本发明涉及道路能源利用技术领域，具体涉及一种道路集气蓄能发电装置。
背景技术
随着气候环境的变化和石油能源的短缺，寻求无污染可再生的绿色能源已受到人们的高度关注，人们生活中广泛存在着大量可再生的绿色能源，将绿色能源收集利用符合我国社会可持续发展的要求。在寻求新能源过程中，道路作为重要的基础设施，在承担交通功能的同时还具有开发可再生能源的潜能。近年来，随着道路工程微能收集技术的发展，更多类型的先进技术被用于道路环境中，道路工程领域进行的能量收集研究主要包括光能、势能、风能、热能和压电能等转换为电能，国内外也针对不同种类能源开发出多种道路潜在能源利用技术。产生的电能可用于公路沿线交通设施的使用，确保交通设施正常运行，还可有效解决供电条件较差地区公路沿线交通设施供电难的问题。如若合理开发应用道路潜在能源，不仅可解决能源短缺问题，更会对我国的经济和社会带来不可估量的效益。
现阶段国内外道路潜在能源开发方面的研究主要集中在光伏发电路面、压电材料路面和机械发电装备三个领域，相比于光伏发电路面、压电材料路面等技术，机械发电装备的应用对道路基础设施几乎没有影响，无需重新设计路面结构，设备制造和安装费用都很低，更加适应我国现阶段经济发展情况。而且相对压电材料发电技术存在因材料质量和路面变形量的限制导致能量转化效率偏低的问题，机械发电装备能以更大的压缩行程、更少的投资获得更高的能量转化率及更多的发电量。因此，机械发电装备的研发，能够实现道路潜在能源高效开发利用，顺应绿色减排、节能环保的时代主题以及绿色公路建设需求。
目前发电装备根据原理的不同主要有液压传动、齿轮机械传动、电磁发电、气囊液囊蓄能发电等形式，考虑到交通流的实际情况，液压传动、机械传动模式的发电过程都是间断性的，不能使发电机连续工作，会导致装备的能量转化率偏低。为了减少能量转化过程中的损失，采用蓄能发电可以克服前两种模式存在的问题，比如授权公告号为zl103470459b的中国发明专利公开了“一种利用减速带的能量回收装置”，其包括能量收集部分和能量稳定释放部分，该装置仍存在一些缺点，制约了产品的市场化，主要不足有：
1）仅利用一长条气囊收集气体，集气量有限，即对行车势能的转化率不高；
2）气囊补气过程缓慢，如车辆连续通过，车辆势能可能来不及收集；
3）气囊的输出气压低，会导致装备整体的效能偏低；
4）气囊容易破损，耐久性差，更换频率较高。
技术实现要素：
针对目前存在的问题，本发明提供一种道路集气蓄能发电装置，该装置利用多组机械空气泵收集压缩空气，基于模块化设计方法将能量回收过程和能量转化过程分开，可以高效回收行车势能、动能，独立的能量转化模块可保证发电过程连续稳定，进一步提高能量转化效率。
为实现上述目的，本发明的技术方案为：
一种道路集气蓄能发电装置，所述装置包括能量回收模块和能量转换模块，所述能量回收模块包括安装在路面结构中的减速带气泵装置和储气罐一或储气罐二（当某一储气罐进行补气时，另一储气罐则排气发电，即一个储气罐列入能量回收模块，另一个就自动列入能量转换模块），两者通过管路连接，所述能量转换模块包括储气罐二或储气罐一、气动马达、联轴器、发电机、电瓶和充电电路，所述储气罐二的输出端通过管路连接气动马达进气口，气动马达的旋转轴通过联轴器与发电机相连，发电机通过充电电路与电瓶相连。
具体地，所述减速带气泵装置由减速带基座、减速带顶盖、纵向导向机构和若干压缩空气泵组成；所述减速带基座、减速带顶盖、纵向导向机构整体组成减速带气泵装置钢结构框架，其中，减速带基座与路面结构固定连接，减速带顶盖和减速带基座通过纵向导向机构连接；所述压缩空气泵均匀设置于钢结构框架内，压缩空气泵底部与减速带基座固定连接，压缩空气泵的活塞杆顶端与减速带顶盖底部铰接。
其中所述管路材质的选择不受限制，凡是能够起到连通作用的管道均可，优选为橡胶管，方便移动和拆卸。
优选地，储气罐一和储气罐二中均设置监测空气压力的压力传感器，压力传感器均与设在储气罐一和储气罐二外部的控制器电连接，并且该装置还设置了均与储气罐一和储气罐二连接的补气控制器和供气控制器，补气控制器和供气控制器均与控制器电连接。能够实时监测储气罐一和储气罐二的压力值，通过补气控制器和供气控制器控制储气罐补气和发电。
优选地，气泵装置和储气罐（储气罐一或储气罐二）之间的管路上设有单向阀，使气泵装置中的气体单向流入储气罐。
优选地，储气罐（储气罐二或储气罐一）的输出端与气动马达进气口之间的管路之间设置减压阀和调速阀，用于调节并控制到达气动马达进气口的气体流量和流速。更加优选地，储气罐（储气罐二或储气罐一）的输出端与气动马达进气口之间的管路之间还增加一个过滤阀，用于过滤空气中的杂质。
其中，所述压缩空气泵包括气泵缸体以及能在气泵缸体内上下活动的活塞杆，两个活塞杆之间设有回力弹簧，气泵缸体的下端左右两侧分别设有进气口、出气口，其进气口与外部空气连通，出气口通过管路与储气罐一相连。进一步地，进气口处设置单向阀，使外界气体单向进入进气口，出气口与储气罐（储气罐一或储气罐二）相连的管路上也设置单向阀，使压缩空气泵中的气体单向进入储气罐（储气罐一或储气罐二）中。
进一步地，所述压缩空气泵共分为三排，平行设置，每个压缩空气泵的进气口均与外部空气连通，出气口处连接细口管路，各个细口管路汇入一个粗口管路中，粗口管路的另一端与储气罐（储气罐一或储气罐二）的进口相连。在实际的应用过程中，可以根据交通荷载等级计算确定减速带下方应布置的气泵数量和气泵规格，可使交通荷载等级固定的情况下集气量达到最大。
优选地，在实际安装时，减速带顶盖高出路表面5cm，这样减速带顶盖最大的下滑行程为5cm，如车辆荷载较大，使顶盖下降5cm到最大行程，减速带基座会顶住减速带顶盖，保证整体结构安全。
本发明具有如下优点：
1）本发明利用多组机械空气泵收集压缩空气，基于模块化设计方法将能量回收过程和能量转化过程分开，可以高效回收行车势能、动能，独立的能量转化模块可保证发电过程连续稳定，进一步提高能量转化效率。
2）设置双气罐补气供气，能够克服单罐供气的压力不足，保证发电过程连续稳定，降低传输过程的能量损失；并且，相比机械传动、液压等形式也能具有能量转化率高的优点；
3）原理清晰、结构简单，只有减速带气泵装置内置于路面内，其他部分放置于路侧，不占用路面空间，对路面结构影响小；
4）在实际的应用过程中，可以根据交通荷载等级计算确定减速带下方应布置的气泵数量和气泵规格，可使交通荷载等级固定的情况下集气量达到最大；
5）气泵由减速带钢框架保护，整套气泵装置坚固耐用，不易损坏，减少维修更换费用；
6）整套装备绿色无污染，全过程还可以由电子系统控制，工作连续、安全可靠。
附图说明
图1是道路集气蓄能发电装置整体设计示意图；
图2是减速带气泵装置结构示意图；
图3是压缩空气泵的结构示意图；
图4是道路集气蓄能发电装置的电子控制系统示意图。
图中，1-减速带气泵装置、2-储气罐一、3-储气罐二、4-气动马达、5-联轴器、6-发电机、7-电瓶、8-减压阀和调速阀、21-减速带基座、22-减速带顶盖、23-纵向导向机构、24压缩空气泵、241-气泵缸体、242-活塞杆、243-回力弹簧、244-进气口、245-出气口、246-单向阀、9-压力传感器一、10-压力传感器二、11-补气控制器、12-供气控制器、13-控制器。
具体实施方式
以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。
实施例
本发明公开了一种道路集气蓄能发电装置（其整体设计图参考图1）。按照装备的两次能量转换过程，可以将装置分为能量回收模块和能量转换模块（发电装置）两部分。
所述能量回收模块包括安装在路面结构中的减速带气泵装置1和储气罐一2（或储气罐二3，当某一储气罐进行补气时，另一储气罐则排气发电，即一个储气罐列入能量回收模块，另一个就自动列入能量转换模块）。其作用是把汽车通过气泵装置时产生的机械能转化为气体压强能。
其中，减速带气泵装置2如图2所示，其由减速带基座21、减速带顶盖22、纵向导向机构23和若干压缩空气泵24组成；所述减速带基座21、减速带顶盖22、纵向导向机构23整体组成减速带气泵装置钢结构框架，其中，减速带基座21与路面结构固定连接，减速带顶盖22和减速带基座21通过纵向导向机构23连接；所述压缩空气泵24均匀设置于钢结构框架内，压缩空气泵底部与减速带基座固定连接，压缩空气泵的活塞杆顶端与减速带顶盖底部铰接。减速带气泵装置整体埋置于路面结构内，减速带顶盖类似于减速带位于路表，车轮荷载作用时，减速带顶盖在纵向导向机构引导下垂直向下运动，减速带顶盖带动压缩空气泵压缩空气。
压缩空气泵24的具体结构如图3所示，其包括气泵缸体241以及能在气泵缸体内上下活动的活塞杆242，两个活塞杆242之间设有回力弹簧243，气泵缸体241的下端左右两侧分别设有进气口244、出气口245，其进气口244与外部空气连通，出气口245通过管路与储气罐一2或储气罐二3相连。并且在进气口处设置单向阀246，让外部的空气单向进入压缩空气泵24中，在出气口245和储气罐一2或储气罐二3连通的管路上也设置单向阀246，目的是让压缩空气泵245中的空气单向进入储气罐一或储气罐二中，设置双储气罐，通过模糊计算控制对两个储气罐交替补气及对气动马达供气，目的是使能量回收模块与能量转换模块独立工作、互不干扰，即一个储气罐补气时，另一储气罐输出气体带动马达与发电机工作。当车辆通过后，回力弹簧带动活塞杆和减速带顶盖恢复原位，气体由进气口通过单向阀进入气泵中，在大气压作用下自动补充气泵气体。
进一步地，所述压缩空气泵共分为三排，所述压缩空气泵共分为三排，平行设置，每个压缩空气泵的进气口均与外部空气连通，出气口处连接细口管路，各个细口管路汇入一个粗口管路中，粗口管路的另一端与储气罐一的进口相连。在实际的应用过程中，可以根据交通荷载等级计算确定减速带下方应布置的气泵数量和气泵规格，可使交通荷载等级固定的情况下集气量达到最大。
参照图1中所示，所述能量转换模块（发电装置）包括储气罐二3（或储气罐一2，同样地，当某一储气罐进行补气时，另一储气罐则排气发电，即一个储气罐列入能量回收模块，另一个就自动列入能量转换模块）、气动马达4、联轴器5、发电机6、电瓶7和充电电路（图中未示出），所述储气罐二3的输出端通过管路连接气动马达4进气口，气动马达4的旋转轴通过联轴器5与发电机6相连，发电机6通过充电电路与电瓶7相连。作为本发明的优选技术方案，储气罐二3的输出端与气动马达4进气口之间的管路之间设置减压阀和调速阀8，用于调节并控制到达气动马达进气口的气体流量和流速。更加优选地，储气罐二的输出端与气动马达进气口之间的管路之间还可以增加一个过滤阀（图中未示出），用于过滤空气中的杂质。
储气罐二或储气罐一的空气压力维持在固定范围，当压力达到上限阈值时，储气罐二或储气罐一输出高压空气，经减压阀和调速阀，可以控制到达气动马达进气口的气体流量和流速，气动马达通过联轴器带动发电机运转发电，所产生电能储存于电瓶中，当压力到达下限阈值时，储气罐二或储气罐一停止输出继续集气，另一储气罐开始排气发电。
更进一步地，参照图4，储气罐一2和储气罐二3中均设置监测空气压力的压力传感器（压力传感器一9和压力传感器二10），压力传感器均与设在储气罐一2和储气罐3二外部的控制器13电连接，并且该装置还设置了均与储气罐一2或储气罐二3连接的补气控制器11和供气控制器12，补气控制器11和供气控制器12均与控制器13电连接。
当控制器13监测到压力传感器一9采集到的储气罐一2的空气压力达到其工作压力上限阈值时，供气控制器12打开储气罐一2的出气口，开始对发电装置供气，同时补气控制器11连接储气罐二3，开始对储气罐二3补气，因补气的速率小于供气速率，所以储气罐一2会先于储气罐二3达到上限阈值前达到下限阈值。当储气罐一2达到工作压力下限阈值时，供气控制器12封闭储气罐一2的出气口，停止供气发电。
当控制器13监测到压力传感器二10采集的储气罐二3达到工作压力上限阈值时，供气控制器12打开储气罐二3出气口，开始对发电装置供气，同时补气控制器11连接储气罐一2，开始对储气罐一2补气。
在实际应用中，应该根据路段的实际情况确定各组成部分的各种参数，具体的设计原则如下：
根据交通荷载等级及交通流中重载货车比例计算确定气泵规格，包括压缩空气泵缸径、活塞有效行程、总行程等参数，满足压缩空气泵输出气压高于储气罐一或储气罐二的工作压力；通过力学计算确定回力弹簧材料及结构刚度，使压缩空气泵能及时复位，又要保证不同车重作用下的压缩效果；根据减速带长度、设计轴载确定每组空气压缩泵装置中的压缩空气泵布设数量，加装减速带纵向导向机构，抵消轮胎横向力作用，保证集气过程运行平稳；进行结构强度、稳定性、疲劳验算，优化减速带气泵装置整体结构。根据压缩空气泵的集气速度适配储气罐规格，确定工作压力、容积等参数。
根据能量回收模块的集气能力适配气动马达型号，确定气动马达的技术参数包括额定功率、耗气量、最大扭矩等，再根据气动马达的输出合理选配交流发电机型号，确定发电机的主要参数包括发电功率、输出电压。
装置的工作原理为：多组空气泵以减速带的形式内置于路面内，车辆轴载作用下，压缩空气由空气泵出气口进入储气罐，储气罐空气压力应维持在固定范围，当压力达到上限阈值时，储气罐输出高压空气进行发电，当压力到达下限阈值时，储气罐停止输出继续集气，发电过程为储气罐输出高压气体，通过减压阀和调速阀控制输出压力和流量带动气动马达稳定运转，气动马达再以一个合适的输出转速，使其以适宜的机械输出功率带动交流发电机运转发电，产生的电能储存于电瓶中。
虽然，上文中已经用一般性说明及具体实施例对本发明作了详尽的描述，但在本发明基础上，可以对之作一些修改或改进，这对本领域技术人员而言是显而易见的。因此，在不偏离本发明精神的基础上所做的这些修改或改进，均属于本发明要求保护的范围。