光伏太阳能路面结构单元、发电系统及结构单元制作方法
【专利摘要】光伏太阳能路面结构单元、发电系统及结构单元制作方法。结构单元包括混凝土底座、光伏太阳能电池板和PMMA透光保护板，混凝土底座中心设有凹陷部，PMMA透光保护板盖设于混凝土底座上方围成封闭空间，光伏太阳能电池板封装于封闭空间内。发电系统包括太阳能蓄电池控制器、蓄电池和多个光伏太阳能路面结构单元，多个光伏太阳能路面结构单元铺设成路面，各光伏太阳能路面结构单元并联或串联至太阳能蓄电池控制器，太阳能蓄电池控制器与蓄电池连接，蓄电池或太阳能蓄电池控制器的输出端连接用电负载。制作方法包括：S1：预制混凝土底座；S2：安装光伏太阳能电池板；S3：将PMMA透光保护板封装于混凝土底座上，并接受穿透的光线照射。
【专利说明】光伏太阳能路面结构单元、发电系统及结构单元制作方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及光伏太阳能技术，尤其涉及光伏太阳能路面结构单元、发电系统及结构单元制作方法。
【背景技术】
[0002]目前国内外对路面太阳能的研究主要包括太阳能对路面的影响及开发利用两个方面。其中，太阳能对路面的影响主要研究太阳辐射对路面温度场的影响及由此带来的路面性能变化，包括水泥混凝土路面热胀冷缩引起的翘曲和断裂，以及浙青路面的高温车辙、低温开裂和紫外老化等问题，其研究已有超过50年的历史，并且至今仍是路面工程研究领域的热点课题。
[0003]太阳能利用技术主要有光-化学转换、光-热转换和光-电转换三种方式。其中，由于光-化学转换方式主要用于电池制造，在路面工程中难以实现，所以，对于路面太阳能的利用技术，目前国内外研究应用最多的是采用光-热转换方式的集热法，即在路面内部埋设集热管，集热管中灌入水或相变材料等介质，通过集热管与路面之间的温差实现热交换，将热量储存在介质内而达到储存太阳能的目的，据此收集的太阳能可用于供暖、发电和融冰化雪等。
[0004]对于光-电转换方式，目前在道路工程中虽然得到应用，但主要是将光伏太阳能电池板安装在路面以外，且不与行车和行人接触，如灯柱、防撞墙、幕墙、声屏障或蓬盖等结构物上，用于交通信号灯、导示系统、监控系统、路灯及照明系统等供电，所以其收集的太阳能有限，不能充分利用道路建筑空间范围内的巨量太阳能。
【发明内容】
[0005]本发明要解决的技术问题是克服现有技术的不足，提供一种具有足够承载能力、便于光线穿透、结构简单、成本低廉的光伏太阳能路面结构单元、发电系统及结构单元制作方法。
[0006]为解决上述技术问题，本发明采用以下技术方案:
[0007]一种光伏太阳能路面结构单元，包括混凝土底座、光伏太阳能电池板和PMMA透光保护板，所述混凝土底座中心设有凹陷部，所述PMMA透光保护板盖设于所述混凝土底座上方，并将凹陷部围成一顶部透光的封闭空间，所述光伏太阳能电池板密封装设于所述封闭空间内。
[0008]作为上述技术方案的进一步改进:
[0009]所述封闭空间呈长方体状，所述封闭空间的一组相对的侧壁上均设有用于支承光伏太阳能电池板的定位台阶，所述光伏太阳能电池板两端搁置于一对侧壁的定位台阶上。
[0010]所述封闭空间内装设有紧贴于光伏太阳能电池板的防震限位件。
[0011]所述一对侧壁的定位台阶之间存在高度差H，所述光伏太阳能电池板两端之间的长度为 L, H:L=0 — 1:4.286。[0012]所述封闭空间的另一组相对的侧壁上均设有用于所述光伏太阳能电池板布线的穿线孔，所述封闭空间内于光伏太阳能电池板下方为隔水层，所述混凝土底座底部设有与隔水层相通的排水孔，所述光伏太阳能电池板两侧与封闭空间的侧壁之间设有排水间隙。
[0013]所述PMMA透光保护板上表面设有防滑纹，所述防滑纹为条状热熔震荡式减速带或橡胶减速带或防滑减速带或纽扣式防滑装置。
[0014]所述混凝土底座外侧壁上设有用于加强相邻混凝土底座衔接的凸块和凹槽，所述混凝土底座的凸块插设于相邻混凝土底座的凹槽中。
[0015]一种基于光伏太阳能路面结构单元的发电系统，包括太阳能蓄电池控制器、蓄电池和多个上述的光伏太阳能路面结构单元，多个光伏太阳能路面结构单元铺设成路面，各光伏太阳能路面结构单元并联或串联至太阳能蓄电池控制器，所述太阳能蓄电池控制器与蓄电池连接，所述蓄电池或太阳能蓄电池控制器的输出端连接用电负载。
[0016]一种如上所述的光伏太阳能路面结构单元的制作方法，包括以下步骤:
[0017]S1:预制混凝土底座；
[0018]S2:在混凝土底座的凹陷部安装光伏太阳能电池板；
[0019]S3:将PMMA透光保护板封装于混凝土底座上方，形成顶部透光的封闭空间，封存于封闭空间内的光伏太阳能电池板接受穿透PMMA透光保护板的光线照射。
[0020]作为上述技术方案的进一步改进:
[0021]在进行步骤SI时，先制作混凝土浇注模具，并按配比混配、拌和混凝土，再将完成混配、拌和的混凝土灌注入混凝土浇注模具，终凝后拆模，标准养护；在进行步骤S2时，先将光伏太阳能电池板固定于凹陷部，再将光伏太阳能电池板的线缆从混凝土底座的穿线孔穿出；在进行步骤S3时，用浙青粘接PMMA透光保护板与混凝土底座，并用紧固件锚固PMMA透光保护板与混凝土底座。
[0022]与现有技术相比，本发明的优点在于:
[0023]本发明的光伏太阳能路面结构单元具有足够承载能力，能够满足常规交通运输的负载要求，且具备密封性，对光伏太阳能电池板进行了全面的保护，且顶部采用透光性能良好的PMMA透光保护板封装，便于光线穿透并利用光伏太阳能电池板进行发电，融合了交通和能源两大【技术领域】，在绿色交通【技术领域】取得了开拓性的突破。
[0024]本发明的基于光伏太阳能路面结构单元的发电系统，以路面为载体，相比于传统的光伏发电系统，省去了昂贵的占地费用，光伏发电成本大大降低。
[0025]本发明的光伏太阳能路面结构单元的制作方法，流程简单、操作方便、便于实施、施工效率高。
【专利附图】
【附图说明】
[0026]图1是本发明光伏太阳能路面结构单元的主视结构示意图。
[0027]图2是本发明光伏太阳能路面结构单元的俯视结构示意图(未示出PMMA透光保护板)。
[0028]图3是图1的A-A剖视图。
[0029]图4是图2的B-B剖视图(增加PMMA透光保护板)。
[0030]图5是本发明光伏太阳能路面结构单元的立体结构示意图(未示出PMMA透光保护板)。
[0031]图6是本发明光伏太阳能路面结构单元实施例中防滑纹的结构示意图。
[0032]图7是本发明基于光伏太阳能路面结构单元的发电系统的结构示意图。
[0033]图8是本发明光伏太阳能路面结构单元的制作方法的流程图。
[0034]图中各标号表不:
[0035]1、混凝土底座；11、封闭空间；12、定位台阶；13、穿线孔；14、隔水层；15、排水孔；16、排水间隙；17、凸块；18、凹槽；2、光伏太阳能电池板；21、防震限位件；3、PMMA透光保护板；31、防滑纹；4、太阳能蓄电池控制器；5、蓄电池；6、直流负载；7、逆变器；8、交流负载。
【具体实施方式】
[0036]图1至图6示出了本发明的一种光伏太阳能路面结构单元实施例，该结构单元包括混凝土底座1、光伏太阳能电池板2和PMMA透光保护板3，混凝土底座I中心设有凹陷部，PMMA透光保护板3盖设于混凝土底座I上方，并将凹陷部围成一顶部透光的封闭空间11，光伏太阳能电池板2密封装设于封闭空间11内。本发明的光伏太阳能路面结构单元具有足够承载能力，能够满足常规交通运输的负载要求，且具备密封性，对光伏太阳能电池板2进行了全面的保护，且顶部采用透光性能良好的PMMA透光保护板3封装，便于光线穿透并利用光伏太阳能电池板2进行发电，融合了交通和能源两大【技术领域】，在绿色交通【技术领域】取得了开拓性的突破。
[0037]本实施例中，封闭空间11呈长方体状，封闭空间11的一组相对的侧壁上均设有用于支承光伏太阳能电池板2的定位台阶12，光伏太阳能电池板2两端搁置于一对侧壁的定位台阶12上，这种结构使光伏太阳能电池板2的安装非常方便；一对侧壁的定位台阶12之间存在高度差H，光伏太阳能电池板2两端之间的长度为L，H:L=0?1:4.286，该参数能保证光伏太阳能电池板2以最佳角度接受太阳光的照射，提高光伏太阳能电池板2的工作效率，H的取值范围是Omm?70mm,本实施例中H=60mm, L=300mm, H:L=1:5 ;封闭空间11内装设有紧贴于光伏太阳能电池板2的防震限位件21，可减缓重载车辆经过时的震动影响，延长光伏太阳能电池板2寿命，本实施例采用角钢作为防震限位件21，在其它实施例中可选用螺栓等紧固组件对光伏太阳能电池板2进行限位。封闭空间11的另一组相对的侧壁上均设有用于光伏太阳能电池板2布线的穿线孔13方便将光伏太阳能电池板2的线缆从封闭空间11内引出，便于布线、和电路安装。封闭空间11内于光伏太阳能电池板2下方为隔水层14，混凝土底座I底部设有与隔水层14相通的排水孔15，即便有少量水渗入封闭空间11，也会快速的集中流到隔水层14后经排水孔15排出。光伏太阳能电池板2两侧与封闭空间11的侧壁之间设有排水间隙16，可进一步加快水从光伏太阳能电池板2两侧的排水间隙16排走，避免光伏太阳能电池板2受渗水的影响。PMMA透光保护板3上表面设有防滑纹31，该防滑纹31为PMMA透光保护板3上表面的条状热熔震荡式减速带或橡胶减速带或防滑减速带或纽扣式防滑装置，本实施例选用条状热熔震荡式减速带，在PMMA透光保护板3上表面的前后两端分设两条，每条宽IOmm?200mm、厚IOmm?20mm,本实施例取50mm宽、IOmm厚；在PMMA透光保护板3上表面的中段于光伏太阳能电池板2正上方的两侧分设两小段，每段宽100mm、厚10mm，防滑纹31可以增加PMMA透光保护板3上表面的摩擦系数，提高车辆行驶的安全性，也可起到路肩震动带的作用，同时，该规格的防滑纹31不会影响太阳光的穿透性，在其它实施例中，可以根据实际需求对防滑纹31形式、数量、尺寸进行设计。混凝土底座I外侧壁上设有用于加强相邻混凝土底座I衔接的凸块17和凹槽18，混凝土底座I的凸块17插设于相邻混凝土底座I的凹槽18中，相邻混凝土底座I通过凸块17和凹槽18的插接配合，可提高路面的整体强度。
[0038]混凝土底座I的长、宽取值范围一般为50mm~1500mm,壁厚为50mm~200mm,当混凝土底座I的长、宽取值较大时，可选择加竖、横支撑，以保证结构的稳定性、承载能力和抗变形能力，PMMA透光保护板3的长、宽与混凝土底座I的长、宽基本相等，厚度为20_~30mm，本实施例中，混凝土底座I的长、宽均为500mm，壁厚和底厚均为100mm，高度为230mm ；PMMA透光保护板3厚度为20mm。
[0039]载荷测试:在MTS试验机上测试本实施例光伏太阳能路面结构单元的载荷能力。底座使用厚度为2cm，边长为30cm的正方形铁块，用以保持模型平稳固定，上压头采用直径为21cm的单圆均布荷载接触压头，当加载作用力为25kN时，所得的压强为0.7MPa。上压头作用在PMMA透光保护板3的中心，模拟实际车辆最不利荷载作用下结构的变形情况，试验以位移为控制指标，设置试验最大荷载为25kN，加载速率为lkN/s，得到模型的最大位移为
7.972mm。
[0040]发电测试:用300W碘钨灯模拟太阳光辐射，测试本实施例光伏太阳能路面结构单元的发电效能。用LED灯放电，测试本实施例光伏太阳能路面结构单元的放电效能。经检测本实施例中光伏太阳能电池板2的面积为0.0841m2,该光伏太阳能电池板2充满84wh的蓄电池约需34小时，可以提供3W的LED灯放电66小时。
[0041]用ANSYS软件模拟分析实施例光伏太阳能路面结构单元的力学性能。
[0042]模型假设条件为:1、混凝土底座I与土基之间、混凝土底座I与PMMA透光保护板3之间层间接触是完全连续的(应力和位移连续);2、混凝土底座I与土基结构层视作等效基础，以混凝土底座I顶面当量回弹模量表征；3、各层是完全线弹性的、均匀的、各向同性的，用回弹模量E表示；4、混凝土底座I底面给予全约束，而与底面相垂直的侧面则约束其法向位移，PMMA透光保护板3四边无约束，为四边自由板块；5、结构单元的自重不计。
[0043]荷载模型为在接触面上加载等效双圆均布荷载的矩形接触面，分析模型中的单元类型为S0LID45单元，层间接触采取面-面接触方式，模型网格采用映射网格划分法进行疏密网格划分，地基合理扩大尺寸为等效地基深度扩延5m，地基平面两个方向各相对板块的平面尺寸扩延1.5m,模型混凝土底座I和下层地基模型采用规则长方体，并且混凝土底座I底板中心与地基上部中心重合。脆性材料(PMMA材料和水泥混凝土)以强度极限为基准，除以安全系数后得容许应力，即:
[0044] [σ]σb/n
[0045]式中，[σ ]为材料容许应力(MPa) ; Ob为材料强度极限(MPa) ;η=2~5为安全系数，根据实测材料参数，PMMA板材料强度极限σ b为72MPa，混凝土材料弯拉强度σ b为6MPa，取n=2，因此，PMMA板材料容许应力σ md为36MPa，混凝土材料弯拉强度σ hb为3MPa。
[0046]在确定的尺寸基础上进行单因素敏感性分析，结果得出:混凝土底座I底厚和闻度对PMMA透光保护板3底面中心最大弯拉应力和路表最大弯沉无影响，PMMA透光保护板3板厚、板长、板宽、混凝土底座I侧壁厚、长宽为影响PMMA透光保护板3底面中心最大弯拉应力和路表最大弯沉的显著因素，其中PMMA透光保护板3板厚为最显著因素，保护板3底面中心最大弯拉应力和路表最大弯沉随着PMMA透光保护板3厚度的增加均呈现幂指数减小的趋势。PMMA透光保护板3底面中心最大弯拉应力随着混凝土底座I宽度的增大呈线性上升趋势，随着混凝土底座I侧壁厚的增加呈线性下降趋势，随着混凝土底座I长度的增加呈二次函数曲线变化；路表最大弯沉随着混凝土底座I长宽的增大呈线性上升趋势，随着PMMA透光保护板3板厚的增加呈线性下降趋势。
[0047]测试结果:PMMA透光保护板3底面中心最大弯拉应力σ md为20.1MPa小于PMMA板容许弯拉应力36MPa，侧壁最大弯拉应力σ hb为1.62MPa,小于混凝土底座容许弯拉应力3MPa，路表最大弯沉值Iri为3.499mm。结果表明,此种结构尺寸模型下,作用标准轴载在最不利荷位时，能满足力学性能的要求，能够安全行车。
[0048]图7示出了本发明的一种基于光伏太阳能路面结构单元的发电系统实施例，包括太阳能蓄电池控制器4、蓄电池5和多个上述实施例的光伏太阳能路面结构单元，多个光伏太阳能路面结构单元铺设成路面，各光伏太阳能路面结构单元并联或串联至太阳能蓄电池控制器4，太阳能蓄电池控制器4与蓄电池5连接，蓄电池5或太阳能蓄电池控制器4的输出端连接用电负载。本实施例以八个光伏太阳能路面结构单元为一组，八个光伏太阳能路面结构单元中的光伏太阳能电池板2并联至一个太阳能蓄电池控制器4，为一个蓄电池5充电，在太阳能蓄电池控制器4的输出端连接直流负载6，以及经逆变器7连接交流负载8。在其它实施例中，还可对光伏太阳能路面结构单元的数量进行适应性调整，也可对蓄电池5、太阳能蓄电池控制器4的数量以及其连接方式进行调整，以满足不同的布置需求和供电需求。本发明的基于光伏太阳能路面结构单元的发电系统，以路面为载体，相比于传统的光伏发电系统，省去了昂贵的占地费用，光伏发电成本大大降低。
[0049]图8示出了本发明的光伏太阳能路面结构单元的制作方法流程，该方法包括以下步骤:
[0050]S1:预制混凝土底座I ;
[0051]S2:在混凝土底座I的凹陷部安装光伏太阳能电池板2 ；
[0052]S3:将PMMA透光保护板3封装于混凝土底座I上方，形成顶部透光的封闭空间11，封存于封闭空间11内的光伏太阳能电池板2接受穿透PMMA透光保护板3的光线照射。
[0053]本发明的光伏太阳能路面结构单元的制作方法，流程简单、操作方便、便于实施、施工效率高。
[0054]本实施例中，在进行步骤SI时，先制作混凝土浇注模具，分别制作尺寸为300mmX300mmX 130mm的内模和尺寸为500_X500_X230_的外模，再将二者定位、固定，外模上设置凸块17和凹槽18的成型部位；再按配比混配、拌和混凝土(重量比:水泥:水:砂:碎石=500:150:595:1155)，再将完成混配、拌和的混凝土灌注入混凝土浇注模具，终凝后拆模，标准养护28天。
[0055]本实施例中，在进行步骤S2时，先将光伏太阳能电池板2固定于凹陷部，再将光伏太阳能电池板2的线缆从混凝土底座I的穿线孔13穿出，之后安装防震限位件21对光伏太阳能电池板2限位，减缓重载车辆经过时的震动影响，延长光伏太阳能电池板2寿命。
[0056]本实施例中,在进行步骤S3时,用浙青粘接PMMA透光保护板3与混凝土底座I,从而具备良好的密封效果，防止路面有大量积水或泥沙时渗入封闭空间11，起到保护光伏太阳能电池板2的作用，同时用紧固件锚固PMMA透光保护板3与混凝土底座1，一方面可防止浙青粘接作用失效时PMMA透光保护板3脱离混凝土底座1，保证路面的正常使用，另一方面可减轻载荷的反复变化对浙青粘接效果的影响，另外，需要检修时卸下紧固件，将PMMA透光保护板3撬开即可。在其它实施例中，也可以用环氧树脂AB胶替代浙青进行粘接。
[0057]虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然而并非用以限定本发明。任何熟悉本领域的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围的情况下，都可利用上述揭示的技术内容对本发明技术方案做出许多可能的变动和修饰，或修改为等同变化的等效实施例。因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明技术实质对以上实施例所做的任何简单修改、等同变化及修饰，均应落在本发明技术方案保护的范围内。
【权利要求】
1.一种光伏太阳能路面结构单元，其特征在于:包括混凝土底座(1)、光伏太阳能电池板(2)和PMMA透光保护板(3)，所述混凝土底座(1)中心设有凹陷部，所述PMMA透光保护板(3)盖设于所述混凝土底座(1)上方，并将凹陷部围成一顶部透光的封闭空间(11)，所述光伏太阳能电池板(2 )密封装设于所述封闭空间(11)内。
2.根据权利要求1所述的光伏太阳能路面结构单元，其特征在于:所述封闭空间(11)呈长方体状，所述封闭空间(11)的一组相对的侧壁上均设有用于支承光伏太阳能电池板(2)的定位台阶(12)，所述光伏太阳能电池板(2)两端搁置于一对侧壁的定位台阶(12)上。
3.根据权利要求2所述的光伏太阳能路面结构单元，其特征在于:所述封闭空间(11)内装设有紧贴于光伏太阳能电池板(2 )的防震限位件(21)。
4.根据权利要求2所述的光伏太阳能路面结构单元，其特征在于:所述一对侧壁的定位台阶(12)之间存在高度差H，所述光伏太阳能电池板(2)两端之间的长度为L，H:L=0~1:4.286。
5.根据权利要求2所述的光伏太阳能路面结构单元，其特征在于:所述封闭空间(11)的另一组相对的侧壁上均设有用于所述光伏太阳能电池板(2)布线的穿线孔(13)，所述封闭空间(11)内于光伏太阳能电池板(2)下方为隔水层(14)，所述混凝土底座(1)底部设有与隔水层(14)相通的排水孔(15)，所述光伏太阳能电池板(2)两侧与封闭空间(11)的侧壁之间设有排水间隙(16)。
6.根据权利要求1至5中任一项所述的光伏太阳能路面结构单元，其特征在于:所述PMMA透光保护板(3)上表面设有防滑纹(31)，所述防滑纹(31)为条状热熔震荡式减速带或橡胶减速带或防滑减速带或纽扣式防滑装置。
7.根据权利要求1至5中任一项所述的光伏太阳能路面结构单元，其特征在于:所述混凝土底座(1)外侧壁上设有用于加强相邻混凝土底座(1)衔接的凸块(17)和凹槽(18)，所述混凝土底座(1)的凸块(17)插设于相邻混凝土底座(1)的凹槽(18)中。
8.一种基于光伏太阳能路面结构单元的发电系统，其特征在于:包括太阳能蓄电池控制器(4)、蓄电池(5)和多个如权利要求1至7中任一项所述的光伏太阳能路面结构单元，多个光伏太阳能路面结构单元铺设成路面，各光伏太阳能路面结构单元并联或串联至太阳能蓄电池控制器(4 )，所述太阳能蓄电池控制器(4 )与蓄电池(5 )连接，所述蓄电池(5 )或太阳能蓄电池控制器(4)的输出端连接用电负载。
9.一种如权利要求1至7中任一项所述的光伏太阳能路面结构单元的制作方法，其特征在于:包括以下步骤: 51:预制混凝土 底座(1)； 52:在混凝土底座(1)的凹陷部安装光伏太阳能电池板(2)；53:将PMMA透光保护板(3)封装于混凝土底座(1)上方，形成顶部透光的封闭空间(11)，封存于封闭空间(11)内的光伏太阳能电池板(2 )接受穿透PMMA透光保护板(3 )的光线照射。
10.根据权利要求9所述的制作方法，其特征在于:在进行步骤SI时，先制作混凝土浇注模具，并按配比混配、拌和混凝土，再将完成混配、拌和的混凝土灌注入混凝土浇注模具，终凝后拆模，标准养护；在进行步骤S2时，先将光伏太阳能电池板(2)固定于凹陷部，再将光伏太阳能电池板(2)的线缆从混凝土底座(1)的穿线孔(13)穿出；在进行步骤S3时，用浙青粘接PMMA透光保护板(3)与混凝土底座(1)，并用紧固件锚固PMMA透光保护板(3)与 混凝土底座(1)。
【文档编号】H02S10/20GK103929119SQ201410142523
【公开日】2014年7月16日 申请日期:2014年4月10日 优先权日:2014年4月10日
【发明者】查旭东, 蔡良, 杜建訸, 杨俭, 黄健民, 黄泽伟, 刘文峰, 伍智吉, 李祉颉 申请人:长沙理工大学