上使用的照明灯、指示灯、监控设备、通讯设备、传感设备等均需要供电来维持正常使用，但随着交通建设的发展，偏远山区的建设产生许多问题，路面的需电设备无法正常使用或成本投入过高。
对于目前的压电试验，往往只在于理论方面，单一的理论计算，与实际情况往往相差甚远。因此发明了一种利用压电换能器收集道路振动能量的室内模拟试验方法，通过室内试验模型模拟道路交通，将压电换能器预置在路面内部，通过三个激振器协调加载模拟不同的实际交通环境，并最终由压电采集器收集电量，可以更加准确地得出压电换能器的收集效益。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明所要解决的技术问题是提供一种利用压电换能器收集道路振动能量的构造，该构造更加稳定、承载力更强、电流收集效率更高。本发明所要解决的技术问题还包括提供一种上述利用压电换能器收集道路振动能量的构造的施工方法。本发明所要解决的技术问题还包括提供一种上述利用压电换能器收集道路振动能量的构造的试验。
为此，本发明提供的利用压电换能器收集道路振动能量的构造，包括压电换能器，压电换能器包括振动压电机构，振动压电机构包括埋设于混凝土路面内的压电换能器壳体，压电换能器壳体包括下壳体和上壳体，压电换能器壳体内设置有压电陶瓷组件，上壳体顶壁与下方的压电陶瓷组件之间设置有橡胶垫，所述压电陶瓷组件包括竖陶瓷单元，陶瓷单元之间由绝缘尼龙隔开，铜片横向区隔整个陶瓷组件，各陶瓷单元之间通过铜片并联，铜片经由穿过导线通道的导电线与外部压电换能采集器连接。
本发明提供的上述利用压电换能器收集道路振动能量的构造的施工方法，包括如下步骤：
A、将所述压电陶瓷组件安装入所述压电换能器壳体中；
B、将所述压电陶瓷组件与所述压电换能采集器电连接；
C、道路铺设及换能量压电换能器的放置，包括以下：
D、将道路路面修平。
本发明提供的上述利用压电换能器收集道路振动能量的构造的试验方法，包括如下步骤：
A、将所述压电陶瓷组件安装入所述压电换能器壳体中；
B、将所述压电陶瓷组件与所述压电换能采集器电连接；
C、道路铺设及换能量压电换能器的放置，包括以下：
D、室内交通荷载压电试验，通过主机***控制频率和荷载大小，模拟道路车辆情况，具体如下：
本发明的技术效果在于：
1、压电换能器的整体密封性能更好，更能够适应户外的复杂环境，避免因进入外界异物导致其中的元器件被腐蚀，有利于延长使用寿命。
2、压电陶瓷组件包括竖陶瓷单元，陶瓷单元之间由绝缘尼龙隔开，铜片横向区隔整个陶瓷组件，各陶瓷单元之间通过铜片并联，该构造不但有利于受压形变产生电流，又因具有整体性的实心结构而具有更好的承载能力，稳定性也更好。
3、压电陶瓷组件上方通过垫设橡胶垫，使压电陶瓷得到适当缓冲，同时又有条件在受压后保持足够的压力以产生电流。
附图说明
图1为本发明提供的振动压电机构的结构剖面示意图。
图2为本发明提供的利用压电换能器收集道路振动能量的构造的试验模型图。
图3为本发明提供的压电换能器的电能采集电路图。
图4为图1中的振动压电机构的三维图，其中带有局部剖视。
图5为本发明提供的综合发电机构的结构剖视示意图。
附图标记说明：
1、橡胶垫，2、上壳体，3、密封圈，4、下壳体，5、绝缘尼龙，6、磷铜片，7、压电陶瓷组件，8、导线通道，9、压电换能采集器，10、路基，11、水泥稳定碎石层，12、混凝土路面板，13、交通荷载模型槽，14、压电能量压电换能器，15、激振器，16、可变电阻，17、交替电阻，18、电容，19、电池，20、二极管，21、整流桥，22、上端壳，23、下端壳，24、上压变电模块，25、下压变电模块，26、中间杆，27、弹性垫层，28、环形护板。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进。这些都属于本发明的保护范围。
参照图1-4所示，本发明提供的一种利用压电换能器收集道路振动能量的构造，包括压电换能器14，压电换能器14包括振动压电机构，振动压电机构包括埋设于混凝土路面内的压电换能器壳体，压电换能器壳体包括下壳体4和上壳体2，压电换能器壳体内设置有压电陶瓷组件7，上壳体2顶壁与下方的压电陶瓷组件7之间设置有橡胶垫1，所述压电陶瓷组件包括竖陶瓷单元，陶瓷单元之间由绝缘尼龙5隔开，铜片6横向区隔整个陶瓷组件，各陶瓷单元之间通过铜片6并联，铜片6经由穿过导线通道8的导电线与外部压电换能采集器9连接。
上述压电陶瓷组件由至少两个铜片6沿高度方向依次横向分布，并区隔铜片6上方和下方的所述陶瓷单元。所述橡胶垫1下部嵌入到下壳体4中、上部嵌入到上壳体2中，上壳体2内侧壁与橡胶垫之间设置有密封圈3，所述导线通道8外端内侧壁上形成环形阶梯槽，环形阶梯槽中嵌设有密封圈3。所述压电换能器提前预置在混凝土路面板12内部，待混凝土路面板12养护压实后放置在所述水泥稳定碎石层11上部。
所述压电换能器包括综合发电机构，综合发电机构包括上端壳22和下端壳23，上端壳22和下端壳23内分别设置有上压变电模块24和下压变电模块25，上压变电模块24和下压变电模块25之间通中间杆26连接，所述上压变电模块24和下压变电模块25通过导电线与所述压电换能采集器9连接，所述中间杆26上套有弹性垫层27，弹性垫层27垫在所述上端壳22和下端壳23之间，所述综合发电机构和振动发电机构交替间隔分布并共同并联于所述压电换能采集器9，综合发电机构通过整流电路连接于压电换能采集器9。为了更好地保护综合发电机构，所述弹性垫层27***固定有环形护板28，环形护板28与上端壳22和下端壳23之间灌注有凝固后具有弹性的胶水，（例如环氧植筋胶），环形护板28的高度大于所述弹性垫层27的厚度，环形护板28能够保护弹性垫层27。本发明中采用的综合发电机构和振动压电机构组合的构造能够使压电换能器既能够通过车辆振动带来能量，又能够通过车辆碾压使综合发电机构发生偏转和位移等，由此收集更多的能量，通过丰富能量收集方式的多样性提高电能收集和转化的效率。
本发明提供的上述利用压电换能器收集道路振动能量的构造的施工方法，包括如下步骤：
A、将所述压电陶瓷组件7安装入所述压电换能器壳体中；
B、将所述压电陶瓷组件7与所述压电换能采集器9电连接；
C、道路铺设及换能量压电换能器的放置，包括以下：
D、将道路路面修平。
本发明提供的上述利用压电换能器收集道路振动能量的构造的试验方法，包括如下步骤：
A、将所述压电陶瓷组件7安装入所述压电换能器壳体中；
B、将所述压电陶瓷组件7与所述压电换能采集器9电连接；
C、道路铺设及换能量压电换能器的放置，包括以下：
D、室内交通荷载压电试验，通过主机***控制频率和荷载大小，模拟道路车辆情况，具体如下：
上述步骤A中：所述压电陶瓷7为单体方柱型压电陶瓷，所述压电陶瓷7的长、宽为0.02m、高为0.015m，所述铜片6为磷铜片。
上述步骤C中：所述路基10在分层铺土时每层厚度为0.2m，通过滚筒滚过相同的次数使压实度达到93%以上；所述压电换能器壳体设置于所述水泥稳定碎石层11上，所述水泥稳定碎石层11水泥用量为混合料3%～6%，7天的无侧限抗压强度可达5.0Mpa，厚度为0.05m；所述混凝土水泥面板12，其水泥：砂：石子：水的配合比为1：1.3：2.1：0.52；所述步骤D中，通过主机控制***控制激振器对路面进行激振，通过控制频率(0-15Hz)与荷载(1000N-5000N)来模拟实际交通中不同重量和不同速度的交通车辆。
下面通过具体的实施例详细解释本发明的试验方法：
为研究交通道路压电能量收集，本实施例参照图1、2、3 所示的试验装置，按以下步骤进行 ：
第一步，设计压电能量压电换能器的结构，要将其做成密封结构，保护内部压电柱不受外部环境侵蚀。
本实施例中所述压电换能器包括：下壳体4与上壳体2；上壳体2通过密封圈3与橡胶垫1接触；内部压电方柱通过铜片6并联；横向陶瓷之间由绝缘尼龙5隔开，最后通过导线通道8传输能量至外部。
第二步，设计压电能量采集电路，更好地提高电量采集效率；
本实施例中所述压电换能采集器包括：16为可变电阻，17为交替电阻，18为电容，19为电池，20为二极管，21为整流桥。
第三步，道路铺设及换能量压电换能器的放置，尽可能地模拟实际交通荷载路段，包括其路段的内部结构及压电能量压电换能器的布置，具体的：
本实施例中所述路基10通过滚筒滚过相同的次数使压实度达到93%以上。
本实施例中所述水泥稳定碎石层水泥用量一般为混合料3%～6%，7天的无侧限抗压强度可达5.0Mpa。厚度为0.05m
本实施例中所述混凝土面板12，其配合比水泥：砂：石子：水为1：1.3：2.1：0.52
第四步，室内交通荷载压电试验，通过主机***控制频率和荷载大小，模拟道路车辆情况，具体的：
以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要声明的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变形或修改，这并不影响本发明的实质内容。
Claims (5)
1.一种利用压电换能器收集道路振动能量的构造，包括压电换能器，压电换能器包括振动压电机构，振动压电机构包括埋设于混凝土路面内的压电换能器壳体，其特征是：压电换能器壳体包括下壳体（4）和上壳体（2），压电换能器壳体内设置有压电陶瓷组件（7），上壳体（2）顶壁与下方的压电陶瓷组件（7）之间设置有橡胶垫（1），所述压电陶瓷组件（7）包括陶瓷单元，陶瓷单元之间由绝缘尼龙（5）隔开，铜片（6）横向区隔整个陶瓷组件，各陶瓷单元之间通过铜片（6）并联，铜片（6）经由穿过导线通道（8）的导电线与外部压电换能采集器（9）连接；所述压电陶瓷组件（7）由至少两个铜片（6）沿高度方向依次横向分布，并区隔铜片（6）上方和下方的所述陶瓷单元；所述橡胶垫（1）下部嵌入到下壳体（4）中、上部嵌入到上壳体（2）中，上壳体内侧壁与橡胶垫之间设置有密封圈（3），所述导线通道（8）外端内侧壁上形成环形阶梯槽，环形阶梯槽中嵌设有密封圈（3）；所述压电换能器提前预置在混凝土路面板（12）内部，待混凝土路面板（12）养护压实后放置在水泥稳定碎石层（11）上部；所述压电换能器包括综合发电机构，综合发电机构包括上端壳（22）和下端壳（23），上端壳（22）和下端壳（23）内分别设置有上压变电模块（24）和下压变电模块（25），上压变电模块（24）和下压变电模块（25）之间通过中间杆（26）连接，所述上压变电模块（24）和下压变电模块（25）通过导电线与所述压电换能采集器（9）连接，所述中间杆（26）上套有弹性垫层（27），弹性垫层（27）在所述上端壳（22）和下端壳（23）之间，所述综合发电机构和振动压电机构交替间隔分布并共同并联于所述压电换能采集器（9），综合发电机构通过整流电路连接于压电换能采集器（9）。
2.根据权利要求1所述的利用压电换能器收集道路振动能量的构造，其特征是：所述弹性垫层（27）***固定有环形护板（28），环形护板（28）与上端壳（22）和下端壳（23）之间灌注有凝固后具有弹性的胶水，环形护板（28）的高度大于所述弹性垫层（27）的厚度，环形护板（28）能够保护弹性垫层（27）。
3.一种权利要求1所述利用压电换能器收集道路振动能量的构造的施工方法，其特征是：包括如下步骤：
A、将所述压电陶瓷组件（7）安装入所述压电换能器壳体中；
B、将所述压电陶瓷组件（7）与所述压电换能采集器（9）电连接；
C、道路铺设及压电换能器的放置，包括以下：
1）堆路基：分层铺土，控制压实度，将土体分层铺设于路基上，每铺完一层，用滚筒压实，确保每层压实度到达一致，由此完成路基（10）的铺设；
2）铺设水稳层：将提前养护压实好的水泥稳定碎石层（11）放置在路基上；
3）压电换能器放置：压电换能器（14）在密封装好后，提前预置在混凝土路面板内部，并由电线导出连接至压电换能采集器（9），待混凝土路面板（12）养护压实后放置在水稳层上部；
D、将道路路面修平。
4.一种权利要求1所述利用压电换能器收集道路振动能量的构造的试验方法，其特征是：包括如下步骤：
A、将所述压电陶瓷组件（7）安装入所述压电换能器壳体中；
B、将所述压电陶瓷组件（7）与所述压电换能采集器（9）电连接；
C、道路铺设及压电换能器的放置，包括以下：
堆路基：分层铺土，控制压实度：将土体分层铺入交通荷载模型槽（13），每铺完一层，用滚筒压实，确保每层压实度到达一致，由此完成路基（10）；
铺设水稳层：将提前养护压实好的水泥稳定碎石层（11）放置在路基上；
压电换能器放置：压电换能器（14）在密封装好后，提前预置在混凝土路面板内部，并由电线导出连接至压电换能采集器（9），待混凝土路面板（12）养护压实后放置在水稳层上部；
D、室内交通荷载压电试验，通过主机***控制频率和荷载大小，模拟道路车辆情况，具体如下：
通过主机控制***控制激振器（15）对路面进行激振，通过控制频率为0-15Hz与荷载1000N-5000N 来模拟实际交通中不同重量和不同速度的交通车辆；
在设计时间内，通过压电换能采集器（9）计算从交通荷载中收集的电量，计算出电能采集效率。
5.根据权利要求4所述的利用压电换能器收集道路振动能量的构造的试验方法，其特征是：所述步骤A中：所述压电陶瓷（7）为单体方柱型压电陶瓷，所述压电陶瓷（7）的长、宽为0.02m、高为0.015m，所述铜片（6）为磷铜片；所述步骤C中：所述路基（10）在分层铺土时每层厚度为0.2m，通过滚筒滚过相同的次数使压实度达到93%以上；所述压电换能器壳体设置于所述水泥稳定碎石层（11）上，所述水泥稳定碎石层（11）水泥用量为混合料3%～6%，7天的无侧限抗压强度可达5.0Mpa，厚度为0.05m；所述混凝土路面板（12），其水泥：砂：石子：水的配合比为1：1.3：2.1：0.52；所述步骤D中，通过主机控制***控制激振器对路面进行激振，通过控制频率0-15Hz 与荷载1000N-5000N 来模拟实际交通中不同重量和不同速度的交通车辆。
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Application publication date: 20200204 Assignee: Jiaxing Middle Road Construction Engineering Co.,Ltd. Assignor: Wenzhou University Contract record no.: X2023330000379 Denomination of invention: Construction and testing methods for collecting road vibration energy using piezoelectric transducers Granted publication date: 20220118 License type: Common License Record date: 20230705 |
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