一种钹式沥青路面能量收集系统的制作方法

本发明涉及一种路面能量收集系统，具体涉及一种钹式沥青路面能量收集系统。

背景技术：

道路作为国家重要的基础设施，承担着人员、货物运输等重要功能。道路在使用过程中，每年要承担数十万至百万次的车辆碾压，车辆在道路上行驶引起路面变形和振动，路面产生大量机械能。以一辆6轮货车为例，它通过沥青路面1次，可产生约1j的机械能，这些能量最终会转换成路面的热能释放到空气中，增加路面发生车辙损害的危险。若能利用合适的路面集能装置将由交通轴载振动产生的部分机械能转化为电能，不仅可以产出清洁能源，还能减少由路面振动变形带来的损害，延长道路使用寿命，达到节约能源、保护环境的目的。

日本soundpower公司开发了一种特殊的“发电地板”，他们在东京涉谷火车站铺设四块该地板，平均每个人从45平方厘米的地板上走两次便可产生0.5瓦的电能。2009年，以色列innowattech公司研制出国际上第一条能够进行能量回收的公路。国外学者已成功利用压电效应将机械能转换为电能并进行收集利用，但相关技术仍处于保密阶段。国内针对压电材料和不同的压电结构进行了较多研究，但对机械能的能量转换和收集方面却鲜有报道。

在现有的道路压电能量收集领域，大都采用悬臂梁式的集能装置，该结构形态虽谐振频率较小，但其机械强度较低，结构形式为挠曲结构，在较大冲击荷载下易断裂，使用寿命短。钹式结构的金属端帽可放大竖向应力并将其转换为水平向应力，可承受更大的应力和更高的负载频率，纵使在大荷载环境下也拥有低阻抗、大变形、高承载力的优点，低频荷载条件下仍拥有较好的压电发电性能。多个钹式压电换能器之间采用电学并联方式连接，增加了总电容量，输出电荷量变大，有利于能量的收集。

基于上述优点，本发明公开一种钹式沥青路面能量收集系统。该系统能够将交通轴载振动产生的部分机械能转化为电能并进行收集与利用，在低频荷载条件下仍拥有较好的压电发电性能，减少了由路面振动变形带来的损害，延长了路面集能装置的使用寿命，具有结构简单、制作方便、与路面协同性好，能量转化效率高等优点。

技术实现要素：

(1)技术问题

本发明的目的是公开的一种钹式沥青路面能量收集系统，能够将交通轴载振动产生的部分机械能转化为电能并进行收集与利用，在低频荷载条件下仍拥有较好的压电发电性能，减少了由路面振动变形带来的损害，延长了路面集能装置的使用寿命，具有结构简单、制作方便、与路面协同性好，能量转化效率高等优点。

(2)技术方案

为达到上述目的，本发明采用的技术方案是：

一种钹式沥青路面能量收集系统，其特征在于：包括封装保护装置、多个钹式压电换能器和能量收集电路，所述钹式压电换能器包括压电陶瓷片和上、下表面金属端帽；所述能量收集电路包括全桥整流电路、滤波电容和buck-boost型电路。

优选的，所述压电陶瓷片材质为锆钛酸铅，直径为28～30mm，厚度为1～4mm。

优选的，所述上、下表面金属端帽中部分别向上、下凸起，竖直截面为等腰梯形，两侧与所述的压电陶瓷片用环氧导电胶粘合。

优选的，所述上、下表面金属端帽直径为28～30mm，厚度为0.5～1mm，内腔底面直径为17～21mm，内腔顶面直径为3～5mm，内腔高度为2～3mm，材料选自黄铜。

优选的，所述全桥整流电路包括四个锗二极管。

优选的，所述buck-boost型电路包括一个三极管、一个电感、一个超级电容、一个负载和一个续流二极管。

优选的，所述钹式压电换能器置于封装保护装置中，铺设于沥青路面面层行车道方向，并联于所述能量收集电路。

(3)有益效果

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

1.本发明提供了一种钹式沥青路面能量收集系统，可以有效吸收部分由交通轴载振动产生的机械能并且将该能量转化成电能，能量转化效率高，在低频荷载条件下仍拥有较好的压电发电性能。减少了由路面振动变形带来的损害，延长了道路使用寿命。

2.本发明采用钹式结构的换能器，该结构两端的金属端帽可放大竖向应力并将其转换为水平向应力，可承受更大的应力和更高的负载频率，纵使在大荷载环境下也拥有低阻抗、大变形、高承载力的优点，低频荷载条件下仍拥有较好的压电发电性能。

3.本发明采用的能量收集电路由全桥整流电路、滤波电容和buck-boost型电路组成，可有效将钹式压电换能器产生的交变电压转化为稳定的直流电压且buck-boost型电路可提高能量转换效率，同时提供大小可调节的直流电压。

4.几个钹式换能器之并联于所述能量收集电路，增加了总电容量，输出电荷量变大，有利于能量的收集。

附图说明：

以下附图仅旨在于对本发明做示意性说明和解释，并不限定本发明的范围。

图1是本发明钹式压电换能器的结构示意图；

图2是本发明钹式压电换能器金属端帽结构示意图：

图3是本发明封装保护装置的结构示意图；

图4是本发明能量收集电路图；

图5是本发明钹式沥青路面能量收集系统路面埋设纵断面图。

在附图1～5中，1为钹式压电换能器，2为封装保护装置，3为金属端帽，4为压电陶瓷片，5为导线，6为锗二极管，7为滤波电容，8为三极管，9为电感，10为续流二极管，11为超级电容，12为负载，13为全桥整流电路，14为buck-boost型电路。

具体实施方式

为了对本发明的技术特征、目的和效果有更加清楚的理解，现对照附图说明本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不限于以下具体的实施例。

如图1～5所示，一种钹式沥青路面能量收集系统，包括封装保护装置、多个钹式压电换能器和能量收集电路，所述钹式压电换能器包括压电陶瓷片和上、下表面金属端帽；所述能量收集电路包括全桥整流电路、滤波电容和buck-boost型电路。

所述压电陶瓷片材质为锆钛酸铅，直径为28～30mm，厚度为1～4mm。

所述上、下表面金属端帽中部分别向上、下凸起，竖直截面为等腰梯形，两侧与所述的压电陶瓷片用环氧导电胶粘合。

所述上、下表面金属端帽直径为28～30mm，厚度为0.5～1mm，内腔底面直径为17～21mm，内腔顶面直径为3～5mm，内腔高度为2～3mm，材料选自黄铜。

所述全桥整流电路包括四个锗二极管。

所述buck-boost型电路包括一个三极管、一个电感、一个超级电容、一个负载和一个续流二极管。

所述钹式压电换能器置于封装保护装置中，铺设于沥青路面面层行车道方向，并联于所述能量收集电路。

具体实施中，主要包括以下步骤：

一、钹式压电换能器1和封装保护装置2的制作：

(1)金属端帽3的制作及处理：采用直径为30mm，内腔底面直径为21mm，内腔顶面直径为5mm，内腔高度为3mm的冲压模具，将厚度为1mm的黄铜片或不锈钢片置于冲压模具中，利用冲片机冲压出金属端帽3，用细砂纸将金属端帽3待粘结面的氧化层除去，打磨过程中要用力均匀以减少金属端帽3的变形，用棉签蘸取适量丙酸溶液对打磨后的金属端帽3进行清洗，晒干后准备进行后继处理。

(2)压电陶瓷片4的表面处理：选用直径为30mm，厚度为2mm的锆钛酸铅压电陶瓷片4，用细砂纸打磨压电陶瓷片4中间位置和四周边缘，去除表面的氧化层，用真空吸尘器将压电陶瓷片4及金属端帽3表面的碎屑吸除，最后用棉签蘸取适量丙酸溶液对打磨后的区域进行清洗，晒干后准备进行后继处理。

(3)金属端帽3与压电陶瓷片4的粘结：将环氧导电胶均匀地涂在压电陶瓷片4与金属端3的打磨区域上进行粘结。为获得较高的粘结强度，粘接过程中应保证金属端帽3与压电陶瓷片4的粘结区域具有较好的平行度，适加的力度要均匀。环氧导电胶不宜过多，防止流入钹式压电换能器1内腔而影响其发电性能。

(5)将粘结完成的钹式压电换能器1采用夹具夹紧，静置24h成型。

(6)如图3所示的封装保护装置为长方体，内部开设有4个柱状空腔，将成型的钹式压电换能器1置于柱状空腔内，利用电焊笔在金属端帽3的上表面边缘处焊接正面电极。整理导线5，使其不覆盖其他钹式压电换能器的金属端帽，从各换能器之间的间隔中通过。

(7)将室温硫化硅橡胶均匀的涂在钹式压电换能器1和封装保护装置2的上表面，充分填充于两者上表面和空隙处。

(8)待上表面室温固化24h后，重复步骤(6)、(7)进行下表面的封装，待下表面室温固化24h。

二、能量收集电路的制作：

(1)图4所示为本发明的能量收集电路图。四个锗二极管6组成两条串联电路并联在支路上构成全桥整流电路13。

(2)将完成固化的封装保护装置2并联在全桥整流电路13两端，滤波电容7并联在全桥整流电路13ab两端。钹式压电换能器的输出电压为交变电压，经过全桥整流电路13后变为直流电，再通过滤波电容7获得稳定的直流电。

(3)超级电容11和负载12并联，续流二极管10的正极与超级电容11的负极相连，负极与电感9相连，三极管的发射极与电感9相连，集电极与滤波电容7相容，以上组成buck-boost型电路14。利用buck-boost型电路14对经过滤波后得到的直流电进行变换获得大小可以调节的直流电。

二、能量收集系统的铺设：

用铣刨机在路面轮积带处铣刨出若干尺寸大于封装保护装置2的浅槽，清理整平底部，在底部均匀铺设厚度为1cm的沥青砂作找平层，找平后将压电能量收集装置放置于浅槽中。采用切割机切缝作为电缆线槽，将压电能量收集装置中的导线至于电缆线槽中。采用填缝料填充压电能量收集装置与浅槽的空隙，并填充电缆线槽。采用并联方式将若干压电能量收集装置并联连接在能量收集电路上，进行后续的能量收集与利用。

对于本领域的技术人员来说，可根据以上技术方案以及构思，做出其他各种相应的改变以及变形，而所有的这些改变和变形均应包含在本发明的保护范围之内。