一种依托车辆荷载的道路自发电装置的制作方法

本实用新型属于道路设施技术领域，涉及一种依托车辆荷载的道路自发电装置。

背景技术：

随着能源需求的不断扩大，在能源日渐稀缺的今天，社会对能源需求的增长及对环保的日益重视，寻求一种持久清洁的能源成为了当务之急。近年来，已开发出多种不同的能量采集技术，欲将环境中的能量转换为电能。

现有技术在王剑所著的《压电发电技术研究综述》中提到现有各种压电换能器的性能分析表明：Multilayer具有最高的能量转换效率，但从路面获得的能量并不多；THUNDER具有较高的换能效率和较大的输出能量，但是其刚度远小于路面的刚度；MFC是一层薄膜，需要组合成特殊结构以提高效率；Moonie的换能效率过低，不建议在路面中使用。且现有压电元件多为薄层压电材料加上下两层较薄的金属电极材料，在沥青混凝土摊铺碾压时，压电元件很容易被石料直接接触，石料的棱角接触到压电元件时极易产生应力集中而使压电元件在路面施工压实过程中被损坏甚至失效。

现有压电换能器存在以下缺陷：首先，现有道路能量收集系统中，埋入换能元件改变了原有道路内部的应力分布，压电换能器在路面内部的存在方式、与路面的整体耦合性、耐久性都不好，且现有压电元件刚度低，与路面匹配性差。其次，现有压电换能器的能量转换效率不高。

技术实现要素：

本实用新型的目的在于克服上述现有技术的缺点，提供一种依托车辆荷载的道路自发电装置。

本实用新型的目的是通过以下技术方案来解决的：

这种依托车辆荷载的道路自发电装置，其特征在于，包括压板，固定板，以及设置在压板与固定板之间的发电单元；所述压板与固定板固定连接；所述发电单元包括至少一个换能器，和用于将所有换能器发的电连通到一起的导电元件；所述换能器包括压电陶瓷，第一钹式金属帽和第二钹式金属帽；压电陶瓷的两侧分别连接第一钹式金属帽的内侧和第二钹式金属帽的内侧；第一钹式金属帽的外侧设置压板，第二钹式金属帽的外侧设置固定板；第一钹式金属帽或第二钹式金属帽与导电元件相连。

所述压电陶瓷与第一钹式金属帽的内侧以及第二钹式金属帽的内侧的连接是通过环氧树脂粘结。

所述导电元件包括传电层，传电层为导电金属板。

所述导电元件还连接有储能器。

所述储能器为可充电电池。

所述发电单元包括三个串联的换能器，三个换能器位于同一平面。

所述发电单元包括六个换能器，六个换能器位于同一平面，六个换能器构成两个并联的换能器组，每个换能器组包括三个串联的换能器。

所述压板上方还设置有路面层，路面层是由沥青集合料制成。

所述固定板下方设置有支撑结构。

所述压板与固定板之间还设置有用于给换能器除尘的除尘装置。

本实用新型比现有技术具有如下的有益效果：

本实用新型换能器两侧分别设置压板和固定板，通过板的设置使得本实用新型对于路面的耦合性、耐久性更好；换能器采用压电陶瓷，两侧分别设置第一钹式金属帽和第二钹式金属帽，钹式金属帽刚度高，与压板和固定板组合到一起，并且压板与固定板固定连接，使得本实用新型与路面匹配性好；同时钹形与现有技术的矩形和拱形相比，可产生适宜的形变，保证在压电陶瓷允许的刚度内，尽可能大的产生变形，能量转换效率高。

进一步地，本实用新型的压电陶瓷与两钹式金属帽的内侧是通过环氧树脂粘结，环氧树脂使得换能器的连接固化方便，附着力强，收缩性低，化学性稳定，耐霉菌。

进一步地，本实用新型的导电元件包括传电层，传电层为导电金属板，导电金属板能够导电，并且还能够与换能器贴合的更好。

进一步地，本实用新型的导电元件还连接有储能器，储能器能够把换能器发的电储存起来，使得发的电利用效率更高。

进一步地，本实用新型的储能器为可充电电池，可充电电池使用方便。

进一步地，本实用新型的发电单元包括三个串联的换能器，三个换能器位于同一平面。三个串联的位于同一平面的换能器，同一平面使得压板和固定板固定更方便，能器数量更多，发电效率更高。

进一步地，本实用新型的发电单元包括六个换能器，六个换能器位于同一平面，六个换能器构成两个并联的换能器组，每个换能器组包括三个串联的换能器。同一平面使得压板和固定板固定更方便，能器数量更多，发电效率更高。

进一步地，本实用新型的压板上方还设置有路面层，路面层是由沥青集合料制成，沥青集合料制成的路面层使得本实用新型与路面的匹配性更好。

进一步地，本实用新型的固定板下方设置有支撑结构，支撑结构能够支撑固定板，使得固定板内的换能器更稳定。。

进一步地，本实用新型的除尘装置能够给换能器除尘。

附图说明

图1为本实用新型的结构总体示意图；

图2为本实用新型的换能器结构示意图；

图3为本实用新型换能器立体示意图。

其中：1为路面层；2为传电层；3为压板；4为左载荷；5为右载荷；6为除尘装置；7为固定板；8为支撑层；9为换能器；91为第一钹式金属帽；92为压电陶瓷；93为第二钹式金属帽；10为储能器。

具体实施方式

下面结合附图对本实用新型做进一步详细描述：

参见图1-3，本实用新型依托车辆荷载的道路自发电装置，其特征在于，包括压板3，固定板7，以及设置在压板3与固定板7之间的发电单元；所述压板3与固定板7固定连接；所述发电单元包括至少一个换能器9，和用于将所有换能器9发的电连通到一起的导电元件；所述换能器9包括压电陶瓷92，第一钹式金属帽91和第二钹式金属帽93；压电陶瓷92的两侧分别连接第一钹式金属帽91的内侧和第二钹式金属帽93的内侧；第一钹式金属帽91的外侧设置压板3，第二钹式金属帽93的外侧设置固定板7；第一钹式金属帽91或第二钹式金属帽93与导电元件相连。

所述压电陶瓷92与第一钹式金属帽91的内侧以及第二钹式金属帽93的内侧的连接是通过环氧树脂粘结。

所述导电元件包括传电层，传电层2为导电金属板。

所述导电元件还连接有储能器10。

所述储能器10为可充电电池。

所述发电单元包括三个串联的换能器9，三个换能器9位于同一平面。

所述发电单元包括六个换能器9，六个换能器9位于同一平面，六个换能器9构成两个并联的换能器组，每个换能器组包括三个串联的换能器9。

所述压板3上方还设置有路面层，路面层是由沥青集合料制成。

所述路面层厚2cm。

所述固定板7下方设置有支撑结构，支撑结构为支撑层8，支撑层8是由用35/50沥青和硅质石灰岩填料填充物制成；或者用沥青集合料制成。

所述换能器9直径30～24mm，高6～7mm。

所述压电陶瓷92厚1.9～2.1mm。

所述第一钹式金属帽91和第二钹式金属帽93厚0.29～0.31mm。

所述压板3与固定板7之间还设置有用于给换能器9除尘的除尘装置。

所述除尘装置为吸尘器，所述吸尘器电源为电池，或者吸尘器电源线连接传电层，直接用换能器发的电工作。

第一步，将钹式金属帽和压电陶瓷片相互粘结而成，粘结材料为环氧树脂。由此具有了较高的刚度和抗折强度，因而能够承受较大应力。

第二步，将嵌入式钹片置入支持层和路面层两个不同的路面层之间，支持层是用35/50沥青和硅质石灰岩填料填充物制作，厚4厘米。上面的路面层是厚两厘米的沥青集合料铺面。三个钹片横向串联时接受单轮运动荷载获得结果最佳。钹片之间的联系和外部分析程序(示波器和外部电路)均由铜胶带制成。

另外，在沥青路面环境中，钹式压电换能器的几何尺寸为：直径32mm，高6.6mm,PZT厚2mm,金属端帽材料厚0.3mm时取得较大的换能效率。

本实用新型所用的钹式压电换能器通过将钹式金属端帽用环氧树脂粘结到压电陶瓷两侧来提高换能器的刚度和抗折强度，从而能够承受足够大的应力。另外钹式压电换能器通过金属电极与陶瓷界面的应力转换作用，改变陶瓷界面的应力分布，使压电陶瓷的横向应力转换并放大成纵向应力，从而使得该种结构的压电常数大大提高。同时钹式压电换能器还具有体积小、重量轻、灵敏度高、加工方便等特点。

子部件钹式压电换能器由两片类似钹的金属平顶锥壳夹着片压电陶瓷晶片构成，其中PZT-5A压电陶瓷作为压电相，黄铜为压电换能器的电极。特殊的端帽形状通过内腔为钹式的金属电极与陶瓷界面的应力转换作用，改变陶瓷界面的应力分布，使压电陶瓷的横向应力转换并放大成纵向应力，从而使得该结构的纵向压电常数d₃₃^eff的较典型压电陶瓷高许多倍。与矩形和拱形相比，钹形可产生适宜的形变，保证在PZT允许的刚度内，尽可能大的产生变形。

从道路发电所记录的数据来看，可以实现的总能量主要取决于包含钹片的装置设计和所选择的道路总车辆密度。将单元换能器采用列阵排列的方式铺设，即横向串联，纵向并联。考虑到一个标准的轮宽是0.2米，单元换能器直径近0.03米，最理想的情况下单轮通过可直接激发三个单元换能器，一个车轴同时驱动两轮通过，即一行6个钹片在横向方向上在车轮通过时被激发。沿着100米的跑道上，纵向间隔0.01米列阵铺设覆盖，每个车辆轴将激发15000个钹片，产生0.13W的能量。即一辆双车轴车辆通过100米的道路平均将产生0.26W的能量。

图1所示设计的新型道路自发电装置的结构：由六个钹形单元压电换能器及其辅助元件构成。基于装置与沥青结合料的层间粘结、各发电组织间的发电效率、车辆荷载间动态响应及装置尺寸和荷载作用面积等方面的综合作用考虑，装置中采用左右两组分别三个钹形单元换能器串联而各组间并联的列阵排列方式。车辆驶过时，单元换能器将行车荷载中的机械能转换成电能，并通过换能器上层传电层中的电线将电能传送到道路两侧面层下的储能器中，由此用于周围设施建设。传电层以上铺设压板，用以保护及均匀受力。因整个装置位于路面以下，一次性埋入之后不易翻修清理，故单元换能器所在道路坑槽两侧设置除尘装置，用以清洁。

图1所示设计的新型道路自发电装置的结构。由六个单元压电换能器及其辅助元件构成。基于装置与沥青结合料的层间粘结、各发电组织间的发电效率、车辆荷载间动态响应及装置尺寸和荷载作用面积等方面的综合作用考虑，装置中采用左右两组分别三个单元换能器串联而各组间并联的列阵排列方式。

将自发电装置放入支持层和路面层两个不同的路面层之间，支持层由用35/50沥青和硅质石灰岩填料填充物制作。

钹式压电换能器的几何尺寸为：直径32mm，高6.6mm,PZT厚2mm,金属端帽材料厚0.3mm时取得较大的换能效率。