用于生成和分配來自壓電材料的能量的系統的制作方法
【專利摘要】本發明涉及由壓電材料產生能量的系統，主要應用于在交通系統中提供能量。本發明降低了與在道路或車輛和行人交通系統中實施壓電系統相關的成本，這是因為在某些情況下它們制造成模塊。其特征在于系統包括產生電能的壓電材料，用于所述的產生的電能的傳輸網絡和用于整流電流以進行調整和其后續傳輸的裝置。
【專利說明】用于生成和分配來自壓電材料的能量的系統
【技術領域】
[0001]本發明總體涉及通過壓電材料發電和配電的膜系統，具體涉及道路系統中的發電。
【背景技術】
[0002]壓電是某些晶體材料經受某些外加機械應力時產生與外加機械應力成比例的電荷的能力。所述行為是Pierre and Jacques Curie在19世紀發現的。現今,所述材料在工業規模上被廣泛的應用。絕大多數是其晶體結構中含有鉛的陶瓷制品。
[0003]例如壓縮或甚至給壓電材料施加機械應力的效果改變了分子的偶極矩，因此產生電勢差或電壓，因而將機械能轉化為電能。文獻中已經報道了外加應力和產生的電勢差之間本質上是線性的關系。美國專利N0.7.830.071B2指出在所述材料中逆效應也是有效的，也就是施加的電勢差可以轉化為所述壓電材料的形態變化。
[0004]傳統上壓電材料產生小電壓，因此它們通常用作例如美國專利7.075.215中所述的傳感器。然而，為了用作電源而創造具有能夠產生大量能量的能力的設置的壓電系統受到人們的極大關注。
[0005]現有技術中發現了用于所述目的的多個壓電材料的配置。然而，例如美國專利7，304，416B2所述，大多數情況下這些結果不太有效率，其具有低的耐久性，并且需要非常復雜的安裝過程。
[0006]在開發大規模的壓電式發電系統，尤其是將其在道路系統中實施的過程中，在施工技術方面產生了多種困難。其中一個困難是模塊化系統的實施，考慮到裝配元件的數量，該模塊化系統需要高成本和安裝時間。
[0007]因此，在提供有效的解決方案從位于道路系統中的壓電換能器獲得能量方面存在潛在的和未得到滿足的需要。
【發明內容】
[0008]本發明公開了從壓電材料的陣列壓電式發電和配電的系統，其本質上設計為通過給所述材料施加機械作用而有效地產生能量。本發明的壓電材料包含以下內容:
[0009]本發明的其中一個目的是降低與在道路或車輛和步行交通系統中實施壓電系統相關的成本，該壓電系統在一些情況下制造為模塊，例如US2010/0045111公開的一個，因此制造一個單獨的毯層(carpet)或一些膜類型的模塊化毯層部分，其內部具有連接件和導體的陣列，該陣列將由任何壓電材料的變形產生的電脈沖傳輸至電子整流單元，并最終傳輸至配電或蓄電系統。
[0010]與現有技術相比，本發明公開了一種壓電式發電和配電系統，在其優選的實施例中包含由壓電材料的陣列構成的膜模塊化系統。所述膜具有由任何傳輸電脈沖的導電材料制成的導體的陣列，該電脈沖由施加給壓電材料的任何機械作用產生，也就是運動、扭轉、壓力或產生電脈沖的任何材料變形，即壓電材料的特性效果。[0011]與使用彈簧系統和復雜的導體網絡系統的其他發明相比，在使用膜的本發明的一實施例中，加工基元(manufacturing element)由具有熱記憶效應的聚合物構成,其內部包括用于供電的導電材料的陣列。本發明的模塊化膜提供安裝方面的技術優勢以及當開發大規模的壓電式發電系統時的技術優勢。
[0012]在本發明的一實施例中，壓電材料與傳輸由施加給壓電材料的任何機械作用產生的電脈沖的正極性和負極性導體連接。
[0013]在本發明的其中一個優選實施例中，壓電材料可以構造為模塊化膜形狀的η X η矩陣，模塊化膜由涂覆有壓電材料的柔性熱塑性塑料材料制成。本發明的膜具有正極性和負極性導體的陣列，該導體將由施加給壓電材料的機械作用——也就是運動、扭轉、壓力、或產生應力和產生電脈沖的任何材料變形——產生的電脈沖傳輸至電子整流系統。
[0014]在本發明的其中一個實施例中，壓電材料設置為用于發電和配電的壓電材料的陣列，包含:(i)柔性模塊化膜上的壓電材料的矩陣。所述陣列可以由數層熱塑性塑料聚合物材料組成；(ii)每個矩陣陣列產生的壓電電能的傳輸網絡，其中所述網絡包含與每個陣列功能地連接的、負極和正極并聯的導電材料的布置；以及(iii)至少一個用于由所述壓電材料產生的壓電電能的調節和傳輸的電流整流裝置。
[0015]本發明可以隨著其在道路建設系統的混凝土和浙青道路中實施時所使用的方法而變化。
[0016]通過以下詳細的說明，本發明的其它目的和優勢將更加明顯。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0017]圖1顯示了用于壓電式發電的膜發電系統。
[0018]圖2顯示了壓電膜系統的細節圖。
[0019]圖3顯示了生成的壓電輸電網絡及其與膜的連接的視圖。
[0020]圖4顯示了安裝在道路系統中的用于壓電式發電的膜系統的視圖。
[0021]圖5顯示了安裝在道路系統中的用于壓電式發電的膜系統的視圖。
[0022]圖6顯示了膜類型的系統的柔性特性的視圖。
[0023]圖7顯示了膜的實施例的矩陣陣列的視圖。
[0024]圖8顯示了另一膜的實施例的另一矩陣陣列的視圖。
[0025]圖9顯示了如何將膜安置在道路上的視圖。
[0026]圖10顯示了如何將膜安置在道路上的另一視圖。
【具體實施方式】
[0027]本發明公開了由壓電材料來壓電式發電和配電的系統，其實質上設計為通過給所述材料施加的機械作用來有效地產生能量。
[0028]壓電材料的陣列制造成具有正極性和負極性導體的膜形狀，正極性和負極性導體將由施加給壓電材料的機械作用——也就是運動、扭轉、壓力或能夠產生電脈沖的任何材料變形一所產生的電脈沖傳遞到電子整流系統。
[0029]具體地參照圖1，本發明的膜(5)是具有很小的厚度和幾乎沒有彎曲剛度的結構元件。該膜(5)分層制造，其中所述層可以為一層結合在另一層上。在優選實施例中，使用兩層的結構，一層是頂層，另一層是底層，其中所有層由熱記憶效應聚合物制成。
[0030]如圖2所示，模塊化膜包括數個單元，該單元包含空腔(I )，該空腔(I)含壓電單元
(8)并具有大致圓柱形形狀。另外，膜具有一系列排布于膜上的、連接壓電單元(8)的連接件，這允許產生和分配由所述壓電單元產生的電力。
[0031]圖1顯示了本發明的其中一個膜實施例的陣列的表層結構，其中顯示了膜(5)的空腔(1)，空腔(I)里面包括壓電單元(8)和連接件(4a和4b)(圖2和圖3所示)。
[0032]圖1指出了本發明的膜(5)的一實施例，其中顯示了位于膜(5)的表層的一系列連接件(4a和4b)。所述連接件(4a和4b)將來自壓電單元(8)的能量輸送至分別位于均為負極的每行空腔(I)之間以及均為正極的每行空腔(I)之間的第二連接件(3a和3b)，并從這里輸送至將能量輸送至電流整流模塊(6)的膜的兩個第三橫向連接件(2a和2b)。
[0033]用于制造膜層的材料由其形狀可以是熱致的任何天然或合成的聚合物制成，例如:聚合物或合成橡膠，其是任何類型的天然來源的或人造來源的的人造彈性體，例如苯乙烯、丁二烯、3- 丁二烯、2-甲基-1，3- 丁二烯、2-氯-1，3- 丁二烯、異丁烯。涂覆膜(5)的外層優選由熱記憶效應聚合物構成，它們可以變形和隨后恢復至其初始形狀，傳遞由經過膜
(5)的車輛的重量引起的變形產生的電能。
[0034]本發明的模塊化膜便于大規模的壓電式發電系統的安裝和加工。本發明允許降低與在道路或行人和車輛運輸系統中實施壓電系統相關的成本。本發明的膜可以制成為毯層或數個膜類型的模塊化毯層部分，其內部結構由一批傳遞由施加給壓電材料陣列的任何部分的任何機械作用所產生的電脈沖的連接件和導體構成。產生的電勢向電子整流單元傳導并最終傳導至配電或蓄電系統。
[0035]在本發明的膜用于浙青或混凝土地面中的那些實施例中，當布置膜同時放置浙青或混凝土材料時，也就是在道路的施工階段的過程中，執行用于發電的設置。由于在道路建設階段和在道路上安裝壓電膜的過程中的模塊性，本發明的壓電材料膜提供了安裝的速度和簡易性上的優勢。
[0036]本發明的膜允許在每面積/表面單位中包括大量的壓電單元，這就保證了車輛在安裝完成的道路上運輸的過程中由壓電材料和道路上的車輛之間的接觸面積導致的更大比例的激活。因為本發明允許在道路上安裝大量的壓電膜，這方便和降低獲取能量時的成本，這也允許獲取道路系統中的活動的信息。因此，可以獲得關于在道路上的車輛的重量、速率和其它動態測量值的精確數據的信息，而且，這些數據從每個壓電材料的電壓生成中獲得。
[0037]通過對應于η X η矩陣陣列的空腔(I)的數量得出膜(5)的尺寸，其中η隨著道路的尺寸或將要安裝的用于發電的面積而變化。每個空腔(I)之間的距離可以根據發電需要而變化(空腔越多，系統具有的單位區域的發電能力越大)，因為它將直接依賴于道路面積、道路長度、安裝該系統處的地理位置、道路安裝時間和道路建設過程中的天氣條件。
[0038]圖2和圖3詳細顯示了位于膜(5)的空腔(I)內部的壓電單元(8)，其中空腔(I)的底部(9a)至它的外表面(9b)的距離可以隨著的位于凸起內部的壓電單元(8)中的壓電材料的數量和大小而改變。優選將膜內的所有嵌入式材料涂覆納米涂層，該涂層水密封了所有表面因此使材料免受任何由濕氣或水引起的情況。壓電材料(8)的數量和尺寸取決于在道路基礎設施的項目設置內應用的類型。[0039]如前所述，壓電材料可以根據它們的使用和應用由多層制成。在本發明不同的實施例中，壓電材料可以包含一定尺寸的晶體，當壓電材料是正方形時該晶體大約為I平方厘米，厚度大約為2毫米并具有多個微層的子結構。在一優選實施例中，微層可以是500或更多。這些壓電材料可以產生介于0.2伏至100伏之間的電勢。
[0040]圖2和圖3顯示了壓電單元(8)可能具有的至少兩個幾何實施例。圖2顯示了壓電單元(8)是圓柱形的實施例，圖3顯示了壓電單元(8)是矩形的實施例。在其它實施例中，壓電單元(8)的幾何結構可以是任何其它形狀，只要其兩個面的面積比其它面的面積大。在圖2所示的實施例中，壓電單元(8)的負極和正極通過焊點附接于導體，該導體可以是銅、金、鋁或任何其它導體材料(7a)和(7b)。壓電單元(8)之間的連接點由到用于正極面(Ila)和用于負極面(Ilb)的任何導電材料細絲的焊點制成。連接件將電流傳遞至終止于連接件網絡(4a)和(4b)的連接處的其它連接件(IOa)和(10b)。參照圖3，壓電單元(8)的兩極通過焊點附接于用于正極(Ilc)和用于負極(Ild)的任何導電材料的細絲，它們終止于用于正電流和負電流的連接件網絡(4a)和(4b)的連接處。
[0041]對于用于重量級運輸的道路系統，可以減少壓電材料的層，相反，對于用于輕量級車輛的道路系統可以增加壓電材料的層的數量。至于混合交通道路系統(重量級車輛和輕量級車輛)，壓電材料的層的陣列可以插入在nax Ii1的空腔矩陣(I)(見圖7)的較大尺寸和較小尺寸之間，其中Ii1空腔(I)對應于針對重量級車輛設計的所有的壓電陣列，其中na空腔(Ia)對應于針對輕量級車輛的所有的壓電陣列。
[0042]圖8顯示了道路運輸通常均勻情況下的方案，其中η空腔(I)的幾何結構在整個膜中用在了相似數字的嵌入式壓電材料上。
[0043]圖4和圖5分別顯示了用于公共和私人道路的道路基礎設施系統中的膜(5)布局的實施例。圖4顯示了膜是如何并入基于的混凝土、浙青或用于道路建設的其它材料道路基礎設施系統中的，其中均質的固體基礎(12a)包含任何道路基礎設施中使用的建設材料。層(12b)的下面是由塑性或熱塑性塑料聚合物制成的第三層(13)，它的功能是當每個車輛經過時為膜(5)提供穩定性，將重量分配在每個空腔(I)上的更充足的區域中。層(13)還保護電壓整流模塊(6)和它的正極和負極連接組件(14a和14b)。連接件(14a和14b)通過朝向集電和輸電系統的、由圓錐形PVC材料覆蓋的開口(15)被導向道路的外部。
[0044]為了在運輸和安裝過程中多樣性的目的，圖6顯示了其中顯示膜(5)的柔韌性的系統。同樣地，相比于其它發電系統，膜類型的系統具有競爭優勢，由于該膜由層制成并與壓電材料、電流整流單元和傳輸產生的電流和信號的連接件組裝在一起，膜類型的系統在短時間內可以大規模的制造和生產，。
[0045]圖9和圖10顯示了本發明的膜系統在基于浙青、混凝土或任何其它在道路系統中使用的材料的基礎設施中的安裝過程的方案。圖9顯示了被認為是壓電材料的應用客體的區域。首先，必須移除顯示為(12a)的粒料基層中的浙青層，目的是隨后將膜(5)安置作為所述區域上的毯層。在道路(18)已經制成的情況下，膜(5)必須安裝在粒料基層上(粒料基層是所述的混合了巖石的砂粒并由柔性塑性材料覆蓋的地面)，目的是隨后將膜(5)作為毯層布置。如果正在建設，就不需要準備道路或任何材料切割，而是將膜簡單地布置在道路的建設層之間。
[0046]圖10顯示了沿著道路上選擇的區域進行的膜的安置。一旦準備好道路，必須以兩極準備與道路兩側的整流系統連接的方式預先安裝連接件(14a)和(14b)。一旦膜(5)安裝作為毯層，在連接件(14a)和(14b)的正極和負極與整流單元(6)間產生連接點的連接，整流單元(6)可以根據根據所需的應用類型嵌入或位于浙青、混凝土或任何其它的在道路基礎設施中使用的元件的上面。
[0047]一旦將膜(5)毯層布置于道路上，根據道路建設操作標準，有可能將高度柔韌的環氧樹脂材料(epoxy highly flexible material)倒入位于膜(5)上的熱塑性塑料(13)材料層，目的是保證壓電單元(8)中的每一個上的重量的均勻性，該過程之后進行浙青或混凝土(12b)工序，目的是完全覆蓋膜(5)。
[0048]用于制造連接件的材料其中包括:銀、銅、金、鋁、鎳、鋅、黃銅、鐵、磷、青銅、錫、鉛、鎳鋁青銅、鋼、離子液體/電解質、銅酸鹽鈣鈦礦和陶瓷衍生物，該連接件轉移由壓電材料的正極和負極產生的電能并嵌入在膜內。
[0049]用作晶體或壓電陶瓷的材料可以包括以下材料:鋯酸鹽、鈦酸鋇、鈦酸鉛、鎂、鈮酸鹽、陶瓷衍生物、鈦酸鋅鉛、銀酸鎂鉛、鑭鈦酸鉛(lead-lantanate-titanate)、晶體鈦酸鉛、鎂、單晶鈮酸鹽、鈦酸鉛、鈮酸鋅、鈦酸鋇、鍶、鈮酸鋇、鈮酸鋰、鉭酸鋰、鈮酸鋇、鉛、聚偏氟乙烯、聚酰胺、納米管、合成的或碳基天然結構的薄片或電橋、氧化鋅薄片或電橋。
[0050]用于道路建設過程的、有可能執行本發明的有效利用的材料是:抗涂鴉橋梁支座涂料潤滑劑(ant1-graffiti bridge bearing coating lubricant)、娃酮密封膠、鋼結構橋式涂料、裂縫密封膠、支持彈性體、膨脹潤滑膠、鉛保護漆、水密封系統、表面處理系統、聲音和染色劑阻擋型木材、浙青毯層、浙青乳劑、浙青試劑、道路添加劑、檢定來源的水泥和混合水泥(cement and mixed cement certified sources)、檢定來源的粉煤灰(fly ashcertified sources)、鋼廠廢洛(steel mill sludge)、混凝土添加劑、爐洛源、混凝土錨錠(concrete anchors)、灌燒混凝土、混凝土外加劑、混凝土添加劑、混凝土、環氧樹脂材料、脫模劑、用于維修的硬化材料、特殊表面處理系統、濕度密封膠聚合物裝置(humiditysealant polymeric sets)、粘合劑、鍍鋅電極修補漆和任何其它由美國運輸部(DOT)認可的材料。
[0051]用于由壓電材料產生的電勢的整流系統可以包含任何電子元件或系統，其允許對高電壓和大電流的整流，目的是整流AC (交流)或DC (直流)電流，例如本領域通常使用的電壓整流器。在優選實施例中，可以使用包括積累由壓電材料產生的電勢的電容器、用于整流產生的信號的二極管陣列、和線圈或電感器的電子電路，以便積累產生的電勢。
[0052]本發明的發電系統能夠供給發電和配電環境中的一些類型的系統，即:
[0053]1.給街道照明系統供電；
[0054]2.給街道安全系統供電，例如給檢測相機、速度檢測相機、運動相機、一般光式樣、紅外相機、熱視覺相機、夜視覺相機等；
[0055]3.給傳感器供電，其中包括任何類型的多重物理事件的傳感器；
[0056]4.給道路基礎設施工程附近位置的基礎設施供電；
[0057]5.供給AC或DC發電機；以及
[0058]6.由車輛產生的電能的傳輸輸送至車輛交通道路附近建設的輸電基礎設施。
[0059]本發明的壓電材料的使用允許提供來自輸電的應用，S卩:道路基礎設施系統中的重量的檢測、道路基礎設施中容量的檢測、道路基礎設施中溫度的檢測、道路基礎設施中PH的檢測，以及道路基礎設施中速度的檢測。
[0060]同樣地，可以同樣地推導出通過本發明的壓電材料的輸電的智能應用，S卩:用于檢測道路破壞性事件(道路基礎設施的區段或區域的破壞)的系統和先進的方法、由機動車輛引起的事故預測方法和系統、速度限制的預防方法和系統、道路表面信號系統和方法、wif1、藍牙、紅外、RFID (無線射頻識別)、GPS (全球定位系統)、GPRS (通用分組無線業務)通信系統，以及其它用于實時數據傳輸的選擇。
[0061]實施例
[0062]將本發明置于僅具有單車道(3.5米寬)的道路上，其中壓電模塊化膜沿著一公里長度嵌入。每個模塊化膜的尺寸制造為3.3米寬、15米長，達到平均為67個完整的膜單元，其具有67個電流整流單元、分配和儲存由67個膜單元產生的電力的系統。
[0063]每公里的安裝的膜中總共包含12，000個壓電晶體，每個晶體的尺寸為I平方厘米、2毫米厚，每個晶體主要含有600個微層，每個微層65微米厚，其中每個微層具有不同的正極和負極。晶體的極性是間生的，一個正極和一個負極。在平均質量為300千克-50噸的運動過程中，每個晶體上在平均0.5秒的過程中分別產生的能量在0.0005和1.5瓦范圍內。可以整流的每個晶體的電壓在0.2和80伏范圍內，由每個壓電材料與每個連接件的連接引起的電能的損耗在由壓電材料產生的總電能的5-15%的范圍內，當將整流系統與標準電網互相連接時產生的損耗在7-15%的范圍內。系統的能量損失總計在整個系統的5-30%的范圍內。每個壓電元件和其各自的連接件必須涂覆可以由納米結構一直到上述的微觀結構制成的絕緣材料層。
[0064]應當理解的是本發明不被所述的和說明的實施例限制，對本領域技術人員來說顯而易見的是存在不脫離本發明的范圍和精神的變化和可能的修改，本發明僅僅由以下權利要求所限定。
【權利要求】
1.一種使用壓電材料的發電和配電系統,其特征在于,包含: a.多個壓電單元； b.涂覆壓電單元的聚合物材料；以及 c.連接壓電單元的正極和負極端子的網絡。
2.根據權利要求1所述的系統，其特征在于，該系統還具有與網絡連接的整流系統，其校正壓電單元的正極和負極端子之間產生的電勢。
3.根據權利要求1所述的系統，其特征在于，壓電材料和導電材料涂覆有密封劑。
4.根據權利要求1所述的系統，其特征在于，該系統是模塊化的。
5.根據權利要求1所述的系統，其特征在于，聚合物材料包括多個層。
6.根據權利要求1所述的系統，其特征在于，其中一層包含具有熱誘導記憶效應的聚合物。
7.根據權利要求1所述的系統，其特征在于，本系統實施于由選自浙青和混凝土的材料制成的道路結構中。
8.根據權利要求1所述的系統，其特征在于，膜安裝在道路的粒料基層和表面層之間。
9.根據權利要求1所述的系統，其特征在于，壓電材料選自以下材料組成群組:鋯酸鹽、鈦酸鋇、鈦酸鉛、鎂、鈮酸鹽、陶瓷衍生物、鈦酸鋅鉛、鈮酸鎂鉛、鑭鈦酸鉛、晶體鈦酸鉛、鎂、單晶鈮酸鹽、鈦酸鉛、鈮酸鋅、鈦酸鋇、鍶、鈮酸鋇、鈮酸鋰、鉭酸鋰、鈮酸鋇、鉛、聚偏氟乙烯和聚酰胺。
10.根據權利要求1所述的系統，其特征在于，由壓電材料產生的電勢用作以下系統中的電源:重量和速度傳感器、雷達、GPS或GPRS信號傳送器、廣告元件、道路語音和數據傳輸裝置、道路信號裝置、道路照明設施、報警系統、應急系統、空氣質量監測站、電動汽車電源充電器和家用電器充電器。
【文檔編號】H02N2/18GK103959635SQ201280046730
【公開日】2014年7月30日 申請日期:2012年7月25日 優先權日:2011年7月25日
【發明者】埃斯特班·馬林·拉米雷茲 申請人:特雷沃特賽斯公司