一种装配式压电融冰雪路面的制作方法

1.本实用新型属于道路压电发电技术领域，具体是涉及一种装配式压电融冰雪路面。


背景技术：

2.从2013年到2019年，我国电力消费总量不断增加，由5.4增加到7.32 万亿千瓦时，其中火电约占七成。火力发电会排放大量的温室气体，会引发加剧全球变暖的严峻环境问题，为此寻求新的清洁发电方式是亟需的。
3.基于压电发电技术，将车辆在路面上行驶产生的机械能转化为电能是一种可行的应用方式，可以丰富道路通行功能之外的功能性。道路压电发电技术是一种可再生、清洁、长期的发电方式，可缓解我国目前过度依赖煤发电所产生的环境问题，有潜在的前景和巨大的社会效益。
4.而目前的研究是将压电装置埋设于路面之中或是直接作为道路材料，其现场施工相对困难。压电装置的能量转化受到压电装置自身材料、荷载频率、埋设深度和水分等多因素影响，将压电装置直接埋设于路面之中或是直接作为结构，在车辆荷载和环境作用下，压电装置的失效的可能性很高。因此，需保障其长期的工作条件稳定，以提高压电装置的使用寿命。
5.在冰冻地区，冬季降雪后会在路面结冰，会极大的降低道路抗滑性能，严重影响车辆和行人出行安全。常见的道路除冰雪的方式主要有：机械法、化学法、微波法和热力法。热力法是能量转化的方式，是路面升温实现融化冰雪的目的，依据加热方式可分为循环流体加热方式和电加热方式。而目前的电加热方式是在路面施工过程中埋设加热管道，可能会在施工过程中受损。


技术实现要素：

6.本实用新型的目的在于克服上述现有技术中的不足，提供一种装配式压电融冰雪路面，其通过在车道中部埋设电加热管，可在冬季降雪后，将压电结构产生的电能转化为热能加热路面来融化路面冰雪；路面结构均采用预制的方式，可保证施工质量，减少加热装置在施工过程中的受损可能性。
7.为实现上述目的，本实用新型采用的技术方案是：一种装配式压电融冰雪路面，其特征在于：包括多个预制压电融冰雪路面单元和对所述预制压电融冰雪路面单元产生的电能进行变换存储的电控箱，沿道路延伸方向铺设的相邻两个所述预制压电融冰雪路面单元共用一个电控箱，所述预制压电融冰雪路面单元包括预制水泥混凝土板，所述预制水泥混凝土板的左右两侧沿车辆行驶方向均匀开设有多个预留孔，所述预制水泥混凝土板左右两侧的预留孔位于车道轮迹带内，每个所述预留孔内均设置有压电装置和预制混凝土压柱，所述预制混凝土压柱位于压电装置的上方且预制混凝土压柱将轮胎的载荷传递给压电装置使得压电装置产生电能，所述压电装置内设置有用于将压电装置产生的交流电转换成直
流电的整流器；所述预制水泥混凝土板的中部沿车辆行驶方向开设有加热管安装槽，所述加热管安装槽内铺设有电加热管，所述电控箱包括电控箱体，所述电控箱体内设置有控制器、将直流电进行电流电压变换的dc/dc变换器和用于储存电能的蓄电池，所述蓄电池与dc/dc变换器连接，所述控制器与蓄电池和电加热管均连接且控制蓄电池向电加热管提供加热所需的电能；所述预制水泥混凝土板的上方铺设有封水层，所述封水层的上方铺设有沥青混凝土面层。
8.上述的一种装配式压电融冰雪路面，其特征在于：所述预制水泥混凝土板的左右两侧沿车辆行驶方向均开有纵向预埋电缆管道，所述纵向预埋电缆管道位于预留孔的底部中心处，所述纵向预埋电缆管道内设置有纵向线缆；所述预制水泥混凝土板的一端中部开设有截面是半圆形的横向预埋电缆管道，所述整流器的直流电输出端与位于其同侧的纵向线缆连接；沿道路延伸方向铺设的相邻两个所述预制压电融冰雪路面单元共用一根横向线缆，共用一根横向线缆的两个所述预制压电融冰雪路面单元的所述横向预埋电缆管道相对设置且两者之间形成一根横向预埋电缆管，所述横向预埋电缆管内设置有横向线缆，所述横向线缆与纵向线缆连接，所述横向线缆还与dc/dc变换器连接。
9.上述的一种装配式压电融冰雪路面，其特征在于：所述压电装置包括从上至下依次设置的上绝缘材料层、中间压电材料层和下绝缘材料层，所述中间压电材料层和下绝缘材料层的中心均开有相同大小的圆孔且两个圆孔共同形成整流器放置槽，所述整流器安装在上绝缘材料层的底部中心处，所述整流器位于整流器放置槽内。
10.上述的一种装配式压电融冰雪路面，其特征在于：所述预制混凝土压柱的上顶面高度高于预留孔的上顶面高度。
11.上述的一种装配式压电融冰雪路面，其特征在于：所述预制混凝土压柱的上顶面高度高于预留孔的上顶面高度4mm～6mm。
12.上述的一种装配式压电融冰雪路面，其特征在于：所述预制水泥混凝土板的最大厚度为30cm～40cm，所述封水层的厚度为0.5cm～1.5cm，所述沥青混凝土面层的厚度为4cm～6cm，所述预留孔的深度为9cm～11cm。
13.上述的一种装配式压电融冰雪路面，其特征在于：所述预制水泥混凝土板的最大厚度为35cm，所述封水层的厚度为1cm，所述沥青混凝土面层的厚度为5cm，所述预留孔的深度为10cm。
14.上述的一种装配式压电融冰雪路面，其特征在于：所述预留孔为圆柱形预留孔，所述预制混凝土压柱为圆柱状结构，所述预制混凝土压柱的直径小于预留孔的直径。
15.上述的一种装配式压电融冰雪路面，其特征在于：所述预制混凝土压柱的直径为35cm～45cm、厚度为7cm～8cm，所述压电装置的厚度为 2.5cm～3.5cm；相邻两个所述预制混凝土压柱的横向间距为1.6m～2.4m，相邻两个所述预制混凝土压柱的纵向间距为35cm～45cm。
16.上述的一种装配式压电融冰雪路面，其特征在于：所述预制混凝土压柱的直径为40cm、厚度为7.5m，所述压电装置的厚度为3cm；相邻两个所述预制混凝土压柱的横向间距为2m，相邻两个所述预制混凝土压柱的纵向间距为40cm。
17.上述的一种装配式压电融冰雪路面，其特征在于：所述加热管安装槽为矩形槽，所述加热管安装槽的底部设置有纵截面是半圆形的凹槽，所述电加热管的底部镶嵌与所述凹
槽内。
18.本实用新型与现有技术相比具有以下优点：
19.1、本实用新型通过在车道中部埋设电热加热管，可在冬季降雪后，将压电结构产生的电能转化为热能加热路面，或连接电网，加热路面。电加热管嵌于预制混凝土路面板，由于混凝土的不良热导性，产生的热能将更多的传递给上方路面；加热管布置于车道中间，可减少车辆荷载作用影响，延长使用寿命。
20.2、本实用新型传力明确，发电效率高。压电装置的发电效率受多种因素影响，埋设越深发电效率越低，该实用新型将压电装置布设于车道轮迹频率最高范围内，同时设置混凝土压柱，在车辆行驶过程中，车辆荷载作用可以直接传递作用于压电装置，提高发电效率。
21.3、本实用新型压电装置在该路面结构形式下只经受单向荷载作用，受力单一。由于预制混凝土板中有预留孔槽，会限制混凝土压柱的水平向位移，且压柱顶面稍高于混凝土板，在车辆荷载下，传递到混凝土压柱上的作用会只在垂直方向上传递到压电装置，压电装置只受压。
22.4、本实用新型工厂预制，保证道路施工质量，减少压电装置和加热装置在施工过程中的受损可能性。普通道路在使用过程中经受车辆荷载与环境作用会产生病害，加入压电装置后其力学行为与普通道路已经不同，更应保障其道路使用性能，同时延长压电装置的寿命。即常规将压电装置简单的埋入路面，压电装置的模量和道路材料结构的模量是不同的，在车辆荷载下，埋设压电装置处的受力和应变会发生改变；相比于现场开挖施工，该路面形式完全由工厂预制，包括压电装置埋设、防水层和沥青层铺装，解决了常规埋设施工难的问题的，同时可最大保证路面质量。
23.5、本实用新型设置绝缘防水层，水分会影响压电装置的效率，设置防水层可保证压电装置长期的发电性能，并保证通行安全。
24.下面通过附图和实施例，对本实用新型做进一步的详细描述。
附图说明
25.图1为本实用新型的结构示意图。
26.图2为本实用新型预制压电融冰雪路面单元与汽车两侧轮胎的位置关系示意图。
27.图3为本实用新型预制压电融冰雪路面单元在俯视状态下的透视图。
28.图4为本实用新型压电装置的断面图。
29.图5为本实用新型预制水泥混凝土板、纵向线缆、预留孔和电加热管的位置关系示意图。
30.图6为图1的a处放大图。
31.附图标记说明:
32.1—沥青混凝土面层；
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2—封水层；
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3—预制混凝土压柱；
33.4—压电装置；
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1—上绝缘材料层；
ꢀꢀ4‑
2—下绝缘材料层；
[0034]4‑
3—中间压电材料层； 4
‑
4—整流器放置槽；
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5—整流器；
[0035]
6—纵向线缆；
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7—预制水泥混凝土板； 8—预留孔；
[0036]
9—横向线缆；
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10—dc/dc变换器；
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11—横向预埋电缆管道；
[0037]
12—轮胎；
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13—电加热管；
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14—加热管安装槽。
[0038]
15—电控箱体；
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16—蓄电池。
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17—控制器。
具体实施方式
[0039]
如图1、图2、图3、图5和图6所示，本实用新型包括多个预制压电融冰雪路面单元和对所述预制压电融冰雪路面单元产生的电能进行变换存储的电控箱，沿道路延伸方向铺设的相邻两个所述预制压电融冰雪路面单元共用一个电控箱，所述预制压电融冰雪路面单元包括预制水泥混凝土板7，所述预制水泥混凝土板7的左右两侧沿车辆行驶方向均匀开设有多个预留孔8，所述预制水泥混凝土板7左右两侧的预留孔8位于车道轮迹带内，每个所述预留孔8内均设置有压电装置4和预制混凝土压柱3，所述预制混凝土压柱3位于压电装置4的上方且预制混凝土压柱3将轮胎12 的载荷传递给压电装置4使得压电装置4产生电能，所述压电装置4内设置有用于将压电装置4产生的交流电转换成直流电的整流器5；所述预制水泥混凝土板7的中部沿车辆行驶方向开设有加热管安装槽14，所述加热管安装槽14内铺设有电加热管13，所述电控箱包括电控箱体13，所述电控箱体15内设置有控制器17、将直流电进行电流电压变换的dc/dc变换器10和用于储存电能的蓄电池16，所述蓄电池16与dc/dc变换器10 连接，所述控制器17与蓄电池16和电加热管13均连接且控制蓄电池16 向电加热管13提供加热所需的电能；所述预制水泥混凝土板7的上方铺设有封水层2，所述封水层2的上方铺设有沥青混凝土面层1。
[0040]
其中，整流器5可以采用全波桥式整流器。蓄电池16储能之后，在下雪时，控制器17通过横、纵向电线连通电加热管13加热路面，实现融冰雪功能。
[0041]
如图1和图5所示，所述预制水泥混凝土板7的左右两侧沿车辆行驶方向均开有纵向预埋电缆管道，所述纵向预埋电缆管道位于预留孔8的底部中心处，所述纵向预埋电缆管道内设置有纵向线缆6；所述预制水泥混凝土板7的一端中部开设有截面是半圆形的横向预埋电缆管道11，所述整流器5的直流电输出端与位于其同侧的纵向线缆6连接；沿道路延伸方向铺设的相邻两个所述预制压电融冰雪路面单元共用一根横向线缆，共用一根横向线缆的两个所述预制压电融冰雪路面单元的所述横向预埋电缆管道11相对设置且两者之间形成一根横向预埋电缆管，所述横向预埋电缆管内设置有横向线缆9，所述横向线缆9与纵向线缆6连接，所述横向线缆9还与dc/dc变换器10连接。
[0042]
即每个整流器5输出的直流电以并联的方式与位于其同侧的纵向线缆 6连接。同时，在压电装置4下方预留半径为2cm的纵向线缆半圆形管道，在两个预制压电融冰雪路面单元拼接的部分，预留横向的线缆管道。
[0043]
如图4所示，所述压电装置4包括从上至下依次设置的上绝缘材料层 4
‑
1、中间压电材料层4
‑
3和下绝缘材料层4
‑
2，所述中间压电材料层4
‑
3 和下绝缘材料层4
‑
2的中心均开有相同大小的圆孔且两个圆孔共同形成整流器放置槽4
‑
4，所述整流器5安装在上绝缘材料层4
‑
1的底部中心处，所述整流器5位于整流器放置槽4
‑
4内。
[0044]
上绝缘材料层4
‑
1和下绝缘材料层4
‑
2均可以采用聚四氟乙烯，中间压电材料层4
‑
3可以采用压电陶瓷材料，中间压电材料层4
‑
3与上绝缘材料层4
‑
1和下绝缘材料层4
‑
2之间均通过环氧树脂粘结。压电装置4受到路面车辆荷载的作用后，压电材料在压电效应下产生交流电，压电材料的两极连接于整流器的交流电压输入端，整流器直流电输出端与纵向线
缆相连。
[0045]
本实施例中，所述预制混凝土压柱3的上顶面高度高于预留孔8的上顶面高度，不仅增加车辆荷载转为电能的效率，且相比于同等高度，车辆荷载在高于混凝土板时，压电装置4所受压力更大，同时也方便安装维护。
[0046]
优选的，所述预制混凝土压柱3的上顶面高度高于预留孔8的上顶面高度4mm～6mm。
[0047]
本实施例中，所述预制水泥混凝土板7的最大厚度为30cm～40cm，所述封水层2的厚度为0.5cm～1.5cm，所述沥青混凝土面层1的厚度为 4cm～6cm，所述预留孔8的深度为9cm～11cm。
[0048]
优选的，所述预制水泥混凝土板7的最大厚度为35cm，所述封水层2 的厚度为1cm，所述沥青混凝土面层1的厚度为5cm，所述预留孔8的深度为10cm。
[0049]
本实施例中，所述预留孔8为圆柱形预留孔，所述预制混凝土压柱3 为圆柱状结构，所述预制混凝土压柱3的直径小于预留孔8的直径，且基本上是预制混凝土压柱3的直径略小于预留孔8的直径。
[0050]
本实施例中，所述预制混凝土压柱3的直径为35cm～45cm、厚度为 7cm～8cm，所述压电装置4的厚度为2.5cm～3.5cm；相邻两个所述预制混凝土压柱3的横向间距为1.6m～2.4m，相邻两个所述预制混凝土压柱3 的纵向间距为35cm～45cm。
[0051]
优选的，所述预制混凝土压柱3的直径为40cm、厚度为7.5m，所述压电装置4的厚度为3cm；相邻两个所述预制混凝土压柱3的横向间距为 2m，相邻两个所述预制混凝土压柱3的纵向间距为40cm。
[0052]
本实施例中，所述加热管安装槽14为矩形槽，所述加热管安装槽14 的底部设置有纵截面是半圆形的凹槽，所述电加热管13的底部镶嵌与所述凹槽内。
[0053]
本实施例中，预制水泥混凝土板7的尺寸为一个车道，宽3m～3.75m，长度为5m～7m。
[0054]
本实用新型装配式压电融冰雪路面由预制水泥混凝土板7、预制混凝土压柱3、压电装置4、封水层2、沥青混凝土面层1和电加热管13组成，在工厂预制组装。先预制好预制水泥混凝土板7和预制混凝土压柱3，在预留线缆管道中布设线缆，在预留孔8处安设压电装置4，在预留孔8的压电装置4上置入预制混凝土压柱3，并在热管安装槽14内铺设电加热管 13。将一个路面单元所有的压电装置4、预制混凝土压柱3和电加热管13 安装好后，将压电装置4、整流器5和电加热管13与线缆相连。再施工封水层2，最后在封水层2上摊铺、压实沥青混凝土面层1，完成工厂预制压电融冰雪路面单元。压实采用小吨位或胶轮压实设备，避免道路内部各功能结构受损。道路建设时，将单元运至施工现场进行拼装，接缝处理，线缆连接等工作。
[0055]
本实用新型冰雪路面是基于正压电效应，将道路中的机械能转换为电能收集利用。车辆在路面上行驶，由行驶、制动或道路不平整造成的颠簸产生机械能。压电装置4位于车辆轮胎下方，车辆荷载作用传递到预制混凝土压柱3，预制混凝土压柱3起到传递荷载的作用，将上方荷载传至压电装置4，进而产生电能。压电装置4产生的交流电经过整流器5变换为交流电，再经过dc/dc变换器10转换，为蓄电池16供电，蓄电池16收集电能。冬季下雪天气，可以为电加热管13提供电能，由电加热管13加热冰雪路面，对路面上的冰雪进行融化；
其他季节，可以将收集的电能为路灯、蓄电池等负载供电，也可以并入电网。
[0056]
本实用新型中，压电装置4受压后产生高电压、低电流的交流电，压电装置与整流器5连接，将交流电输出为直流电，然后以并联的形式通过预制埋设的电缆连接到位于道路旁的dc/dc变换器10进行电流电压的变化，最后连接到电加热管13上或其他负载上供使用。采用装配式预制生产装配式压电融冰雪路面，压电路面可将车辆荷载转化为电能储存起来，在降雪结冰时，为加热管提供电能，将压电路面储存的电能转化为热能加热路面，实现融冰雪的目标。
[0057]
以上所述，仅是本实用新型的较佳实施例，并非对本实用新型作任何限制，凡是根据本实用新型技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、变更以及等效结构变换，均仍属于本实用新型技术方案的保护范围内。