一種路面換能設備的制造方法
【專利摘要】本實用新型涉及發電裝置技術領域，尤其涉及一種路面換能設備，用于將路面振動的機械能轉換為電能，包括：封裝組件、壓電轉換組件和導電組件，封裝組件構成盒式結構，壓電轉換組件和導電組件均設于盒式結構的內部；壓電轉換組件包括若干個堆疊式壓電轉換單元和若干個懸臂梁式壓電轉換單元；導電組件將壓電轉換組件與外部電能收集設備連接，以將壓電轉換組件輸出的電能傳輸至電能收集設備。將壓電轉換組件和導電組件置于由封裝組件構成的盒式結構內，便于將其嵌入路面，具有加工方便、結構簡單、組裝快捷等優點，使得施工操作簡化方便。
【專利說明】
_種路面換能設備
技術領域
[0001]本實用新型涉及發電裝置技術領域，尤其涉及一種用于將路面振動的機械能轉換為電能的路面換能設備。
【背景技術】
[0002]在車輛行駛在路面的過程中，無論是在瀝青混凝土路面還是在水泥路面，路面內部都會產生縱橫向的振動。這種路面振動的機械能可以轉換為電能，并且可能的換能方式包括壓電式、靜電式、電磁式等。
[0003]其中，壓電式的換能方式具有俘能效率高、能量密度大等優點，在國內外已有部分研究。例如，以色列研制出了可用于路面、軌道和跑道的基于壓電效應的能量收集系統，但該技術的具體細節并未公開，實施和推廣困難。
[0004]雖然，國內在壓電材料和壓電換能方面研究較多，但是關于將路面振動的機械能轉換為電能并進行收集方面的研究不系統，各種路面換能設備存在施工復雜、剛度低、防水防腐性差等缺點。
【實用新型內容】
[0005](一)要解決的技術問題
[0006]本實用新型要解決的技術問題是現有路面換能設備施工復雜的問題。
[0007](二)技術方案
[0008]為了解決上述技術問題，本實用新型提供了一種路面換能設備，用于將路面振動的機械能轉換為電能，包括:封裝組件、壓電轉換組件和導電組件，封裝組件構成盒式結構，壓電轉換組件和導電組件均設于盒式結構的內部;壓電轉換組件包括若干個堆疊式壓電轉換單元和若干個懸臂梁式壓電轉換單元;導電組件將壓電轉換組件與外部電能收集設備連接，以將壓電轉換組件輸出的電能傳輸至電能收集設備。
[0009]根據本實用新型，封裝組件包括底板和與底板貼合相接的蓋板，底板朝向蓋板的一面開設有安裝槽，壓電轉換組件和導電組件均安裝于安裝槽內。
[0010]根據本實用新型，底板為邊緣部較低且中間部較高的第一臺階結構，蓋板為邊緣部較高且中間部較低的第二臺階結構，第一臺階結構與第二臺階結構能夠配合相接。
[0011]根據本實用新型，在底板的邊緣部開設有通孔，在蓋板的邊緣部與通孔相對應的位置開設有盲孔，通孔與盲孔內插設有連接底板和蓋板的連接件。
[0012]根據本實用新型，安裝槽包括用于安裝導電組件的第一凹槽、用于安裝懸臂梁式壓電轉換單元的第二凹槽以及若干個用于安裝堆疊式壓電轉換單元的孔槽。
[0013]根據本實用新型，若干個孔槽在第二凹槽的兩側呈陣列式分布。
[0014]根據本實用新型，底板與蓋板之間設有用于防水的防水件。
[0015]根據本實用新型，懸臂梁式壓電轉換單元包括金屬基板、粘貼在金屬基板上的壓電陶瓷片、粘貼在金屬基板上的質量塊以及將金屬基板固定在盒式結構內的夾持塊。
[0016]根據本實用新型，導電組件包括整流橋電路板、將壓電轉換組件與整流橋電路板連接的第一導線和將整流橋電路板與外部電能收集設備連接的第二導線。
[0017]根據本實用新型，整流橋電路板的外表面噴涂有電子灌封膠。
[0018](三)有益效果
[0019]本實用新型的上述技術方案提供的路面換能設備具有如下優點:
[0020](I)將壓電轉換組件和導電組件置于由封裝組件構成的盒式結構內，便于將其嵌入路面，通過若干個堆疊式壓電轉換單元和若干個懸臂梁式壓電轉換單元共同作用將車輛載荷造成路面振動的機械能轉換為電能，并由導電組件傳輸至電能收集設備，具有加工方便、結構簡單、組裝快捷等優點，使得施工操作簡化方便。此外，由于采用了懸臂梁式壓電轉換單元，使得壓電轉換組件不需要直接承受車輛碾壓載荷，而是通過路面傳遞的振動波即可發電，因此該路面換能設備設置在公路兩邊時也可以實現將路面振動的機械能轉換為電會K。
[0021](2)壓電轉換組件和導電組件均嵌入式地安裝在封裝組件的安裝槽內，安裝方便，且能夠有效避免壓電轉換組件和導電組件發生位移而破壞工作性能。
[0022](3)壓電轉換組件與導電組件的整流橋電路板連接，使得所有的堆疊式壓電轉換單元和懸臂梁式壓電轉換單元在使用時都能處于發電狀態，而不會存在耗電元件。
【附圖說明】
[0023]圖1是本實用新型實施例的路面換能設備的整體結構示意圖；
[0024]圖2是圖1中示出的路面換能設備的分體結構示意圖；
[0025]圖3是圖1中不出的路面換能設備的底板的俯視不意圖。
[0026]圖中:1:底板;11:第一臺階結構;2:蓋板;21:第二臺階結構;3:安裝槽;31:第一凹槽;311:電路板容納槽;312:導線容納槽;32:第二凹槽;33:孔槽;41:通孔;42:盲孔;5:連接件;6:夾持塊;7:夾持塊固定孔。
【具體實施方式】
[0027]為使本實用新型實施例的目的、技術方案和優點更加清楚，下面將結合本實用新型實施例中的附圖，對本實用新型實施例中的技術方案進行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實施例是本實用新型的一部分實施例，而不是全部的實施例。基于本實用新型中的實施例，本領域普通技術人員在沒有做出創造性勞動的前提下所獲得的所有其他實施例，都屬于本實用新型保護的范圍。
[0028]如圖1至圖3所示，本實用新型路面換能設備的一種實施例，本實施例的路面換能設備用于將路面振動的機械能轉換為電能。本實施例的路面換能設備包括:封裝組件、壓電轉換組件和導電組件。封裝組件構成盒式結構，壓電轉換組件和導電組件均設于盒式結構的內部。壓電轉換組件包括若干個堆疊式壓電轉換單元和若干個懸臂梁式壓電轉換單元。導電組件將壓電轉換組件與外部電能收集設備連接，以將壓電轉換組件輸出的電能傳輸至電能收集設備。
[0029]本實施例的上述路面換能設備，將壓電轉換組件和導電組件置于由封裝組件構成的盒式結構內，便于將其嵌入路面，通過若干個堆疊式壓電轉換單元和若干個懸臂梁式壓電轉換單元共同作用將車輛載荷造成路面振動的機械能轉換為電能，并由導電組件傳輸至電能收集設備，具有加工方便、結構簡單、組裝快捷等優點，使得施工操作簡化方便。此外，由于采用了懸臂梁式壓電轉換單元，使得壓電轉換組件不需要直接承受車輛碾壓載荷，而是通過路面傳遞的振動波即可發電，因此該路面換能設備設置在公路兩邊時也可以實現將路面振動的機械能轉換為電能。
[0030]具體地，如圖1所示，在本實施例中，封裝組件包括底板I和蓋板2，蓋板2與底板I貝占合相接構成盒式結構，底板I朝向蓋板2的一面開設有安裝槽3，壓電轉換組件和導電組件均安裝于安裝槽3內。優選地，本實施例的底板I為邊緣部較低且中間部較高的第一臺階結構11，蓋板2為邊緣部較高且中間部較低的第二臺階結構21，第一臺階結構11與第二臺階結構21能夠配合相接，即第一臺階結構11與第二臺階結構21能夠插接，使得底板I和蓋板2貼合相接形成整體密封式的盒式結構。在底板I的邊緣部開設有通孔41，在蓋板2的邊緣部與底板I上的通孔41相對應的位置開設有盲孔42，通孔41和盲孔42內插設有連接件5，連接件5用于連接底板I和蓋板2，以使底板I和蓋板2緊固連接。在本實施例中，盲孔42的內壁設有內螺紋，連接件5采用螺釘，螺釘的外螺紋與盲孔42的內螺紋配合連接。優選地，在底板I與蓋板2之間設有用于防水的防水件，在本實施例中，防水件采用硅膠墊，能夠起到很好的防水作用，避免水滲入盒式結構內部而破壞壓電轉換組件和導電組件的工作性能。當然，封裝組件構成盒式結構的形式并不局限于本實施例的底板I的第一臺階結構11和蓋板2的第二臺階結構21相互配合的形式，也可以采用其它的能夠構成整體盒式結構的方式。優選地，封裝組件的底板I和蓋板2可以采用PA+二硫化鉬尼龍材料，該材料具有強度高、防水、耐磨、耐腐蝕、耐沖擊、幾何穩定性好、適合機床加工等優點，并且其較高的剛度能很好的將外部荷載傳遞到壓電轉換組件。當然，PA+二硫化鉬尼龍板僅是一種示例，也可以采用其他具有強度高、耐腐蝕等性能的材料。
[0031]在本實施例中，壓電轉換組件的堆疊式壓電轉換單元和懸臂梁式壓電轉換單元均能夠將路面振動的機械能轉換為電能。其中，堆疊式壓電轉換單元的材料可以選用高壓電系數材料，例如PZT-5H壓電陶瓷片，其具有很高的壓電系數和機電耦合系數，每個堆疊式壓電轉換單元由若干片壓電陶瓷堆疊而成，根據其極化方向，用導電樹脂和銅箔串聯連接，使得每組壓電轉換單元中的壓電陶瓷的應力狀態一樣。將多個堆疊式壓電轉換單元組成陣列式，放入安裝槽3中，具有便于替換的特點，根據外部應力大小選擇放置的組數以調節堆疊式壓電轉換單元所處的應力大小，保證其工作在最佳的工作狀態。在本實施例中，將3片PZT-5H壓電陶瓷片堆疊成矮柱狀，每兩個壓電陶瓷片之間可以夾有銅箔，再用導電環氧樹脂粘結，形成一個堆疊式壓電轉換單元。每個堆疊式壓電轉換單元的外部可以用防水膠帶纏繞，能夠起到防水防腐以及防磕碰等作用。懸臂梁式壓電轉換單元包括金屬基板、粘貼在金屬基板上的壓電陶瓷片、粘貼在金屬基板上的質量塊以及將金屬基板固定在盒式結構內的夾持塊6。在本實施例中，金屬基板為銅板，在銅板的上下兩側均粘貼有壓電陶瓷片，且兩個壓電陶瓷片串聯。銅板遠離夾持塊6的一端上還設有質量塊，根據外部振動頻率調整銅板尺寸和質量塊的重量，可保證懸臂梁式壓電轉換單元工作在最佳的工作狀態。懸臂梁式壓電轉換單元也采用PZT-5H壓電陶瓷片。在安裝槽3內設有用于固定安裝夾持塊6的夾持塊固定孔7，通過插設于夾持塊固定孔7中的螺絲可將夾持塊6與底板I固定連接。
[0032]在本實施例中，導電組件包括整流橋電路板、將壓電轉換組件與整流橋電路板連接的第一導線和將整流橋電路板與外部電能收集設備連接的第二導線。由此實現將壓電轉換組件輸出的電能收集并傳輸至外部電能收集設備。整流橋電路板的外表面噴涂有電子灌封膠，以達到密封的效果，由此能更好的做防水防塵處理，保護導電組件不受腐蝕。通過將壓電轉換組件與導電組件的整流橋電路板連接，使得所有的堆疊式壓電轉換單元和懸臂梁式壓電轉換單元在使用時都能處于發電狀態，而不會存在耗電元件。
[0033]進一步，在本實施例中，安裝槽3設于第一臺階結構11的中間部，即安裝槽3設在第一臺階結構11的凸起部分上。如圖3所示，安裝槽3包括用于安裝導電組件的第一凹槽31、用于安裝懸臂梁式壓電轉換單元的第二凹槽32以及若干個用于安裝堆疊式壓電轉換單元的孔槽33。其中，第一凹槽31包括用于安裝整流橋電路板的電路板容納槽311和用于安裝第一導線的導線容納槽312，導線容納槽312相對設有兩個，并與電路板容納槽311連通形成呈U型的第一凹槽31。第二凹32和孔槽33均位于U型的第一凹槽31的內部中間位置，且若干個孔槽33在第二凹槽32的兩側呈陣列式分布。由此能夠提高能量收集效率，并且可以依據道路荷載情況，方便地增加或減少堆疊式壓電轉換單元和懸臂梁式壓電轉換單元的數量，使壓電轉換組件處于最有利的工作狀態。并且，壓電轉換組件和導電組件均嵌入式地安裝在封裝組件的相應的安裝槽內，采用模塊化的設計，安裝方便，且能夠有效避免壓電轉換組件和導電組件發生位移而破壞工作性能。
[0034]本實施例的路面換能設備可以用于瀝青混凝土路面能量的收集，在瀝青混凝土路面上使用切割機開槽，槽深與本實施例的路面換能設備高度一樣，由于封裝組件的整體彈性模量大，蓋板2可與路面齊平以直接承受車輛的輪載，路面與設備之間用灌封膠填充，來保持路面整體完整性。當車輛從該設備上方通過時，蓋板2將應力傳遞于壓電轉換組件，壓電轉換組件可以將外部做功(機械能)轉變為電能，通過導電組件收集并輸送至外部電能收集設備存儲，可用于道路指示牌供電，也可以為傳感器供電實現自供電傳感。其中，壓電轉換組件中的壓電陶瓷片可以承受大約60-100MPa的正向應力，車輛載荷作用在蓋板2上，通過蓋板2作用于壓電陶瓷片上，路面車輛標準載荷為0.7MPa，整個蓋板2收集壓力傳遞到壓電陶瓷片上，使得壓電陶瓷片工作應力大于0.7MPa，但遠小于其本身的破壞強度。而懸臂梁式壓電轉換單元在工作時處于振動狀態，并限制了其振幅為10mm，使得壓電陶瓷片不會受到達到其破壞強度的應力。
[0035]綜上所述，本實施例的路面換能設備采用了便于組裝的盒式結構，結構簡單，加工方便，適合批量加工，具有可提前預制、材料壽命長、工作穩定、可回收等特點。采用懸臂梁式壓電轉換單元，使得壓電轉換組件不需要直接承受車輛碾壓載荷，而是通過路面傳遞的振動波即可發電，因此該路面換能設備設置在公路兩邊時也可以實現將路面振動的機械能轉換為電能。封裝組件構成的盒式結構的內部結構還可以成上下左右對稱，從而可以預知各個組件的位置關系，更便于現場組裝和替換，現場放置操作簡單，支持嵌入式鋪裝，施工方便，可回收，容易維護和替換。壓電轉換組件和導電組件均嵌入式地安裝在封裝組件的安裝槽內，能夠有效避免壓電轉換組件和導電組件發生位移而破壞工作性能。壓電轉換組件與導電組件的整流橋電路板連接，使得所有的堆疊式壓電轉換單元和懸臂梁式壓電轉換單元在使用時都能處于發電狀態，而不會存在耗電元件。此外，該設備的各個部件均可量產，單個部件損壞，可單獨替換，有利于降低損耗成本。
[0036]最后應說明的是:以上實施例僅用以說明本實用新型的技術方案，而非對其限制；盡管參照前述實施例對本實用新型進行了詳細的說明，本領域的普通技術人員應當理解:其依然可以對前述各實施例所記載的技術方案進行修改，或者對其中部分技術特征進行等同替換;而這些修改或者替換，并不使相應技術方案的本質脫離本實用新型各實施例技術方案的精神和范圍。
【主權項】
1.一種路面換能設備，用于將路面振動的機械能轉換為電能，其特征在于，包括:封裝組件、壓電轉換組件和導電組件，所述封裝組件構成盒式結構，所述壓電轉換組件和所述導電組件均設于所述盒式結構的內部;所述壓電轉換組件包括若干個堆疊式壓電轉換單元和若干個懸臂梁式壓電轉換單元;所述導電組件將所述壓電轉換組件與外部電能收集設備連接，以將所述壓電轉換組件輸出的電能傳輸至所述電能收集設備。2.根據權利要求1所述的路面換能設備，其特征在于，所述封裝組件包括底板和與所述底板貼合相接的蓋板，所述底板朝向所述蓋板的一面開設有安裝槽，所述壓電轉換組件和所述導電組件均安裝于所述安裝槽內。3.根據權利要求2所述的路面換能設備，其特征在于，所述底板為邊緣部較低且中間部較高的第一臺階結構，所述蓋板為邊緣部較高且中間部較低的第二臺階結構，所述第一臺階結構與所述第二臺階結構能夠配合相接。4.根據權利要求3所述的路面換能設備，其特征在于，在所述底板的邊緣部開設有通孔，在所述蓋板的邊緣部與所述通孔相對應的位置開設有盲孔，所述通孔與所述盲孔內插設有連接所述底板和所述蓋板的連接件。5.根據權利要求2所述的路面換能設備，其特征在于，所述安裝槽包括用于安裝所述導電組件的第一凹槽、用于安裝所述懸臂梁式壓電轉換單元的第二凹槽以及若干個用于安裝所述堆疊式壓電轉換單元的孔槽。6.根據權利要求5所述的路面換能設備，其特征在于，若干個所述孔槽在所述第二凹槽的兩側呈陣列式分布。7.根據權利要求2所述的路面換能設備，其特征在于，所述底板與所述蓋板之間設有用于防水的防水件。8.根據權利要求1所述的路面換能設備，其特征在于，所述懸臂梁式壓電轉換單元包括金屬基板、粘貼在所述金屬基板上的壓電陶瓷片、粘貼在所述金屬基板上的質量塊以及將所述金屬基板固定在所述盒式結構內的夾持塊。9.根據權利要求1所述的路面換能設備，其特征在于，所述導電組件包括整流橋電路板、將所述壓電轉換組件與所述整流橋電路板連接的第一導線和將所述整流橋電路板與所述外部電能收集設備連接的第二導線。10.根據權利要求1所述的路面換能設備，其特征在于，所述整流橋電路板的外表面噴涂有電子灌封膠。
【文檔編號】H02N2/18GK205610503SQ201620213440
【公開日】2016年9月28日
【申請日】2016年3月18日
【發明人】楊海露, 曹東偉, 汪林兵, 何敏, 徐嘯塵, 趙立東
【申請人】交通運輸部公路科學研究所