一种非同步车辆荷载作用下道路压电发电装置及发电系统

1.一种非同步车辆荷载作用下道路压电发电系统，包括在道路的沥青混凝土层(9)的车道轮迹带(10)上对称布设多个道路压电发电装置(11)，其特征在于：
在道路同一横断面上对称布设的道路压电发电装置(11)先并联，然后与整流电路(12)相连，整流电路(12)的输出端上安装有只允许电流从整流电路(12)输出的二极管(13)，在道路同一横断面上形成一个发电组(14)；
每个发电组(14)之间再并联，然后通过滤波电路(15)与负载(16)相连；
所述的道路压电发电装置(11)包括箱体(1)，箱体(1)内设置有活塞(2)，活塞(2)上安装有伸出箱体(1)上表面的活塞杆(3)，活塞杆(3)伸出箱体(1)外表面的端部安装有受力盘(4)；
所述的箱体(1)下表面的内部加工有多个固定卡槽(5)，每个固定卡槽(5)内安装有压电陶瓷片(6)，多个压电陶瓷片(6)之间并联，每个压电陶瓷片(6)下方的箱体(1)上设置有变形凹槽(7)；
所述的活塞(2)和压电陶瓷片(6)之间的箱体(1)内填充有液压油(8)；
所述的压电陶瓷片(6)呈阵列式分布；
同一条所述的车道轮迹带(10)上相邻的两个道路压电发电装置(11)之间的间距为20～50cm。

一种非同步车辆荷载作用下道路压电发电装置及发电系统\n技术领域\n[0001] 本发明属于道路工程领域，涉及压电发电，具体涉及一种非同步车辆荷载作用下道路压电发电装置及发电系统。\n背景技术\n[0002] 沥青路面在使用寿命周期内，将承受数以百万次的车辆荷载作用，路面结构内部积存着可观的机械振动能量，其中一部分以热能的形式逸散到空气中，另一部分则最终导致路面结构破坏，若能够将此部分能量采集利用并转换为电能，将带来可观的经济及社会效益。国内外针对该领域开展了较为广泛的研究，研究成果多基于压电材料的正压电效应，开发设计压电换能装置，将其植入路面结构内部，实现车辆荷载作用下机械应变能到电能的转换。然而目前的成果多仅限于通过优化压电换能器结构以实现压电单元单体输出功率的提高，而对于如何提高道路整体发电系统的输出功率则鲜有研究涉及。\n[0003] 现有压电换能结构单体的有效输出功率多在豪瓦级别，难以满足道路日常用电设备的用电需求。为有效提升道路压电发电系统的输出功率，多采用大量压电单元电学并联的组合方式，具体到路面内部来说，通常为沿行车方向按照一定间隔依次成排布设压电单元，而当车辆经过时，各排压电单元将承受非同步的车辆荷载作用，各排压电单元输出交流电存在一定的波形时间差，而由于压电材料的逆压电效应，且各排压电单元为并联连接各输出端存在相通点，承受车辆荷载作用的压电单元输出电能将通过输出端的相通点传输给未受荷载作用的压电单元，促使其产生结构形变而导致电能内耗，严重降低了各压电单元的输出功率。\n发明内容\n[0004] 针对现有技术中存在的不足，本发明的目的在于，提供一种非同步车辆荷载作用下道路压电发电装置，解决现有道路压电发电装置由于受力不均匀导致交流电输出步调不一致的问题。\n[0005] 本发明的另一目的在于提供一种非同步车辆荷载作用下的道路压电发电系统，解决现有道路压电发电系统电能内耗大的问题。\n[0006] 为了解决上述技术问题，本申请采用如下技术方案予以实现：\n[0007] 一种非同步车辆荷载作用下道路压电发电装置，包括箱体，箱体内设置有活塞，活塞上安装有伸出箱体上表面的活塞杆，活塞杆伸出箱体外表面的端部安装有受力盘；\n[0008] 所述的箱体下表面的内部加工有多个固定卡槽，每个固定卡槽内安装有压电陶瓷片，多个压电陶瓷片之间并联，每个压电陶瓷片下方的箱体上设置有变形凹槽；\n[0009] 所述的活塞和压电陶瓷片之间的箱体内填充有液压油。\n[0010] 一种非同步车辆荷载作用下道路压电发电系统，包括在道路的沥青混凝土层的车道轮迹带上对称布设多个道路压电发电装置，在道路同一横断面上对称布设的道路压电发电装置先并联，然后与整流电路相连，整流电路的输出端上安装有只允许电流从整流电路输出的二极管，在道路同一横断面上形成一个发电组；\n[0011] 每个发电组之间再并联，然后通过滤波电路与负载相连。\n[0012] 本发明还具有如下区别技术特征：\n[0013] 所述的道路压电发电装置为上述非同步车辆荷载作用下道路压电发电装置。\n[0014] 所述的压电陶瓷片呈阵列式分布。\n[0015] 同一条所述的车道轮迹带上相邻的两个道路压电发电装置之间的间距为20～\n50cm。\n[0016] 本发明与现有技术相比，有益的技术效果是：\n[0017] (Ⅰ)本发明的道路压电发电装置单元在荷载作用下，通过活塞压缩液压油，以液压油为媒介提供施加于固定在箱体底部的所有压电陶瓷片表面大小方向一致的作用力，保证所有压电陶瓷片输出步调一致的交流电，避免了压电陶瓷片常规布设方式下，沿行车方向并联连接的各压电陶瓷片在正逆压电效应的作用下，受力压电单元产生的电能被未受力压电单元消耗的问题，提高了系统的电能输出功率。\n[0018] (Ⅱ)本发明的道路压电发电系统可保证在道路同一横断面方向埋设的两个道路压电发电装置在车辆经过时保持同一步调的电能输出效果，整流电路和二极管可保证道路压电发电装置输出电能仅能单向流通，阻断了电能的反向流动，避免了沿行车方向间隔布设的道路压电发电装置在正逆压电效应下出现的电能内耗问题，保证电能全部有效输出。\n附图说明\n[0019] 图1为道路压电发电装置的外部结构示意图。\n[0020] 图2为道路压电发电装置的内部结构示意图。\n[0021] 图3为压电陶瓷片的布设图。\n[0022] 图4为道路压电发电系统的连接示意图。\n[0023] 图中各个标号的含义为：1-箱体，2-活塞，3-活塞杆，4-受力盘，5-固定卡槽，6-压电陶瓷片，7-变形凹槽，8-液压油，9-沥青混凝土层，10-车道轮迹带，11-道路压电发电装置，12-整流电路，13-二极管，14-发电组，15-滤波电路，16-负载。\n[0024] 以下结合实施例对本发明的具体内容作进一步详细地说明。\n具体实施方式\n[0025] 遵从上述技术方案，以下给出本发明的具体实施例，需要说明的是本发明并不局限于以下具体实施例，凡在本申请技术方案基础上做的等同变换均落入本发明的保护范围。下面结合实施例对本发明做进一步详细说明。\n[0026] 实施例1：\n[0027] 本实施例给出一种非同步车辆荷载作用下道路压电发电装置，如图1至图3所示，包括箱体1，：箱体1内设置有活塞2，活塞2上安装有伸出箱体1上表面的活塞杆3，活塞杆3伸出箱体1外表面的端部安装有受力盘4；\n[0028] 所述的箱体1下表面的内部加工有多个固定卡槽5，每个固定卡槽5内安装有压电陶瓷片6，多个压电陶瓷片6之间并联，每个压电陶瓷片6下方的箱体1上设置有变形凹槽7；\n[0029] 所述的活塞2和压电陶瓷片6之间的箱体1内填充有液压油8。\n[0030] 箱体1为刚性箱体，由刚性材料焊接制作的内表面涂刷有绝缘材料的立方体结构，箱体1外形为正方体结构，边长为50～100cm，高度为1～1.5cm，受力盘4凸出箱体1的高度为\n0.5～1cm。压电陶瓷片6呈阵列式分布。\n[0031] 固定卡槽5为圆形，直径为35mm，可将压电陶瓷片6采用高粘胶将其黏贴固定在固定卡槽5内。\n[0032] 受力盘4在车辆荷载作用下，通过活塞杆3带动活塞2沿竖直方向移动，箱体1内部液压油8压力增大，施加给固定于箱体1底面压电陶瓷片6方向大小一致的竖向压应力，变形凹槽7为压电陶瓷片6提供变形空间，箱体1底部各压电陶瓷片6产生步调一致的交流电能。\n[0033] 实施例2：\n[0034] 本实施例给出一种非同步车辆荷载作用下道路压电发电系统，如图1至图4所示，包括在道路的沥青混凝土层9的车道轮迹带10上对称布设多个道路压电发电装置11，所述的道路压电发电装置11为实施例1中记载的道路压电发电装置；\n[0035] 在道路同一横断面上对称布设的道路压电发电装置11先并联，然后与整流电路12相连，整流电路12的输出端上安装有只允许电流从整流电路12输出的二极管13，在道路同一横断面上形成一个发电组14；\n[0036] 每个发电组14之间再并联，然后通过滤波电路15与负载16相连。\n[0037] 同一个发电组14在车辆荷载经过时，可输出步调一致的电能。\n[0038] 道路压电发电装置11埋置于沥青混凝土层9的上面层与下面层层间结合处，道路压电发电装置11经传输导线输出到沥青混凝土层9外部，接入整流电路12。\n[0039] 同一条所述的车道轮迹带10上相邻的两个道路压电发电装置11之间的间距为20～50cm。\n[0040] 整流电路12采用常规的整流电路，如桥式整流电路，滤波电路15也采用常规滤波电路。整流电路12将道路压电发电装置11输出的交流电转换为直流电，单向导通的二极管\n13保证输出直流电仅能沿一个方向输出，阻断反方向电流流动。滤波电路15将直流电调整为平稳直流输出供给负载16使用。\n[0041] 本实施例的系统可保证在道路同一横断面方向埋设的两个道路压电发电装置11在车辆经过时保持同一步调的电能输出效果，整流电路12和二极管13可保证道路压电发电装置输出电能仅能单向流通，阻断了电能的反向流动，避免了沿行车方向间隔布设的道路压电发电装置11在正逆压电效应下出现的电能内耗问题，保证电能全部有效输出。