一種疊柱式瀝青路面能量收集裝置制造方法
【專利摘要】本發明涉及新能源收集轉化設備領域，特別是涉及一種適用于瀝青混凝土路面的疊柱式瀝青路面能量收集裝置及其用途。本發明提供一種適用于瀝青混凝土路面的疊柱式瀝青路面能量收集裝置，包括水平設置的上表面頂板和下表面頂板，所述上表面頂板和下表面頂板之間為封裝層，所述封裝層中設有一個以上豎直的壓電陶瓷柱單元，所述壓電陶瓷柱單元的頂部與上表面頂板通過金屬片相連，底部與下表面頂板通過金屬片相連，每個壓電陶瓷柱單元均包含若干壓電陶瓷柱本體，所述各壓電陶瓷柱本體之間均設有金屬片。本發明為道路工程與能量收集的結合，提供了一種與瀝青路面協同性好、能量轉化效率高的疊柱式瀝青路面能量收集裝置。
【專利說明】一種疊柱式瀝青路面能量收集裝置
【技術領域】
[0001]本發明涉及新能源收集轉化設備領域，特別是涉及一種適用于浙青混凝土路面的疊柱式浙青路面能量收集裝置及其用途。
【背景技術】
[0002]全球一次能源以可預見耗竭的石化能源為主的能量供應現狀，迫切要求加速可再生能源的發展。浙青混凝土路面中所蘊含的能量作為一種新型可再生的綠色能源，近年來受到廣泛的關注。浙青混凝土路面在行車荷載作用下，會產生應力、應變、變形以及振動等結構響應，從而產生機械能。以一輛60km/h速度行駛的車輛為例，一次標準軸載通過在路面深40mm處所產生的機械能約為0.644J。我國浙青路面約45萬公里，其潛在的可利用能量非常可觀。
[0003]浙青混凝土路面內的機械能可以利用壓電效應進行轉換收集。利用壓電效應把機械能轉換成電能，這在國內外都已進行了研究。以色列海法的因諾瓦公司和海法理工學院聯合科研小組宣布在2008年研制出了一種基于壓電效應的可用于路面的能量收集系統。然而，國外用于道路能量收集的技術尚處于保密，未有任何的技術資料可供直接參考。國內雖然在壓電材料和壓電換能方面研究較多，但是對道路機械能的轉換和收集理論的研究未見相關報道。同時，在道路工程領域，對路面的結構相應的研究主要集中在路面設計、材料、維護等方面，并沒有從能量利用角度進行研究。
[0004]為使得壓電換能器能夠與浙青路面良好地協同工作，同時又能夠產生盡可能多的能量，應用于道路工程領域的壓電換能器必須具有合適的剛度、較高的能量轉化效率以及較大的能量傳輸系數。但通過相關研究發現，現有的壓電換能器或剛度不合適，或能量轉化效率低，或能量傳輸系數小，都無法同時滿足道路能量收集的要求。因此，迫切需要提供一種與浙青路面協同性好、能量轉化效率高的浙青路面能量收集裝置。
【發明內容】
[0005]鑒于以上所述現有技術的缺點，本發明的目的在于提供一種適用于浙青混凝土路面的疊柱式浙青路面能量收集裝置及其用途，用于解決現有技術中問題。
[0006]為實現上述目的及其他相關目的，本發明第一方面提供一種適用于浙青混凝土路面的疊柱式浙青路面能量收集裝置，包括水平設置的上表面頂板和下表面頂板，所述上表面頂板和下表面頂板之間為封裝層，所述封裝層中設有一個以上豎直的壓電陶瓷柱單元，所述壓電陶瓷柱單元的頂部與上表面頂板通過金屬片相連，底部與下表面頂板通過金屬片相連，每個壓電陶瓷柱單元均包含若干壓電陶瓷柱本體，所述各壓電陶瓷柱本體之間均設有金屬片。
[0007]當封裝層中設有兩個以上豎直的壓電陶瓷柱單元時，所述壓電陶瓷柱單元均勻分布于封裝層中。
[0008]優選的，所述封裝層的材料選自橡膠或浙青砂。[0009]優選的，金屬片與壓電陶瓷柱單元、上表面頂板、下表面頂板之間均通過粘結層粘
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[0010]更優選的，所述粘結層選自導電膠或強力膠中的一種或兩種的組合。
[0011]進一步優選的，所述導電膠采用體積電阻率在10_3?10_4Ω.Cm的導電膠；所述強力膠剪切強度大于lOMPa。
[0012]優選的，所述上、下表面頂板互相平行且大小和形狀相同。
[0013]更優選的，所述每個壓電陶瓷柱單元包含2-10個壓電陶瓷柱本體，并由壓電陶瓷柱本體疊加而成。
[0014]更優選的，所述壓電陶瓷柱單元個數為15-25個，高度為lcm-8cm。
[0015]更優選的，所述壓電陶瓷柱本體的材料為PZT-5H壓電陶瓷，高度為0.5cm-2cm,橫截面積為0.15cm2-0.6cm2,所述金屬片材料為方形銅電極,厚度為0.2mm-0.5mm,面積為Icm2-L 7cm2。
[0016]更優選的，所述上、下表面頂板均為圓形鐵板，厚度為水平截面積為356cm2-712cm2。
[0017]當上、下表面頂板均為圓形時，所述壓電陶瓷柱單元以同心圓的分布方式，均勻分布在所述封裝層中。
[0018]進一步優選的，所述封裝層中以頂板的圓心為圓心共設有內、外兩圈壓電陶瓷柱單元，外圈壓電陶瓷柱單元的設置半徑為9.5cm-13.5cm，內圈壓電陶瓷柱單元的設置半徑為5.5cm-7.7cm，此外圓心還設有一個壓電陶瓷柱單元。
[0019]本發明第二方面提供所述疊柱式浙青路面能量收集裝置在浙青混凝土路面能量收集領域的用途。
[0020]本發明第三方面提供一種浙青混凝土路面能量收集方法，所述方法具體為:將所述疊柱式浙青路面能量收集裝置沿行車輪跡帶方向埋設于浙青混凝土路面中，并將各疊柱式浙青路面能量收集裝置與儲能器相連，以收集浙青混凝土路面能量。
[0021]優選的，所述疊柱式浙青路面能量收集裝置的埋設深度為2cm左右。其中，各裝置無間距緊密排列，且相互間并聯于電路上。
[0022]本發明所提供的上述裝置主要用于浙青路面能量的收集，發明人結合有限元模擬和室內實測，結果表明疊柱式浙青路面能量收集裝置能承受0.7MPa的道路中輪-地接觸應力荷載并能產生接近700V的電壓，可以滿足浙青路面荷載要求。疊柱式浙青路面能量收集裝置在經歷20萬次荷載作用后，頂面的豎向變形為Imm左右，與浙青路面的應變差異為10%，同時裝置內部的壓電陶瓷柱單元并沒有發生碎裂現象，表現出了疊柱式浙青路面能量收集裝置良好的協同性和抗疲勞性。
[0023]本發明的有益效果是:采用的疊柱式結構，使得能量收集裝置能夠承受一般行車荷載的作用而不致破壞，并且使得其剛度變化與浙青路面的剛度變化差異小，具有良好的變形協同性，從而減小了對浙青路面性能的影響；壓電材料采用壓電應變常數和壓電電壓常數高的PZT-5H壓電陶瓷，使得能量收集裝置具有較高的能量轉化效率。本發明為道路工程與能量收集的結合，提供了一種與浙青路面協同性好、能量轉化效率高的疊柱式浙青路面能量收集裝置，解決了一般能量收集裝置運用在路面上協同性差、能量轉化效率低的問題。【專利附圖】
【附圖說明】
[0024]圖1顯示為本發明疊柱式浙青路面能量收集裝置結構側視示意圖。
[0025]圖2顯示為本發明疊柱式浙青路面能量收集裝置結構俯視示意圖。
[0026]圖3顯示為本發明疊柱式浙青路面能量收集系統在雙車道浙青道路上的埋設分布圖。
[0027]圖4顯示為本發明疊柱式浙青路面能量收集裝置結構俯視示意圖。
[0028]元件標號說明
[0029]I上表面頂板
[0030]2封裝層
[0031]3壓電陶瓷柱單元
[0032]4 壓電陶瓷柱本體
[0033]5金屬片
[0034]6粘結層
[0035]7 疊柱式浙青路面能量收集裝置
[0036]8下表面頂板
【具體實施方式】
[0037]以下由特定的具體實施例說明本發明的實施方式，熟悉此技術的人士可由本說明書所揭露的內容輕易地了解本發明的其他優點及功效。
[0038]請參閱圖1至圖4。須知，本說明書所附圖式所繪示的結構、比例、大小等，均僅用以配合說明書所揭示的內容，以供熟悉此技術的人士了解與閱讀，并非用以限定本發明可實施的限定條件，故不具技術上的實質意義，任何結構的修飾、比例關系的改變或大小的調整，在不影響本發明所能產生的功效及所能達成的目的下，均應仍落在本發明所揭示的技術內容得能涵蓋的范圍 內。同時，本說明書中所引用的如“上”、“下”、“左”、“右”、“中間”及“一”等的用語，亦僅為便于敘述的明了，而非用以限定本發明可實施的范圍，其相對關系的改變或調整，在無實質變更技術內容下，當亦視為本發明可實施的范疇。
[0039]實施例1
[0040]如圖1所示一種疊柱式浙青路面能量收集裝置，上表面頂板I和下表面頂板8為半徑為Ilcm的圓形,其厚度為5mm。封裝層2的尺寸為底面半徑為Ilcm,高為1.6cm且填充浙青砂的圓柱體。在上表面頂板I和下表面頂板8之間密實布置21個壓電陶瓷柱單元3，其中壓電陶瓷柱單元3由三個壓電陶瓷柱本體4疊加而成，壓電陶瓷柱單元3與表面頂板直接設有金屬片5，各壓電陶瓷柱本體4之間設有金屬片5。壓電陶瓷柱本體4、上表面頂板I和下表面頂板8均通過粘結層6粘合。粘結層6為導電膠和強力膠的組合。壓電陶瓷柱本體4采用PZT-5H壓電陶瓷，高度為5mm，橫截面積為0.196cm2。金屬片5材料為方形銅電極，厚度為0.2mm,面積為1cm2。金屬片5與壓電陶瓷柱單兀3、上表面頂板1、下表面頂板8之間均通過粘結層6粘合，其中壓電陶瓷柱單元3由三個壓電陶瓷柱本體4疊加而成，粘結層6為導電膠和強力膠的組合，導電膠的體積電阻率為8.5*10_4Ω -cm ;強力膠的剪切強度為30MPa。[0041]如圖2所示21個壓電陶瓷柱單元3的布置模式，以上表面頂板I和下表面頂板8的圓心為圓心，按圓形等距分列布置共布置兩列，在半徑為9.5cm的圓上等距布置十二個壓電陶瓷柱單元3，在半徑為5.5cm的圓上等距布置八個壓電陶瓷柱單元3，此外圓心處布置一個壓電陶瓷柱單元3。
[0042]在實施時，按圖3的埋設方式將疊柱式浙青路面能量收集裝置7沿行車輪跡帶方向埋設在浙青混凝土路面深度為2cm處。其中，各裝置無間距緊密排列，且相互間并聯于電路上。
[0043]根據上述說明所制作而成的疊柱式浙青路面能量收集裝置，在MMLS加速加載模擬器0.75MPa的行車荷載作用下，單個壓電陶瓷柱本體4可產生高達700V的電壓。通過進一步計算可得，整個疊柱式浙青路面能量收集裝置在一次行車荷載作用下可產生約1.82mJ的能量。并且在施加20萬次行車荷載作用過程中，疊柱式浙青路面能量收集裝置的能量輸出始終保證穩定，具有良好的抗疲勞性能。
[0044]假設在日均交通流量為10000輛的雙車道一級浙青公路上按圖3所示在1000米路段內埋設上述疊柱式浙青路面能量收集裝置，根據實驗數據計算，那么一天內該路段可產生1460kJ的能量。
[0045]實施例2
[0046]如圖1所示一種疊柱式浙青路面能量收集裝置(除壓電陶瓷柱單元3由四個壓電陶瓷柱本體4構成外，其余結構均與圖1相同)，上表面頂板I和下表面頂板8為半徑為15cm的圓形，其厚度為10mm。封裝層2的尺寸為底面半徑為15cm,高為8cm且填充浙青砂的圓柱體。在上表面頂板I和下表面頂板8之間密實布置15個壓電陶瓷柱單元3，其中壓電陶瓷柱單元3由四個壓電陶瓷柱本體4疊加而成，壓電陶瓷柱單元3與表面頂板直接設有金屬片5，各壓電陶瓷柱本體4之間設有金屬片5。壓電陶瓷柱本體4、上表面頂板I和下表面頂板8均通過粘結層6粘合。粘結層6為導電膠和強力膠的組合。壓電陶瓷柱本體4采用PZT-5H壓電陶瓷，高度為1.9cm，橫截面積為0.6cm2。金屬片5材料為方形銅電極，厚度為0.5mm,面積為1.7cm2。金屬片5與壓電陶瓷柱單兀3、上表面頂板1、下表面頂板8之間均通過粘結層6粘合，其中壓電陶瓷柱單元3由四個壓電陶瓷柱本體4疊加而成，粘結層6為導電膠和強力膠的組合，導電膠的體積電阻率為1.5*10_4Ω.cm ;強力膠的剪切強度為20MPa。
[0047]如圖4所示15個壓電陶瓷柱單元3的布置模式，以上表面頂板I和下表面頂板8的圓心為圓心，按圓形等距分列布置共布置兩列，在半徑為13.5cm的圓上等距布置八個壓電陶瓷柱單元3，在半徑為7.7cm的圓上等距布置六個壓電陶瓷柱單元3，此外圓心處布置一個壓電陶瓷柱單元3。
[0048]在實施時，按圖3的埋設方式將疊柱式浙青路面能量收集裝置7沿行車輪跡帶方向埋設在浙青混凝土路面深度為2cm處。其中，各裝置無間距緊密排列，且相互間并聯于電路上。
[0049]根據上述說明所制作而成的疊柱式浙青路面能量收集裝置，在MMLS加速加載模擬器0.75MPa的行車荷載作用下，單個壓電陶瓷柱本體4可產生高達1400V的電壓。通過進一步計算可得，整個疊柱式浙青路面能量收集裝置在一次行車荷載作用下可產生約4.2mJ的能量。并且在施加20萬次行車荷載作用過程中，疊柱式浙青路面能量收集裝置的能量輸出始終保證穩定，具有良好的抗疲勞性能。
[0050]假設在日均交通流量為10000輛的雙車道一級浙青公路上按圖3所示在1000米路段內埋設上述疊柱式浙青路面能量收集裝置，根據實驗數據計算，那么一天內該路段可產生2973kJ的能量。
[0051]綜上所述，本發明有效克服了現有技術中的種種缺點而具高度產業利用價值。
[0052]上述實施例僅例示性說明本發明的原理及其功效，而非用于限制本發明。任何熟悉此技術的人士皆可在不違背本發明的精神及范疇下，對上述實施例進行修飾或改變。因此，舉凡所屬【技術領域】中具有通常知識者在未脫離本發明所揭示的精神與技術思想下所完成的一切等效修飾或改變，仍應由本發明的權利要求所涵蓋。
【權利要求】
1.一種適用于浙青混凝土路面的疊柱式浙青路面能量收集裝置，其特征在于，包括水平設置的上表面頂板(I)和下表面頂板(8),所述上表面頂板(I)和下表面頂板之間(8)為封裝層(2)，所述封裝層(2)中設有一個以上豎直的壓電陶瓷柱單元(3)，所述壓電陶瓷柱單元(3 )的頂部與上表面頂板(I)通過金屬片(5 )相連，底部與下表面頂板(8 )通過金屬片(5)相連，每個壓電陶瓷柱單元(3)均包含若干壓電陶瓷柱本體(4)，所述各壓電陶瓷柱本體(4)之間均設有金屬片(5)。
2.如權利要求1所述的一種適用于浙青混凝土路面的疊柱式浙青路面能量收集裝置，其特征在于，所述封裝層(2)的材料選自橡膠或浙青砂。
3.如權利要求1所述的一種適用于浙青混凝土路面的疊柱式浙青路面能量收集裝置，其特征在于，金屬片(5)與壓電陶瓷柱單元(3)、上表面頂板(I)、下表面頂板(8)之間均通過粘結層(6)粘合。
4.如權利要求3所述的一種適用于浙青混凝土路面的疊柱式浙青路面能量收集裝置，其特征在于，所述粘結層(6)選自導電膠或強力膠中的一種或兩種的組合。
5.如權利要求1所述的一種適用于浙青混凝土路面的疊柱式浙青路面能量收集裝置，其特征在于，所述上表面頂板(I)和下表面頂板(8)互相平行且大小和形狀相同。
6.如權利要求5所述的一種適用于浙青混凝土路面的疊柱式浙青路面能量收集裝置，其特征在于，所述壓電陶瓷柱單元(3)的個數為15-25個，高度為lcm-8cm，每個壓電陶瓷柱單元(3)包含2-10個壓電陶瓷柱本體(4)，并由壓電陶瓷柱本體(4)疊加而成，所述壓電陶瓷柱本體(4)的材料為PZT-5H壓電陶瓷，高度為0.5cm-2cm，橫截面積為0.15cm2-0.6cm2，所述金屬片(5)材料為方形銅電極,厚度為0.2mm-0.5mm,面積為Icm2-L 7cm2。
7.如權利要求6所述的一種適用于浙青混凝土路面的疊柱式浙青路面能量收集裝置，其特征在于，所述上表面頂板(I)和下表面頂板(8)均為圓形鐵板,厚度為水平截面積為356cm2-712cm2，所述封裝層(2)中以頂板的圓心為圓心共設有內、外兩圈壓電陶瓷柱單元，外圈壓電陶瓷柱單元的設置半徑為9.5cm-13.5cm，內圈壓電陶瓷柱單元的設置半徑為5.5cm-7.7cm，此外圓心還設有一個壓電陶瓷柱單元。
8.如權利要求1-7任一權利要求所述的疊柱式浙青路面能量收集裝置在浙青混凝土路面能量收集領域的用途。
9.一種浙青混凝土路面能量收集方法，所述方法具體為:將權利要求1-7任一權利要求所述的疊柱式浙青路面能量收集裝置沿行車輪跡帶方向埋設于浙青混凝土路面中，并將各疊柱式浙青路面能量收集裝置與儲能器相連，以收集浙青混凝土路面能量。
10.如權利要求9所述的一種浙青混凝土路面能量收集方法，其特征在于，所述疊柱式浙青路面能量收集裝置的埋設深度為2cm左右。
【文檔編號】H02N2/18GK103956934SQ201410129915
【公開日】2014年7月30日 申請日期:2014年4月1日 優先權日:2014年4月1日
【發明者】趙鴻鐸, 楊戈, 凌建明, 陶宇杰, 覃路遙 申請人:同濟大學