一种发电路面压电系统及布设方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及道路工程以及能量采集技术领域，尤其是涉及一种发电路面压电系统及布设方法。
【背景技术】
[0002]随着我国道路系统建设日益完善，截止2014年底我国公路总里程已达446.39万公里，其中高速公路将近12万公里，汽车保有量达2.64亿辆。从开放交通到寿命终结，路面将承受几十乃至几百万次车辆荷载作用，车辆荷载冲击、振动路面将会产生非常可观的机械能，道路压电发电提供了将道路冲击、振动机械能转化为电能的可能性，是一种规模可观、可再生的清洁能源，具有巨大的经济和社会效益。
[0003]现阶段关于压电发电路面的研究多围绕压电换能器的研发展开，而对压电发电路面压电系统布设方式的研究鲜有报道。然而压电系统的设计、布设方法，对于压电系统能量的输出具有重要的影响。因此，在发电路面领域亟需解决的技术问题是提供一种与道路耦合性高且压电发电性能优良的压电系统布设方法。
【发明内容】
[0004]本发明所要解决的技术问题在于针对道路压电发电的特点，提供一种发电路面压电系统布设方法，其结构简单，施工方便，发电性能好，能量收集率高，实用性强，可广泛用于高速公路、城市道路和特殊地区道路以及旧路改造。
[0005]为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是:
[0006]一种发电路面压电系统，包括压电单元，所述的压电单元包括压电元件、铜板、橡胶垫及环氧树脂圈，其中铜板位于橡胶垫上方，压电元件设置一个以上，位于在铜板和橡胶垫之间；环氧树脂圈设置在压电元件周围，并将铜板、橡胶垫以及压电元件固结在一起。
[0007]进一步地，所述的压电系统还包括整流滤波装置、DC/DC变换器以及储能装置，所述的压电元件上引出的导线连接至整流滤波装置，整流滤波装置装置依次连接DC/DC变换器和储能装置。
[0008]进一步地，所述的铜板的上表面开设有一个以上的应力吸收槽，应力吸收槽以铜板的中心点处为中心开设，应力吸收槽为圆形槽、环形槽或条形槽。
[0009]进一步地，所述的橡胶垫上穿过橡胶垫设置有一对孔洞，用于通过压电元件上引出的导线。
[0010]进一步地，所述的压电单元埋设在路面的上面层、下面层或者上下面层之间开设的安装槽中。
[0011]进一步地，所述的安装槽的槽壁与槽底之间为倒圆角结构，在安装槽的槽底中开设有用于通过压电元件上引出导线的导线槽。
[0012]进一步地，所述的路面压电系统中，由多个压电单元并联构成压电单元带，单条或多条压电单元带构成压电单元组，压电单元组对称分布于车道中轴线两侧，压电单元带的布设方向与车道中轴线平行，相邻的两个压电单元带中对应的两个压电单元之间的连线与车道中轴线垂直或呈锐角。
[0013]进一步地，所述的压电单元组与车道中轴线之间的距离为LI，同一个压电单元带中相邻的两个压电单元在道路长度方向上的间距为L3，相邻的两个压电单元带中对应的两个压电单元之间在道路宽度方向上的间距为分别为L2，则有L3>L1>L2。
[0014]一种发电路面压电系统布设方法，包括以下步骤:
[0015]步骤一，组装压电单元
[0016]取铜板、橡胶垫、环氧树脂圈以及压电元件，以铜板在上、橡胶垫在下、压电元件位于中间的方式将这些部件进行组装，并将环氧树脂圈套装在压电单元周围，对环氧树脂圈加热熔融后将压电元件、铜板、橡胶垫胶结成整体，构成压电单元；其中每个压电单元中压电元件设置一个以上，设置多个压电元件时，所有压电元件对其设置，并将每个压电元件上的正、负极导线分别并联；
[0017]在铜板的上表面开设一个以上的、呈圆形或环形的应力吸收槽，在橡胶垫上开设一对孔洞用于通过压电元件的导线；
[0018]步骤二，在路面上准备压电单元的安装槽
[0019]在路面上开设用于安装压电单元的安装槽，安装槽设置在路面的上面层、下面层或者上下面层之间；
[0020]对于新建沥青路面，在碾轮上设置凸起结构，碾轮碾压路面结构层时凸起结构在路面结构层上形成所述的安装槽；对于旧沥青路面，采用开槽机开设安装槽；
[0021]安装槽开设好之后，将安装槽的槽壁与槽底之间加工为倒圆角形，在每个安装槽的槽底开设0.5?Icm宽的导线槽，并将相邻的安装槽中的导线槽贯连；
[0022]步骤三，布设压电系统
[0023]在安装槽和导线槽中敷设环氧沥青，采用一个压电单元对应一个安装槽的方式，将压电单元以橡胶垫朝下的方式设置在安装槽中，将压电元件上引出的导线沿导线槽布设；若是新建沥青路面且安装槽位于上下面层之间，则在压电单元设置好之后再在上下面层之间设置一层宽度大于安装槽直径的抗裂贴；
[0024]由多个压电单元并联构成压电单元带，单条或多条压电单元带构成压电单元组，压电单元组对称分布于车道中轴线两侧，压电单元带的布设方向与车道中轴线平行，相邻的两个压电单元带中对应的两个压电单元之间的连线与车道中轴线垂直或呈锐角；
[0025]在路面开设总线槽，将所有自导线槽中引出的导线通过总线槽引至设置于路边的整流滤波装置，并将整流滤波装置依次与DC/DC变换器和储能装置连接；
[0026]上述步骤完成后，对安装槽和总线槽进行填埋，完成布设。
[0027]本发明与现有技术相比具有以下优点:
[0028]1、本发明将压电元件进行封装处理，提高了压电元件承受荷载的能力，相对增加了压电元件的形变量，提高了力-电转换效率，能够充分利用道路冲击、振动机械能。
[0029]2、本发明充分考虑了压电单元埋设与道路结构的耦合性，优化了压电单元及其线路的埋设方式，保证了压电发电路面结构耐久性，有效控制了压电单元的置入对路用性能的不利影响。
[0030]3、本发明充分考虑了车辆类型及其轮迹带分布特性与压电单元纵横向阵列布设的协调性，有效提高了压电发电单元的利用频率，增强了压电发电能量的输出采集效率。
【附图说明】
[0031]图1为压电单元上开设应力吸收槽的结构示意图；
[0032]图2为压电单元封装结构，其中图2 (a)为单片压电元件压电单元结构，图2 (b)为双片压电元件并联压电单元结构，图2(c)为多片压电元件并联压电单元结构；
[0033]图3为路面开设安装槽的结构示意图，其中图3(a)为下面层开槽结构，图3 (b)为上面层开槽结构，图3(c)为上下面层复合开槽结构；
[0034]图4为压电单元埋设示意图，其中图4 (a)为下面层压电单元埋设示意图，图4 (b)为上面层压电单元埋设示意图，图4(c)为上下面层间压电单元埋设示意图；
[0035]图5为压电单元阵列布设方案图，其中图5(a)为横向单排3个压电单元等间距布设示意图，图5(b)为横向单排4个压电单元等间距布设示意图，图5(c)为横向双排3个压电单元等间距布设示意图，图5(d)为与中轴线呈60°单排4个压电单元等间距布设示意图，图5(e)为与中轴线呈45°双排3个压电单元等间距布设示意图。
[0036]图中标号代表:1 一铜板，2—压电元件，3—孔洞，4一导线，5—橡胶垫，6—环氧树脂圈，7—应力吸收槽，8—总线槽，9一安装槽，10—导线槽，12—下面层，13—上面层，14-抗裂贴，15—环氧沥青，100—压电单元。
【具体实施方式】
[0037]压电元件承受荷载能力较低、脆性大，在车辆荷载较大冲击力下极易产生损坏，进而影响其压电性能，而压电元件在路面内又需要一定变形才能产生压电发电效应，故应做好压电元件的封装形式，以满足两方面的需要。相应地，压电元件布设于路面结构内，需对路面进行开槽处理或新建公路时进行预埋，路面开槽形式应保证对路用性能造成尽量小的影响，压电单元的埋置应与道路结构具有良好的耦合性。在道路渠化交通良好的情况下，标准车道宽度3.75m内车辆轮迹的横向分布呈现“双驼峰”型曲线特性，车辆轮迹主要集中于以行车道中轴线为对称轴的两侧各约0.5m宽的路面上，约27%的车道宽度路面上承受60%