一种发电路面压电系统的制作方法
【技术领域】
[0001]本实用新型涉及道路工程以及能量采集技术领域，尤其是涉及一种发电路面压电系统。
【背景技术】
[0002]随着我国道路系统建设日益完善，截止2014年底我国公路总里程已达446.39万公里，其中高速公路将近12万公里，汽车保有量达2.64亿辆。从开放交通到寿命终结，路面将承受几十乃至几百万次车辆荷载作用，车辆荷载冲击、振动路面将会产生非常可观的机械能，道路压电发电提供了将道路冲击、振动机械能转化为电能的可能性，是一种规模可观、可再生的清洁能源，具有巨大的经济和社会效益。
[0003]现阶段关于压电发电路面的研究多围绕压电换能器的研发展开，而对压电发电路面压电系统布设方式的研究鲜有报道。然而压电系统的设计、布设方法，对于压电系统能量的输出具有重要的影响。因此，在发电路面领域亟需解决的技术问题是提供一种与道路耦合性高且压电发电性能优良的压电系统布设方法。
【发明内容】
[0004]本实用新型所要解决的技术问题在于针对道路压电发电的特点，提供一种发电路面压电系统布设方法，其结构简单，施工方便，发电性能好，能量收集率高，实用性强，可广泛用于高速公路、城市道路和特殊地区道路以及旧路改造。
[0005]为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是:
[0006]一种发电路面压电系统，包括压电单元，所述的压电单元包括压电元件、铜板、橡胶垫及环氧树脂圈，其中铜板位于橡胶垫上方，压电元件设置一个以上，位于在铜板和橡胶垫之间；环氧树脂圈设置在压电元件周围，并将铜板、橡胶垫以及压电元件固结在一起。
[0007]进一步地，所述的压电系统还包括整流滤波装置、DC/DC变换器以及储能装置，所述的压电元件上引出的导线连接至整流滤波装置，整流滤波装置装置依次连接DC/DC变换器和储能装置。
[0008]进一步地，所述的铜板的上表面开设有一个以上的应力吸收槽，应力吸收槽以铜板的中心点处为中心开设，应力吸收槽为圆形槽、环形槽或条形槽。
[0009]进一步地，所述的橡胶垫上穿过橡胶垫设置有一对孔洞，用于通过压电元件上引出的导线。
[0010]进一步地，所述的压电单元埋设在路面的上面层、下面层或者上下面层之间开设的安装槽中。
[0011]进一步地，所述的安装槽的槽壁与槽底之间为倒圆角结构，在安装槽的槽底中开设有用于通过压电元件上引出导线的导线槽。
[0012]进一步地，所述的路面压电系统中，由多个压电单元并联构成压电单元带，单条或多条压电单元带构成压电单元组，压电单元组对称分布于车道中轴线两侧，压电单元带的布设方向与车道中轴线平行，相邻的两个压电单元带中对应的两个压电单元之间的连线与车道中轴线垂直或呈锐角。
[0013]进一步地，所述的压电单元组与车道中轴线之间的距离为L1，同一个压电单元带中相邻的两个压电单元在道路长度方向上的间距为L3，相邻的两个压电单元带中对应的两个压电单元之间在道路宽度方向上的间距为分别为L2，则有L3>L1>L2。
[0014]本发明与现有技术相比具有以下优点:
[0015]1、本实用新型将压电元件进行封装处理，提高了压电元件承受荷载的能力，相对增加了压电元件的形变量，提高了力-电转换效率，能够充分利用道路冲击、振动机械能。
[0016]2、本实用新型充分考虑了压电单元埋设与道路结构的耦合性，优化了压电单元及其线路的埋设方式，保证了压电发电路面结构耐久性，有效控制了压电单元的置入对路用性能的不利影响。
[0017]3、本实用新型充分考虑了车辆类型及其轮迹带分布特性与压电单元纵横向阵列布设的协调性，有效提高了压电发电单元的利用频率，增强了压电发电能量的输出采集效率。
【附图说明】
[0018]图1为压电单元上开设应力吸收槽的结构示意图；
[0019]图2为压电单元封装结构，其中图2 (a)为单片压电元件压电单元结构，图2 (b)为双片压电元件并联压电单元结构，图2(c)为多片压电元件并联压电单元结构；
[0020]图3为路面开设安装槽的结构示意图，其中图3(a)为下面层开槽结构，图3 (b)为上面层开槽结构，图3(c)为上下面层复合开槽结构；
[0021 ] 图4为压电单元埋设示意图，其中图4 (a)为下面层压电单元埋设示意图，图4 (b)为上面层压电单元埋设示意图，图4(c)为上下面层间压电单元埋设示意图；
[0022]图5为压电单元阵列布设方案图，其中图5(a)为横向单排3个压电单元等间距布设示意图，图5(b)为横向单排4个压电单元等间距布设示意图，图5(c)为横向双排3个压电单元等间距布设示意图，图5(d)为与中轴线呈60°单排4个压电单元等间距布设示意图，图5(e)为与中轴线呈45°双排3个压电单元等间距布设示意图。
[0023]图中标号代表:1 一铜板，2—压电元件，3—孔洞，4一导线，5—橡胶垫，6—环氧树脂圈，7—应力吸收槽，8—总线槽，9一安装槽，10—导线槽，12—下面层，13—上面层，14-抗裂贴，15—环氧沥青，100—压电单元。
【具体实施方式】
[0024]压电元件承受荷载能力较低、脆性大，在车辆荷载较大冲击力下极易产生损坏，进而影响其压电性能，而压电元件在路面内又需要一定变形才能产生压电发电效应，故应做好压电元件的封装形式，以满足两方面的需要。相应地，压电元件布设于路面结构内，需对路面进行开槽处理或新建公路时进行预埋，路面开槽形式应保证对路用性能造成尽量小的影响，压电单元的埋置应与道路结构具有良好的耦合性。在道路渠化交通良好的情况下，标准车道宽度3.75m内车辆轮迹的横向分布呈现“双驼峰”型曲线特性，车辆轮迹主要集中于以行车道中轴线为对称轴的两侧各约0.5m宽的路面上，约27%的车道宽度路面上承受60%左右的车辆荷载，同时由于汽车轮载不同、轴距不同、行驶轨迹不恒定，故需针对道路汽车行驶特性建立不同的压电单元纵横向阵列布设方式，以实现压电能量的高效率输出采集。
[0025]遵从上述技术方案，如图1至图5所示，一种发电路面压电系统，包括压电单元100，所述的压电单元100包括压电元件2、铜板1、橡胶垫5及环氧树脂圈6，其中铜板1位于橡胶垫5上方，压电元件2设置一个以上，位于在铜板1和橡胶垫5之间；环氧树脂圈6设置在压电元件2周围，并将铜板1、橡胶垫5以及压电元件2固结在一起。
[0026]上述的压电元件2为PZT或PVDF的一种或者其组合，铜板1采用薄铜板1，最好是铍青铜或磷青铜圆板，覆盖在压电元件2的上方。在铜板1的上表面开设有一个以上的应力吸收槽7，应力吸收槽7以铜板1的中心点处为中心开设，应力吸收槽7为圆形槽、环形槽、条形槽或其他规则、不规则形状槽。如图1所给出的实施例中，应力吸收槽7设置两种:位于中部的圆形槽，以及以铜板1中心点为中心，相互间隔90°对称分布的条形槽，条形槽与圆形槽贯连，且条形槽沿圆形槽的半径方向。设置应力吸收槽7是为了缓冲和消散车辆载荷冲击力，防止压电元件2被压碎破坏。
[0027]橡胶垫5采用硅橡胶或氢化丁晴橡胶制成，位于压电元件2的最下部，用于保护压电元件2并增加其形变量，提高电压输出；橡胶垫5上穿过橡胶垫5设置有一对孔洞3，用于通过压电元件2上引出的导线4。
[0028]环氧树脂圈6起到胶结作用，将压电元件2、铜板1和橡胶垫5胶结成整体，从而形成稳定的压电单元100。铜板1和橡胶垫5在组装时均需要进行打毛粗糙，以便于和环氧树脂圈6或路面结构层中的环氧沥青15、沥青砂浆之间的胶结，保证压电单元100与道路之间具有良好的耦合性。
[0029]压电元件2安装于路面开设的安装槽9中，安装槽9可开设于路面的上面层13、下面层12或者上下面层13、12之间。对于路面开槽方式，针对于新建的沥青路面，可在压路机的碾轮上设置与安装槽9形状相仿的凸起结构，碾轮碾压路面时，凸起结构与路面结构层接触时对结构层挤压，形成安装槽9。对于旧沥青路面，则使用开槽机进行切槽处理，开槽深度受到压电单元100整体高度以及沥青路面结构的影响。安装槽9的槽壁与槽底之间为倒圆角结构而非垂直结构，以增强槽底的抗压能力；在安装槽9的槽底中开设有用于通过压电元件2上引出导线4的导线槽10，导线槽10宽度约为0.5?1cm，导线槽10可一定程度上增加压电单元100的变形，从而更加有利于电能的输出。安装槽9和导线槽10用搓具或燃烧器进行打毛粗糙处理，以保证后续灌入的环氧沥青15或沥青砂浆有良好的胶结作用。
[0030]所述压电单元100埋设于沥青路面结构层中时，先在安装槽9和导线槽10周边涂布环氧沥青15增加粘结力，且兼有防水功效，再将导线4放置于纵向导线槽10中，后将压电单元100整体放置于安装槽9中，特别地若是新建路面还可在上下面层13、12之间布设宽度略大于安装槽9的抗裂贴14，用于预防因压电元件2变形而引起的裂缝扩展。
[0031]压电系统的具体布设方法为，由多个压电单元100并联构成压电单元带，单条或多条压电单元带构成压电单元组，压电单元组对称分布于车道中轴线两侧，压电单元带的布设方向与车道中轴线平行，根据车辆类型及其轮迹带分布特性，相邻的两个压电单元带中对应的两个压电单元100之间的连线与车道中轴线垂直或呈锐角α，如45°、60°等。压电单元带整体为直线型，相邻的两条压电单元带之间平行设置。相邻的两个压电单元带中压电单元100的个数相同，两个相邻的压电单元带中对应的两个压电单元100，如图5 (d)所示的示例中，在车道中轴线左侧，沿道路长度方向从左向右分别为第一条、第二条、第三条和第四条压电单元带，第一条压电单元带的第一个压电单元100和其对应的压电单元100，即第二条压电单元带中第一个压电单元100并不一定在道路沿宽度方向的直线上，二者的连线与车道中轴线之间有