用于生成和分配来自压电材料的能量的系统的制作方法
【专利摘要】本发明涉及由压电材料产生能量的系统，主要应用于在交通系统中提供能量。本发明降低了与在道路或车辆和行人交通系统中实施压电系统相关的成本，这是因为在某些情况下它们制造成模块。其特征在于系统包括产生电能的压电材料，用于所述的产生的电能的传输网络和用于整流电流以进行调整和其后续传输的装置。
【专利说明】用于生成和分配来自压电材料的能量的系统
【技术领域】
[0001]本发明总体涉及通过压电材料发电和配电的膜系统，具体涉及道路系统中的发电。
【背景技术】
[0002]压电是某些晶体材料经受某些外加机械应力时产生与外加机械应力成比例的电荷的能力。所述行为是Pierre and Jacques Curie在19世纪发现的。现今,所述材料在工业规模上被广泛的应用。绝大多数是其晶体结构中含有铅的陶瓷制品。
[0003]例如压缩或甚至给压电材料施加机械应力的效果改变了分子的偶极矩，因此产生电势差或电压，因而将机械能转化为电能。文献中已经报道了外加应力和产生的电势差之间本质上是线性的关系。美国专利N0.7.830.071B2指出在所述材料中逆效应也是有效的，也就是施加的电势差可以转化为所述压电材料的形态变化。
[0004]传统上压电材料产生小电压，因此它们通常用作例如美国专利7.075.215中所述的传感器。然而，为了用作电源而创造具有能够产生大量能量的能力的设置的压电系统受到人们的极大关注。
[0005]现有技术中发现了用于所述目的的多个压电材料的配置。然而，例如美国专利7，304，416B2所述，大多数情况下这些结果不太有效率，其具有低的耐久性，并且需要非常复杂的安装过程。
[0006]在开发大规模的压电式发电系统，尤其是将其在道路系统中实施的过程中，在施工技术方面产生了多种困难。其中一个困难是模块化系统的实施，考虑到装配元件的数量，该模块化系统需要高成本和安装时间。
[0007]因此，在提供有效的解决方案从位于道路系统中的压电换能器获得能量方面存在潜在的和未得到满足的需要。
【发明内容】
[0008]本发明公开了从压电材料的阵列压电式发电和配电的系统，其本质上设计为通过给所述材料施加机械作用而有效地产生能量。本发明的压电材料包含以下内容:
[0009]本发明的其中一个目的是降低与在道路或车辆和步行交通系统中实施压电系统相关的成本，该压电系统在一些情况下制造为模块，例如US2010/0045111公开的一个，因此制造一个单独的毯层(carpet)或一些膜类型的模块化毯层部分，其内部具有连接件和导体的阵列，该阵列将由任何压电材料的变形产生的电脉冲传输至电子整流单元，并最终传输至配电或蓄电系统。
[0010]与现有技术相比，本发明公开了一种压电式发电和配电系统，在其优选的实施例中包含由压电材料的阵列构成的膜模块化系统。所述膜具有由任何传输电脉冲的导电材料制成的导体的阵列，该电脉冲由施加给压电材料的任何机械作用产生，也就是运动、扭转、压力或产生电脉冲的任何材料变形，即压电材料的特性效果。[0011]与使用弹簧系统和复杂的导体网络系统的其他发明相比，在使用膜的本发明的一实施例中，加工基元(manufacturing element)由具有热记忆效应的聚合物构成,其内部包括用于供电的导电材料的阵列。本发明的模块化膜提供安装方面的技术优势以及当开发大规模的压电式发电系统时的技术优势。
[0012]在本发明的一实施例中，压电材料与传输由施加给压电材料的任何机械作用产生的电脉冲的正极性和负极性导体连接。
[0013]在本发明的其中一个优选实施例中，压电材料可以构造为模块化膜形状的η X η矩阵，模块化膜由涂覆有压电材料的柔性热塑性塑料材料制成。本发明的膜具有正极性和负极性导体的阵列，该导体将由施加给压电材料的机械作用——也就是运动、扭转、压力、或产生应力和产生电脉冲的任何材料变形——产生的电脉冲传输至电子整流系统。
[0014]在本发明的其中一个实施例中，压电材料设置为用于发电和配电的压电材料的阵列，包含:(i)柔性模块化膜上的压电材料的矩阵。所述阵列可以由数层热塑性塑料聚合物材料组成；(ii)每个矩阵阵列产生的压电电能的传输网络，其中所述网络包含与每个阵列功能地连接的、负极和正极并联的导电材料的布置；以及(iii)至少一个用于由所述压电材料产生的压电电能的调节和传输的电流整流装置。
[0015]本发明可以随着其在道路建设系统的混凝土和浙青道路中实施时所使用的方法而变化。
[0016]通过以下详细的说明，本发明的其它目的和优势将更加明显。
【专利附图】
【附图说明】
[0017]图1显示了用于压电式发电的膜发电系统。
[0018]图2显示了压电膜系统的细节图。
[0019]图3显示了生成的压电输电网络及其与膜的连接的视图。
[0020]图4显示了安装在道路系统中的用于压电式发电的膜系统的视图。
[0021]图5显示了安装在道路系统中的用于压电式发电的膜系统的视图。
[0022]图6显示了膜类型的系统的柔性特性的视图。
[0023]图7显示了膜的实施例的矩阵阵列的视图。
[0024]图8显示了另一膜的实施例的另一矩阵阵列的视图。
[0025]图9显示了如何将膜安置在道路上的视图。
[0026]图10显示了如何将膜安置在道路上的另一视图。
【具体实施方式】
[0027]本发明公开了由压电材料来压电式发电和配电的系统，其实质上设计为通过给所述材料施加的机械作用来有效地产生能量。
[0028]压电材料的阵列制造成具有正极性和负极性导体的膜形状，正极性和负极性导体将由施加给压电材料的机械作用——也就是运动、扭转、压力或能够产生电脉冲的任何材料变形一所产生的电脉冲传递到电子整流系统。
[0029]具体地参照图1，本发明的膜(5)是具有很小的厚度和几乎没有弯曲刚度的结构元件。该膜(5)分层制造，其中所述层可以为一层结合在另一层上。在优选实施例中，使用两层的结构，一层是顶层，另一层是底层，其中所有层由热记忆效应聚合物制成。
[0030]如图2所示，模块化膜包括数个单元，该单元包含空腔(I )，该空腔(I)含压电单元
(8)并具有大致圆柱形形状。另外，膜具有一系列排布于膜上的、连接压电单元(8)的连接件，这允许产生和分配由所述压电单元产生的电力。
[0031]图1显示了本发明的其中一个膜实施例的阵列的表层结构，其中显示了膜(5)的空腔(1)，空腔(I)里面包括压电单元(8)和连接件(4a和4b)(图2和图3所示)。
[0032]图1指出了本发明的膜(5)的一实施例，其中显示了位于膜(5)的表层的一系列连接件(4a和4b)。所述连接件(4a和4b)将来自压电单元(8)的能量输送至分别位于均为负极的每行空腔(I)之间以及均为正极的每行空腔(I)之间的第二连接件(3a和3b)，并从这里输送至将能量输送至电流整流模块(6)的膜的两个第三横向连接件(2a和2b)。
[0033]用于制造膜层的材料由其形状可以是热致的任何天然或合成的聚合物制成，例如:聚合物或合成橡胶，其是任何类型的天然来源的或人造来源的的人造弹性体，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、异丁烯。涂覆膜(5)的外层优选由热记忆效应聚合物构成，它们可以变形和随后恢复至其初始形状，传递由经过膜
(5)的车辆的重量引起的变形产生的电能。
[0034]本发明的模块化膜便于大规模的压电式发电系统的安装和加工。本发明允许降低与在道路或行人和车辆运输系统中实施压电系统相关的成本。本发明的膜可以制成为毯层或数个膜类型的模块化毯层部分，其内部结构由一批传递由施加给压电材料阵列的任何部分的任何机械作用所产生的电脉冲的连接件和导体构成。产生的电势向电子整流单元传导并最终传导至配电或蓄电系统。
[0035]在本发明的膜用于浙青或混凝土地面中的那些实施例中，当布置膜同时放置浙青或混凝土材料时，也就是在道路的施工阶段的过程中，执行用于发电的设置。由于在道路建设阶段和在道路上安装压电膜的过程中的模块性，本发明的压电材料膜提供了安装的速度和简易性上的优势。
[0036]本发明的膜允许在每面积/表面单位中包括大量的压电单元，这就保证了车辆在安装完成的道路上运输的过程中由压电材料和道路上的车辆之间的接触面积导致的更大比例的激活。因为本发明允许在道路上安装大量的压电膜，这方便和降低获取能量时的成本，这也允许获取道路系统中的活动的信息。因此，可以获得关于在道路上的车辆的重量、速率和其它动态测量值的精确数据的信息，而且，这些数据从每个压电材料的电压生成中获得。
[0037]通过对应于η X η矩阵阵列的空腔(I)的数量得出膜(5)的尺寸，其中η随着道路的尺寸或将要安装的用于发电的面积而变化。每个空腔(I)之间的距离可以根据发电需要而变化(空腔越多，系统具有的单位区域的发电能力越大)，因为它将直接依赖于道路面积、道路长度、安装该系统处的地理位置、道路安装时间和道路建设过程中的天气条件。
[0038]图2和图3详细显示了位于膜(5)的空腔(I)内部的压电单元(8)，其中空腔(I)的底部(9a)至它的外表面(9b)的距离可以随着的位于凸起内部的压电单元(8)中的压电材料的数量和大小而改变。优选将膜内的所有嵌入式材料涂覆纳米涂层，该涂层水密封了所有表面因此使材料免受任何由湿气或水引起的情况。压电材料(8)的数量和尺寸取决于在道路基础设施的项目设置内应用的类型。[0039]如前所述，压电材料可以根据它们的使用和应用由多层制成。在本发明不同的实施例中，压电材料可以包含一定尺寸的晶体，当压电材料是正方形时该晶体大约为I平方厘米，厚度大约为2毫米并具有多个微层的子结构。在一优选实施例中，微层可以是500或更多。这些压电材料可以产生介于0.2伏至100伏之间的电势。
[0040]图2和图3显示了压电单元(8)可能具有的至少两个几何实施例。图2显示了压电单元(8)是圆柱形的实施例，图3显示了压电单元(8)是矩形的实施例。在其它实施例中，压电单元(8)的几何结构可以是任何其它形状，只要其两个面的面积比其它面的面积大。在图2所示的实施例中，压电单元(8)的负极和正极通过焊点附接于导体，该导体可以是铜、金、铝或任何其它导体材料(7a)和(7b)。压电单元(8)之间的连接点由到用于正极面(Ila)和用于负极面(Ilb)的任何导电材料细丝的焊点制成。连接件将电流传递至终止于连接件网络(4a)和(4b)的连接处的其它连接件(IOa)和(10b)。参照图3，压电单元(8)的两极通过焊点附接于用于正极(Ilc)和用于负极(Ild)的任何导电材料的细丝，它们终止于用于正电流和负电流的连接件网络(4a)和(4b)的连接处。
[0041]对于用于重量级运输的道路系统，可以减少压电材料的层，相反，对于用于轻量级车辆的道路系统可以增加压电材料的层的数量。至于混合交通道路系统(重量级车辆和轻量级车辆)，压电材料的层的阵列可以插入在nax Ii1的空腔矩阵(I)(见图7)的较大尺寸和较小尺寸之间，其中Ii1空腔(I)对应于针对重量级车辆设计的所有的压电阵列，其中na空腔(Ia)对应于针对轻量级车辆的所有的压电阵列。
[0042]图8显示了道路运输通常均匀情况下的方案，其中η空腔(I)的几何结构在整个膜中用在了相似数字的嵌入式压电材料上。
[0043]图4和图5分别显示了用于公共和私人道路的道路基础设施系统中的膜(5)布局的实施例。图4显示了膜是如何并入基于的混凝土、浙青或用于道路建设的其它材料道路基础设施系统中的，其中均质的固体基础(12a)包含任何道路基础设施中使用的建设材料。层(12b)的下面是由塑性或热塑性塑料聚合物制成的第三层(13)，它的功能是当每个车辆经过时为膜(5)提供稳定性，将重量分配在每个空腔(I)上的更充足的区域中。层(13)还保护电压整流模块(6)和它的正极和负极连接组件(14a和14b)。连接件(14a和14b)通过朝向集电和输电系统的、由圆锥形PVC材料覆盖的开口(15)被导向道路的外部。
[0044]为了在运输和安装过程中多样性的目的，图6显示了其中显示膜(5)的柔韧性的系统。同样地，相比于其它发电系统，膜类型的系统具有竞争优势，由于该膜由层制成并与压电材料、电流整流单元和传输产生的电流和信号的连接件组装在一起，膜类型的系统在短时间内可以大规模的制造和生产，。
[0045]图9和图10显示了本发明的膜系统在基于浙青、混凝土或任何其它在道路系统中使用的材料的基础设施中的安装过程的方案。图9显示了被认为是压电材料的应用客体的区域。首先，必须移除显示为(12a)的粒料基层中的浙青层，目的是随后将膜(5)安置作为所述区域上的毯层。在道路(18)已经制成的情况下，膜(5)必须安装在粒料基层上(粒料基层是所述的混合了岩石的砂粒并由柔性塑性材料覆盖的地面)，目的是随后将膜(5)作为毯层布置。如果正在建设，就不需要准备道路或任何材料切割，而是将膜简单地布置在道路的建设层之间。
[0046]图10显示了沿着道路上选择的区域进行的膜的安置。一旦准备好道路，必须以两极准备与道路两侧的整流系统连接的方式预先安装连接件(14a)和(14b)。一旦膜(5)安装作为毯层，在连接件(14a)和(14b)的正极和负极与整流单元(6)间产生连接点的连接，整流单元(6)可以根据根据所需的应用类型嵌入或位于浙青、混凝土或任何其它的在道路基础设施中使用的元件的上面。
[0047]一旦将膜(5)毯层布置于道路上，根据道路建设操作标准，有可能将高度柔韧的环氧树脂材料(epoxy highly flexible material)倒入位于膜(5)上的热塑性塑料(13)材料层，目的是保证压电单元(8)中的每一个上的重量的均匀性，该过程之后进行浙青或混凝土(12b)工序，目的是完全覆盖膜(5)。
[0048]用于制造连接件的材料其中包括:银、铜、金、铝、镍、锌、黄铜、铁、磷、青铜、锡、铅、镍铝青铜、钢、离子液体/电解质、铜酸盐钙钛矿和陶瓷衍生物，该连接件转移由压电材料的正极和负极产生的电能并嵌入在膜内。
[0049]用作晶体或压电陶瓷的材料可以包括以下材料:锆酸盐、钛酸钡、钛酸铅、镁、铌酸盐、陶瓷衍生物、钛酸锌铅、银酸镁铅、镧钛酸铅(lead-lantanate-titanate)、晶体钛酸铅、镁、单晶铌酸盐、钛酸铅、铌酸锌、钛酸钡、锶、铌酸钡、铌酸锂、钽酸锂、铌酸钡、铅、聚偏氟乙烯、聚酰胺、纳米管、合成的或碳基天然结构的薄片或电桥、氧化锌薄片或电桥。
[0050]用于道路建设过程的、有可能执行本发明的有效利用的材料是:抗涂鸦桥梁支座涂料润滑剂(ant1-graffiti bridge bearing coating lubricant)、娃酮密封胶、钢结构桥式涂料、裂缝密封胶、支持弹性体、膨胀润滑胶、铅保护漆、水密封系统、表面处理系统、声音和染色剂阻挡型木材、浙青毯层、浙青乳剂、浙青试剂、道路添加剂、检定来源的水泥和混合水泥(cement and mixed cement certified sources)、检定来源的粉煤灰(fly ashcertified sources)、钢厂废洛(steel mill sludge)、混凝土添加剂、炉洛源、混凝土锚锭(concrete anchors)、灌烧混凝土、混凝土外加剂、混凝土添加剂、混凝土、环氧树脂材料、脱模剂、用于维修的硬化材料、特殊表面处理系统、湿度密封胶聚合物装置(humiditysealant polymeric sets)、粘合剂、镀锌电极修补漆和任何其它由美国运输部(DOT)认可的材料。
[0051]用于由压电材料产生的电势的整流系统可以包含任何电子元件或系统，其允许对高电压和大电流的整流，目的是整流AC (交流)或DC (直流)电流，例如本领域通常使用的电压整流器。在优选实施例中，可以使用包括积累由压电材料产生的电势的电容器、用于整流产生的信号的二极管阵列、和线圈或电感器的电子电路，以便积累产生的电势。
[0052]本发明的发电系统能够供给发电和配电环境中的一些类型的系统，即:
[0053]1.给街道照明系统供电；
[0054]2.给街道安全系统供电，例如给检测相机、速度检测相机、运动相机、一般光式样、红外相机、热视觉相机、夜视觉相机等；
[0055]3.给传感器供电，其中包括任何类型的多重物理事件的传感器；
[0056]4.给道路基础设施工程附近位置的基础设施供电；
[0057]5.供给AC或DC发电机；以及
[0058]6.由车辆产生的电能的传输输送至车辆交通道路附近建设的输电基础设施。
[0059]本发明的压电材料的使用允许提供来自输电的应用，S卩:道路基础设施系统中的重量的检测、道路基础设施中容量的检测、道路基础设施中温度的检测、道路基础设施中PH的检测，以及道路基础设施中速度的检测。
[0060]同样地，可以同样地推导出通过本发明的压电材料的输电的智能应用，S卩:用于检测道路破坏性事件(道路基础设施的区段或区域的破坏)的系统和先进的方法、由机动车辆引起的事故预测方法和系统、速度限制的预防方法和系统、道路表面信号系统和方法、wif1、蓝牙、红外、RFID (无线射频识别)、GPS (全球定位系统)、GPRS (通用分组无线业务)通信系统，以及其它用于实时数据传输的选择。
[0061]实施例
[0062]将本发明置于仅具有单车道(3.5米宽)的道路上，其中压电模块化膜沿着一公里长度嵌入。每个模块化膜的尺寸制造为3.3米宽、15米长，达到平均为67个完整的膜单元，其具有67个电流整流单元、分配和储存由67个膜单元产生的电力的系统。
[0063]每公里的安装的膜中总共包含12，000个压电晶体，每个晶体的尺寸为I平方厘米、2毫米厚，每个晶体主要含有600个微层，每个微层65微米厚，其中每个微层具有不同的正极和负极。晶体的极性是间生的，一个正极和一个负极。在平均质量为300千克-50吨的运动过程中，每个晶体上在平均0.5秒的过程中分别产生的能量在0.0005和1.5瓦范围内。可以整流的每个晶体的电压在0.2和80伏范围内，由每个压电材料与每个连接件的连接引起的电能的损耗在由压电材料产生的总电能的5-15%的范围内，当将整流系统与标准电网互相连接时产生的损耗在7-15%的范围内。系统的能量损失总计在整个系统的5-30%的范围内。每个压电元件和其各自的连接件必须涂覆可以由纳米结构一直到上述的微观结构制成的绝缘材料层。
[0064]应当理解的是本发明不被所述的和说明的实施例限制，对本领域技术人员来说显而易见的是存在不脱离本发明的范围和精神的变化和可能的修改，本发明仅仅由以下权利要求所限定。
【权利要求】
1.一种使用压电材料的发电和配电系统,其特征在于,包含: a.多个压电单元； b.涂覆压电单元的聚合物材料；以及 c.连接压电单元的正极和负极端子的网络。
2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，该系统还具有与网络连接的整流系统，其校正压电单元的正极和负极端子之间产生的电势。
3.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，压电材料和导电材料涂覆有密封剂。
4.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，该系统是模块化的。
5.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，聚合物材料包括多个层。
6.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，其中一层包含具有热诱导记忆效应的聚合物。
7.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，本系统实施于由选自浙青和混凝土的材料制成的道路结构中。
8.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，膜安装在道路的粒料基层和表面层之间。
9.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，压电材料选自以下材料组成群组:锆酸盐、钛酸钡、钛酸铅、镁、铌酸盐、陶瓷衍生物、钛酸锌铅、铌酸镁铅、镧钛酸铅、晶体钛酸铅、镁、单晶铌酸盐、钛酸铅、铌酸锌、钛酸钡、锶、铌酸钡、铌酸锂、钽酸锂、铌酸钡、铅、聚偏氟乙烯和聚酰胺。
10.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，由压电材料产生的电势用作以下系统中的电源:重量和速度传感器、雷达、GPS或GPRS信号传送器、广告元件、道路语音和数据传输装置、道路信号装置、道路照明设施、报警系统、应急系统、空气质量监测站、电动汽车电源充电器和家用电器充电器。
【文档编号】H02N2/18GK103959635SQ201280046730
【公开日】2014年7月30日 申请日期:2012年7月25日 优先权日:2011年7月25日
【发明者】埃斯特班·马林·拉米雷兹 申请人:特雷沃特赛斯公司