一种路用水泥基材料压力发电封装结构的制作方法

一种路用水泥基材料压力发电封装结构的制作方法
【技术领域】
[0001]本发明属于道路建设领域，特别涉及一种路用水泥基材料压力发电封装结构。
【背景技术】
[0002]随着能源消耗加剧，化石能源逐渐枯竭，可再生、无污染的新能源必将作为未来的主要能源，公路运输作为主要交通方式，路面承受车辆轴载反复作用，蕴藏着巨大的振动能量，压电振动能量收集装置能够收集路面振动能量，并将其转化为电能存储利用。
[0003]目前涉及到利用压电材料作为路面振动能量收集技术的发明及实际应用很少，具体涉及到封装技术的更少，而且现有的一些封装结构存在的结构复杂，制作难度大，制作及维护成本高昂，不适合规模化生产，实际工程应用难度大问题。
[0004]中国专利CN102324871《一种压电型能量收集单元及其应用》介绍了一种利用简支梁结构作为压电能量收集装置，但该封装结构复杂，承载能力小，且形变位移量大，不适合埋设在在大模量的混凝土路面中。
[0005]中国专利CN102570620《步行能量收集系统》公开了一种步行能量收集系统，该装置封装结构内部采用多级楔块组合，楔形接触面需要加工凹槽安装滚珠，接触面涂润滑油，内部安装弹簧组件，结构繁杂，可靠度不高，内部结构须定期加润滑油维护，规模化生产成
[0006]传统压力发电方式多用高强度、高韧性的金属材料或者工程塑料制作外部封装结构，但这些材料存在与路面混凝土材料相容性差、价格高昂、制作成本高、耐腐蚀性和抗老化性能差等诸多弊端。对于上述存在的问题，本发明采用成本相对低廉的、易浇筑成型的水泥基材料作为传荷及封装部分，能极大降低制作成本和难度，易于规模化生产，后期维护方便，而且水泥基封装材与路面材料一致，提高了路面与封装结构的耦合性，对路面结构影响小。

【发明内容】

[0007]为了克服上述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种路用水泥基材料压力发电封装结构，能够有效解决路面压力发电封装结构相容性差、加工难度大、维护成本高等问题，并能实现路面压电能量收集装置的低成本和规模化生产；具有制作简单、成本低廉、适合埋设在路面内的特点。
[0008]为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是:
[0009]一种路用水泥基材料压力发电封装结构，包括:
[0010]水泥基盖板I ;
[0011]水泥基中板2;
[0012]水泥基底板3;
[0013]设置于水泥基盖板I下表面与水泥基中板2上表面之间的导电电极板一 41 ;
[0014]设置于水泥基底板3上表面与水泥基中板2下表面之间的导电电极板二 42 ;以及
[0015]安装于水泥基中板2中的若干压力发电元件5，压力发电元件5被导电电极板一41和导电电极板二 42夹紧。
[0016]所述水泥基中板2中预留压电安装孔11和导线连接孔12，压力发电元件5埋设于压电安装孔11中，连接导电电极板一 41和导电电极板二 42的导线7通过导线连接孔12引出至外接电路，所述水泥基中板2嵌在水泥基盖板I和水泥基底板3之间的空腔内，水泥基盖板I和水泥基底板3的外缘均预留有螺栓安装孔9，螺栓安装孔9端部留有螺栓及螺母安装沉头孔10，水泥基盖板I和水泥基底板3通过螺栓6连接。
[0017]所述导电电极板一 41和导电电极板二 42为紫铜板或者导电铝合金板，所述导电电极板一 41通过环氧树脂胶固定在水泥基盖板I的下表面，所述导电电极板二 42通过环氧树脂胶固定在水泥基底板3的上表面。
[0018]所述压力发电元件5为堆栈式压电换能器或钹式压电换能器，堆栈式压电换能器的陶瓷电极面均涂有银电极，电极面贴有铜箔，铜箔之间通过导线连接，压构成多片压电陶瓷片堆栈；钹式压电换能器采用圆形压电陶瓷片双面贴铜箔端帽制作而成，导线通过压电陶瓷片两侧端帽引出；堆栈式压电换能器与钹式压电换能器的连接电路均为并联连接。
[0019]所述堆栈式压电换能器或钹式压电换能器均采用锆钛酸铅材质的压电陶瓷片。
[0020]所述堆栈式压电换能器或钹式压电换能器的外部形状为柱体，多片层叠结构，多片层叠结构构成柱体的侧边通过橡胶套固定，通过电极板传递的螺栓预紧力夹紧。
[0021 ] 所述水泥基盖板1、水泥基中板2和水泥基底板3所采用的水泥基材料均为自流平、无收缩的水泥基材料，其初始流动度大于260mm，3天抗压强度大于40MPa。
[0022]所述水泥基盖板1、水泥基中板2和水泥基底板3均通过混凝土饶筑制作完成，饶筑模具采用钢制拼接组装模具，盖板模具、中板模具和底板模具均采用三部分拼接方式制作；盖板模具包括上部圆凸台13、中部对开半圆结构14和下部双层圆凸台结构15，模具安装时，中部对开半圆结构14拼接嵌在下部双层圆凸台结构15的下层台阶与上部圆凸台13的台阶之间，螺栓安装孔9和安装沉头孔10通过预埋聚乙烯套管16制作，聚乙烯套管16套在固定模具的螺栓上；水泥基底板3尺寸与水泥基盖板I尺寸相同，共用一套模具；中板模具采用对称圆形凸台结构一 17和对称圆形凸台结构二 19与对开半圆形侧板结构18拼接，对开半圆形侧板结构18安装在对称圆形凸台结构一 17和对称圆形凸台结构二 19之间，压电安装孔11通过预埋聚乙烯柱体20制作，聚乙烯柱体20固定在模具固定螺栓上。
[0023]装结构做防渗处理，外表面涂刷环氧树脂，水泥基盖板I和水泥基底板3连接缝隙处用橡胶垫圈8密封。
[0024]本发明封装结构埋设于路面轮迹带处的路面或者路面下一定深度，例如3-5cm处，产生的电能通过预留的导线引出，埋设时单个或多个压力发电封装结构组成一个电路系统，各封装结构之间电学并联。
[0025]与现有技术相比，本发明的有益效果是:
[0026](I)本发明利用价格低廉的水泥混凝土材料制作封装部件及其制作方法，能有效降低道路路面发电装置成本，为压力发电装置的规模化生产及实际工程应用提供条件。
[0027](2)本发明水泥基封装材料与混凝土路面的相容性好，对路面结构影响小，使用寿命长，后期维护成本小。
[0028](3)本发明实现了路面能量的回收利用，为回收路面可再生能源提供了一种切实可行的方案。产生的能量可以用来为路面照明和信号指示灯供电，减少了路面附属供电设施的投入，尤其适用在隧道及偏远地区供电不便处。
【附图说明】
[0029]图1为压力发电封装结构内部剖视图。
[0030]图2为压力发电封装结构水泥基外部结构示意图。
[0031]图3-1和图3-2为水泥基材料压力发电封装结构盖板正反面等轴视图。
[0032]图4为水泥基材料压力发电封装结构中板图。
[0033]图5-1和图5-2为水泥基材料压力发电封装结构盖板模具图。
[0034]图6-1和图6-2为水泥基材料压力发电封装结构中板模具图。
[0035]图7-1为压力发电单元外部结构图。
[0036]图7-2堆栈式压电发电装置内部压电换能器结构剖视图。
[0037]图7-3钹式压电发电装置内部压电换能器结构剖视图。
[0038]图8-1为水泥基材料压力发电封装结构的铺设横向剖视图。
[0039]图8-2和图8-3为水泥基材料压力发电封装结构铺设示意图。
【具体实施方式】
[0040]下面结合附图和实施例详细说明本发明的实施方式。
[0041]为使本发明目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
[0042]1、本发明实施例提供一种利用水泥基材料制作压力发电器外部封装结构及其制作方法，并利用该封装结构制作压力发电器件。该方法采用价格低廉的混凝土材料做原料，利用浇筑成型方法制作压力发电封装结构，该方法成本低廉，制作简单方便，能够实现路面压电能量收集的生产低成本化和规模化。
[0043]2、如图1和图2所示，本实施例封装结构外形采用圆形结构，主要包括水泥基盖板1，水泥基中板2，水泥基底板3，导电电极板一 41和导电电极板二 42，压力发电元件5等，通过螺栓6固定连接水泥基盖板I与水泥基底板3，水泥基中板2安装在水泥基盖板I与水泥基底板3之间的空腔内，导电电极板一 41位于水泥基盖板I下表面与水泥基中板2上表面之间，通过环氧树脂胶贴在水泥基盖板I下表面，导电电极板二 42位于水泥基底板3上表面与水泥基中板2下表面之间，通过环氧树脂胶贴在水泥基底板3上表面，导电电极板一41和导电电极板二 42可以为导电良好的紫铜板或者导电铝合金板。压力发电元件5安装在水泥基中板2内的压电安装孔中，并通过导电电极板一 41和导电电极板二 42夹紧，载荷通过水泥基盖板I传递到导电电极板一 41上，然后传递至压力发电元件5，电流通过导电电极板一 41、导电电极板二 42、引出导线7传递至外部电路21。
[0044]3、本实时例选取圆形压力发电封装结构，制作方法如下:
[0045](I)封装结构模具制作
[0046]考虑到模具的可重复性利用及浇筑成型精 度的要求，选用铸钢材料制作模具，为方便拆装，将模具制作为拼接式组装模具；水泥基盖板I与水泥基底板3的尺寸完全相同，如图3-1、图3-2为水泥基盖板I的正、反面等轴测视图，可以采用同一套模具制作，模具采用三部分四片结构制作，如图5-1和图5-2所示，分为上部圆凸台13及下部双层圆凸台结构15以及中部对开半圆结构14，中部对开半圆结构14嵌在上部圆凸台13及下部双层圆凸台结构15的台阶处，对于盖板内侧内凹结构采用下部上层凸台浇筑，螺栓孔9和沉头孔10采用单侧有凸台结构可拆卸的聚乙烯套管16穿在固定模具的螺栓上浇筑而成，套筒内径Φ 5.5mm，外径Φ 6mm，凸台侧外径Φ 12mm，螺栓为M6螺栓外径Φ 5.5mm。
[0047]图4为水泥基中板2的结构图，中板模具制作方法类似于盖板和底板，采用三部分四片结构拼接组装式模具，如图6-1及图6-2所示，上、下部分采用对称圆形凸台结构一 17和对称圆形凸台结构二 19，中部采用对开半圆形侧板结构18，对开半圆形侧板结构18嵌在对称圆形凸台结构一 17和对称圆形凸台结构二 19的台阶处，通过上下凸台面上螺栓固定，压电安装孔11通过预埋直径Φ 22的聚乙烯柱体20制作而成，聚乙烯柱体20中心开有螺纹孔，拧在固定模具用的螺栓上。
[0048](2)饶筑水泥基盖板1、水泥基底板3和水泥基中板2时，应逐层饶筑，饶筑盖板时先均匀浇筑底部凹槽处，用插捣棒轻微插捣，待混凝土均匀流平后再继续浇筑，按同样方法浇筑中板，待混凝土均匀流平后继续浇筑，浇筑过程中应配合橡胶锤。浇筑完成后，拧紧固定模具的螺栓，将模具直立，养护三天后拆模，拆模后对缺陷处修整。
[0049]4、压力发电结构的安装，水泥基盖板I和水泥基底板3内侧刷一层厚度约为0.2mm的环氧树脂胶，贴装导电电极板一 41和导电电极板二 42后，连接导线7，将压力发电元件5安装在压电安装孔11内，将水泥基中板2嵌入水泥基底板3，压紧压力发电元件5使其与水泥基底板3内的导电电极板二 42完全接触，在水泥基底板3与水泥基盖板I接触的边缘铺设一层厚约1_的橡胶垫圈8，盖上水泥基盖板1，稍稍压紧确保水泥基盖板I内侧的导电电极板一 41与压力发电元件5接触，先将所有螺栓6和螺母拧入水泥基盖板I和水泥基底板3之间的螺栓孔9内，依次增加螺栓6与螺母之间的预紧力，尽量保持各螺栓6之间预紧力相接近，最后利用万用表检测引出导线间的电容与所安装的压力发电元件5总电容是否相近，来判断导电电极板与压力发电元件5之间连接是否完好。封装后结构如图7-1所不O
[0050]本发明压力发电元件5为堆栈式压电换能器或钹式压电换能器，压电陶瓷片采用锆钛酸铅材质，外部形状为柱体，多片层叠结构，多片层叠结构构成柱体的侧边通过橡胶套固定，通过电极板传递的螺栓预紧力夹紧。如图7-2所示，堆栈式压电换能器的陶瓷电极面均涂有银电极，电极面贴有铜箔，铜箔之间通过导线连接，压构成多片压电陶瓷片堆栈。如图7-3所示，钹式压电换能器采用圆形压电陶瓷片双面贴铜箔端帽制作而成，导线通过压电陶瓷片两侧端帽引出；堆栈式压电换能器与钹式压电换能器的连接电路均为并联连接。
[0051]5、压力发电封装结构的外部处理，在封装结构的外侧表面应涂刷厚度约为Imm的环氧树脂做防渗处理，螺栓孔9以及导线连接孔12的缝隙内填充高分子密封胶，并检查水泥基盖板I与水泥基底板3之间连接缝隙内橡胶垫圈8是否完全填充在缝隙内。
[0052]6、压力发电封装结构布设及外部连接，压力发电器路面布设方式为双排，沿车辆轮迹带方向布设，各封装结构之间的电路连接为并联，外部导线布设在轮迹带外侧，如图8-1，8-2 所示
[0053]7、压力发电封装结构的埋置方法，本压力发电封装结构埋设在混凝土路面内，水泥混凝土路面和沥青混凝土路面埋设方法不同，对于水泥混凝土路面，应在浇筑成型时将封装结构直接埋设在路面以下4cm处，外部用混凝土掩埋，或者在以浇筑成型的混凝土路表面开槽，将压力发电封装结构直接埋设在路表面；对于沥青混凝土路面，应在路表用铣刨机铣刨出深为15cm，宽为60cm的槽，槽底部用水泥混凝土找平2cm，将压力发电封装结构直接铺设在找平层上，然后用水泥混凝土填充在各压力发电封装结构之间的间隙，待混凝土硬化后将压力发电封装上部铺设一层油毛毡材料，然后再在最上层铺设厚约4cm的沥青表面层，压力发电结构引出的导线通过在侧边挖出一条深为5cm左右的导线埋设槽21连接至电能收集装置，如图8-3所示。
【主权项】
1.一种路用水泥基材料压力发电封装结构，其特征在于，包括: 水泥基盖板(I); 水泥基中板⑵； 水泥基底板(3)； 设置于水泥基盖板(I)下表面与水泥基中板(2)上表面之间的导电电极板一(41); 设置于水泥基底板(3)上表面与水泥基中板(2)下表面之间的导电电极板二(42);以及 安装于水泥基中板(2)中的若干压力发电元件(5)，压力发电元件(5)被导电电极板一(41)和导电电极板二(42)夹紧。2.根据权利要求1所述路用水泥基材料压力发电封装结构，其特征在于，所述水泥基中板⑵中预留压电安装孔(11)和导线连接孔(12)，压力发电元件(5)埋设于压电安装孔(11)中，连接导电电极板一(41)和导电电极板二(42)的导线(7)通过导线连接孔(12)引出至外接电路，所述水泥基中板⑵嵌在水泥基盖板⑴和水泥基底板⑶之间的空腔内，水泥基盖板⑴和水泥基底板⑶的外缘均预留有螺栓安装孔(9)，螺栓安装孔(9)端部留有螺栓及螺母安装沉头孔(10)，水泥基盖板(I)和水泥基底板(3)通过螺栓(6)连接。3.根据权利要求1所述路用水泥基材料压力发电封装结构，其特征在于，所述导电电极板一(41)和导电电极板二(42)为紫铜板或者导电铝合金板，所述导电电极板一(41)通过环氧树脂胶固定在水泥基盖板(I)的下表面，所述导电电极板二(42)通过环氧树脂胶固定在水泥基底板(3)的上表面。4.根据权利要求1所述路用水泥基材料压力发电封装结构，其特征在于，所述压力发电元件(5)为堆栈式压电换能器或钹式压电换能器，堆栈式压电换能器的陶瓷电极面均涂有银电极，电极面贴有铜箔，铜箔之间通过导线连接，压构成多片压电陶瓷片堆栈；钹式压电换能器采用圆形压电陶瓷片双面贴铜箔端帽制作而成，导线通过压电陶瓷片两侧端帽引出；堆栈式压电换能器与钹式压电换能器的连接电路均为并联连接。5.根据权利要求4所述路用水泥基材料压力发电封装结构，其特征在于，所述堆栈式压电换能器或钹式压电换能器均采用锆钛酸铅材质的压电陶瓷片。6.根据权利要求4所述路用水泥基材料压力发电封装结构，其特征在于，所述堆栈式压电换能器或钹式压电换能器的外部形状为柱体，多片层叠结构，多片层叠结构构成柱体的侧边通过橡胶套固定，通过电极板传递的螺栓预紧力夹紧。7.根据权利要求1所述路用水泥基材料压力发电封装结构，其特征在于，所述水泥基盖板(I)、水泥基中板(2)和水泥基底板(3)所采用的水泥基材料均为自流平、无收缩的水泥基材料，其初始流动度大于260mm，3天抗压强度大于40MPa。8.根据权利要求1或7所述路用水泥基材料压力发电封装结构，其特征在于，所述水泥基盖板(I)、水泥基中板(2)和水泥基底板(3)均通过混凝土浇筑制作完成，浇筑模具采用钢制拼接组装模具，盖板模具、中板模具和底板模具均采用三部分拼接方式制作；盖板模具包括上部圆凸台(13)、中部对开半圆结构(14)和下部双层圆凸台结构(15)，模具安装时，中部对开半圆结构(14)拼接嵌在下部双层圆凸台结构(15)的下层台阶与上部圆凸台(13)的台阶之间，螺栓安装孔(9)和安装沉头孔(10)通过预埋聚乙烯套管(16)制作，聚乙烯套管(16)套在固定模具的螺栓上；水泥基底板(3)尺寸与水泥基盖板(I)尺寸相同，共用一套模具；中板模具采用对称圆形凸台结构一 (17)和对称圆形凸台结构二(19)与对开半圆形侧板结构(18)拼接，对开半圆形侧板结构(18)安装在对称圆形凸台结构一(17)和对称圆形凸台结构二(19)之间，压电安装孔(11)通过预埋聚乙烯柱体(20)制作，聚乙烯柱体(20)固定在模具固定螺栓上。9.根据权利要求1所述路用水泥基材料压力发电封装结构，其特征在于，封装结构做防渗处理，外表面涂刷环氧树脂，水泥基盖板(I)和水泥基底板(3)连接缝隙处用橡胶垫圈(8)密封。10.根据权利要求1所述路用水泥基材料压力发电封装结构，其特征在于，其埋设于路面轮迹带处的路面或者路面下3-5cm深度。
【专利摘要】一种路用水泥基材料压力发电封装结构，包括：水泥基盖板、水泥基中板、水泥基底板、设置于水泥基盖板下表面与水泥基中板上表面之间的导电电极板一、设置于水泥基底板上表面与水泥基中板下表面之间的导电电极板二以及安装于水泥基中板中的若干压力发电元件，本发明利用压电元件受载变形释放电荷，适用在道路路面及人行道、地铁闸机口等交通量大或人流量密集处，本发明利用水泥混凝土材料制作封装部件，能有效降低发电装置制作成本，并提高发电装置与路面之间的耦合性，减小对路面结构影响小，延长使用寿命，提高压电发电的经济性，适合规模化生产。
【IPC分类】H02N2/18, E01C9/00
【公开号】CN104883092
【申请号】CN201510347327
【发明人】魏亚, 黄斌, 汪林兵
【申请人】清华大学, 北京科技大学
【公开日】2015年9月2日
【申请日】2015年6月19日