СБОР ЭНЕРГИИ С ДОРОГ И ВЗЛЕТНО-ПОСАДОЧНЫХ ПОЛОС
COLLECTION OF ENERGY FROM ROADS AND AIRSTRIPS

Область техники, к которой относится изобретение
Настоящее изобретение относится к устройству, системе и способу сбора энергии на дорогах, автомагистралях, железных дорогах и взлетно-посадочных полосах с использованием пьезоэлектрических генераторов.
Уровень техники изобретения
Пьезоэлектричество является способностью некоторых кристаллических материалов вырабатывать электрический заряд, пропорциональный приложенному механическому напряжению. Обратный эффект также может наблюдаться в этих материалах в тех случаях, когда развивается деформация, пропорциональная приложенному электрическому полю. Первоначально он был открыт Кюри в 1880-ых. Сегодня, пьезоэлектрические материалы для промышленных применений являются основанными на свинце керамическими изделиями, имеющимися в распоряжении в широком диапазоне свойств. Пьезоэлектрические материалы являются наиболее широко известным активным материалом, типично используемым для преобразователей, а также в адаптивных структурах.
Чистые керамические материалы сначала должны быть поляризованы, чтобы использовать их полный пьезоэлектрический эффект. Поляризация состоит в прикладывании интенсивного электрического поля к материалу. Во время операции поляризации, кристаллические диполи в материале выравниваются с приложенным электрическим полем, и материал расширяется в направлении электрического поля. При прикладывании поля в противоположном направлении, наблюдается деформация противоположного знака. Если величина этого противоположного поля повышается, материал сначала деполяризуется и в заключение переполяризуется.
Поляризованный пьезоэлектрический материал считается поперечно изотропным, то есть одна плоскость является изотропной наряду с тем, что направление вне плоскости имеет другие свойства. Поляризованный пьезоэлектрический материал считается поперечно изотропным, то есть одна плоскость является изотропной наряду с тем, что поперечное направление имеет другие свойства. Соглашение о стандартных координатах, принятое IEEE [Стандарт IEEE о пьезоэлектричестве, 176-1978], назначает плоскость 1-2 в качестве плоскости симметрии и направление 3 в качестве направления поперечной поляризации. Для малого приложенного электрического поля, реакция пьезоэлектрической керамики может моделироваться следующим линейным определяющим уравнением пьезоэлектрического материала [Jaffe, В., Cook Jr., W.R., and H. Jaffe, 1971, «Piezoelectric Ceramics», Academic Press], выраженным в прикладной матричной записи как:
T
E
где D - электрическое смещение, S - деформация, Е - электрическое поле, Т - механическое напряжение, ε - постоянное механическое напряжение в (несжатом) диэлектрике, d - постоянная наведенной деформации, s - податливость в постоянном поле.
Механическое сжатие или растяжение на поляризованном пьезоэлектрическом керамическом элементе изменяет дипольный момент, создавая электрическое напряжение. Сжатие вдоль направления поляризации или растяжение, перпендикулярное направлению поляризации, вырабатывает электрическое напряжение такой же полярности, как напряжение поляризации. Растяжение вдоль направления поляризации или сжатие, перпендикулярное направлению поляризации, вырабатывает электрическое напряжение с полярностью, противоположной полярности у напряжения поляризации. Эти действия являются действиями генератора - керамический элемент преобразует механическую энергию сжатия или растяжения в электрическую энергию. Это поведение используется в устройствах воспламенения топлива, твердотельных батареях, силоизмерительных устройствах и других изделиях. Значения для напряжения сжатия и электрического напряжения (или напряженности поля), вырабатываемого прикладыванием механического напряжения к пьезоэлектрическому керамическому элементу, являются линейно пропорциональными вплоть до специфичного материалу механического напряжения. То же самое справедливо для приложенного электрического напряжения и вызванной деформации.
Если напряжение такой же полярности, как напряжение поляризации, прикладывается к керамическому элементу в направлении напряжения поляризации, элемент будет удлиняться, а его диаметр будет становиться меньшим. Если прикладывается напряжение полярности, противоположной полярности напряжения поляризации, элемент будет становиться короче и шире. Если прикладывается переменное напряжение, элемент будет удлиняться и сокращаться циклически, с частотой приложенного напряжения. Это является действием электродвигателя - электроэнергия преобразуется в механическую энергию. Этот принцип адаптирован к пьезоэлектрическим электродвигателям, звуковым и ультразвуковым генерирующим устройствам, и многим другим изделиям.
Фиг.1а схематически изображает действие генератора пьезоэлектрического элемента, известного в данной области техники.
Пьезоэлектрический материал имеет значительное влияние на достижимые рабочие характеристики преобразователя. Широко применяемые пьезоэлектрические материалы основаны на цирконат-титанат-свинцовой (PZT) керамике.
Допуская, что PZT-элемент непосредственно используется в качестве преобразователя, существенные параметры материала могут быть очерчены для обеспечения добротности материала. Имеется множество факторов, которые оказывают влияние на выбор PZT-состава.
Определяющие уравнения для линейного пьезоэлектрического материала при низких уровнях механического напряжения (Т) могут быть записаны как
и
где x - деформация, D - электрическое смещение, Е - электрическое поле, s - упругая податливость, g - коэффициент пьезоэлектрического напряжения, заданный в качестве
Здесь d - пьезоэлектрическая постоянная, ε - диэлектрическая постоянная. Постоянная β в уравнении (3) является диэлектрической восприимчивостью и равна составляющей обратного тензора диэлектрической проницаемости. Под приложенной силой F=T×A, (где А - площадь), выходное напряжение (U) разомкнутой цепи керамики может быть вычислено из уравнения (3) и задано как
где t - толщина керамики. Заряд (Q), вырабатываемый в пьезоэлектрической керамике, может определяться из уравнения (2) и задан в качестве
или
где С - электрическая емкость материала. Вышеприведенная зависимость показывает, что на низких частотах может предполагаться, что пьезоэлектрическая пластина должна вести себя подобно конденсатору с параллельными обкладками. Отсюда, электроэнергия, имеющаяся в распоряжении при циклическом возбуждении, задана уравнением (8), как изложено ниже:
где V=A×t - объем пьезоэлектрического генератора.
2
x
При определенных экспериментальных условиях, для заданного материала постоянной площади и толщины, электрическая мощность зависит от отношения d/ε материала.
2
х
Материал с высоким отношением d/ε будет вырабатывать высокую мощность, когда пьезоэлектрическая керамика непосредственно применяется для сбора энергии.
Фиг.1b(i) изображает конструкцию одноэлементного преобразователя, а фиг.1b(ii) изображает многослойный преобразователь.
В многослойной конструкции согласно фиг.1b(ii), одна и та же сила F приложена ко всем слоям. Однако, вследствие меньшей толщины каждого слоя, напряжение, развиваемое на каждом слое (которое является напряжением, развиваемым на взятой в целом структуре, так как слои электрически соединены параллельно), является более низким. Параллельное электрическое соединение всех слоев увеличивает электрическую емкость структуры.
Фиг.1b(iii) изображает предпочтительный вариант многослойного PZT-генератора, в котором направления поляризации следующих друг за другом слоев изменены на противоположные. В этом варианте осуществления общий электрод используется между двумя противоположно ориентированными слоями.
Обзорная статья «Advances In Energy Harvesting Using Low Profile Piezoelectric Transducers» by Shashank Priya; published in J Electroceram (2007) 19:165-182; дает всеобъемлющее освещение последних достижений в области сбора пьезоэлектрической энергии с использованием низкопрофильных преобразователей и приводит результаты для различных устройств опытных образцов сбора энергии. Также представлено краткое обсуждение по выбору пьезоэлектрических материалов, иногда для резонансных применений.
Научная работа «On Low-Frequency Electric Power Generation With PZT Ceramics»; by Stephen R. Platt, Shane Farritor, and Hani Haider; published in IEEE/ASME Transactions On Mechatronics, Vol. 10, No. 2, April 2005; обсуждает потенциально возможное применение основанных на PZT генераторов для некоторых выносных применений, таких как датчики в организме, встроенные устройства MEMS (микроэлектромеханических систем) и организация распределенной сети. Данная научная работа обращает внимание, что развитие пьезоэлектрических генераторов требует усилий вследствие своих плохих характеристик источника (высокого электрического напряжения, низкого тока, высокого полного сопротивления) и относительно низкой выходной мощности, повсеместно применяемых сетей датчиков и мобильной электроники, а также систем известителей, которые могут извлекать энергию из деятельности человека или получать ограниченную энергию из тепла, света, радиопередачи или вибраций окружающей среды.
В обзорной научной статье «A Review of Power Harvesting from Vibration using Piezoelectric Materials»; by Henry A. Sodano, Daniel J. Inman and Gyuhae Park; published in The Shock and Vibration Digest, Vol. 36, No. 3, May 2004, 197-205, Sage Publications; обсуждается последовательность операций овладения энергией, окружающей систему и преобразования ее в годную к употреблению электрическую энергию - названная сбором энергии. Данная научная работа обсуждает исследование, которое было выполнено в области сбора энергии, и будущие цели, которые должны быть достигнуты, чтобы системы сбора энергии нашли свой путь к повседневному использованию.
Патентная заявка WO07038157A2 на патент; «Energy Harvesting Using Frequency Rectification» to Carman Gregory P. and Lee Dong G.; поданная 21.09.2006, раскрывает устройство сбора энергии для использования в электрической системе, имеющее обратный частотный выпрямитель, сконструированный чтобы принимать механическую энергию на частоте в тех случаях, когда сила побуждает преобразователь подвергаться другой частоте.
Несколько патентов обсуждают сбор энергии с пьезоэлектрических элементов, встроенных в дорожные сети, патентная заявка US 2005/0127677 «Roadway generating electric power by incorporating piezoelectric materials» Jeffrey K. Luttrull, 25.01.2004, описывает последовательность операций для выработки электричества от движения автотранспорта с использованием множества пьезоэлектрических элементов. Патент GB 2389249; «Electricity generating abstract» Mark Colin Porter, 29.05.2002, описывает устройство сбора энергии с использованием пьезоэлектрических цилиндров, которые должны быть встроены в дорожные покрытия. Патент CN 1633009 «Method and system for piezoelectric power generation by using vibration energy of road system» University XI AN JIAOTONG; зарегистрированный 29.05.2005, также обсуждает сбор энергии из энергии вибрации дорожных сетей посредством использования пьезоэлектрических устройств.
Однако компоновка пьезоэлектрических элементов, упомянутых в противопоставленных патентных документах, не оптимизирована по коэффициенту полезного действия. Поэтому должно быть принято во внимание, что энергия деформации, создаваемая проезжающими транспортными средствами, будет теряться, делает необходимым улучшение коэффициента полезного действия в системе сбора энергии.
Сущность изобретения
Настоящее изобретение относится к устройству, системе и способу сбора энергии на дорогах и автомагистралях с использованием пьезоэлектрического генератора. Один из аспектов изобретения состоит в том, чтобы предложить систему для сбора энергии, содержащую: множество пьезоэлектрических устройств, способных вырабатывать электроэнергию, когда транспортное средство переезжает их местоположения; блок регулирования мощности; и электрические проводники, соединяющие упомянутые пьезоэлектрические устройства с упомянутым блоком регулирования мощности.
В некоторых вариантах осуществления пьезоэлектрические устройства встроены в дорогу.
В некоторых вариантах осуществления блок регулирования мощности дополнительно соединен с магистральной электрической сетью.
В некоторых вариантах осуществления блок регулирования мощности дополнительно соединен с блоком накопления энергии.
В некоторых вариантах осуществления блок регулирования мощности подводит электроэнергию к станции зарядки аккумуляторных батарей для зарядки аккумуляторных батарей электрических транспортных средств.
В некоторых вариантах осуществления блок регулирования мощности подводит электроэнергию к придорожным фонарям.
В некоторых вариантах осуществления блок регулирования мощности подводит электроэнергию к блоку сигнализации.
Еще один аспект изобретения состоит в том, чтобы предложить систему для сбора энергии, в которой упомянутые пьезоэлектрические устройства содержат множество стержней PZT, встроенных в связующее вещество.
В некоторых вариантах осуществления упомянутое связующее вещество является эпоксидной смолой.
В некоторых вариантах осуществления упомянутое связующее вещество может быть выбрано из группы связующих веществ, таких как термопластичный полимер, резина или другой натуральный или синтетический эластичный материал.
Еще один аспект изобретения состоит в том, чтобы предложить способ сбора энергии, включающий: встраивание множества пьезоэлектрических устройств, способных вырабатывать электроэнергию, в дорогу; соединение блока регулирования мощности с упомянутым множеством пьезоэлектрических устройств электрическими проводниками; при этом упомянутая электроэнергия вырабатывается, когда транспортное средство проезжает местоположения упомянутых пьезоэлектрических устройств.
В некоторых вариантах осуществления упомянутое встраивание основанной на пьезоэлектрических устройствах системы сбора энергии включает: размещение упомянутого множества пьезоэлектрических устройств и упомянутых электрических проводников поверх бетонного основания дороги; и укладку асфальта поверх упомянутых пьезоэлектрических устройств и упомянутых электрических проводников.
В некоторых вариантах осуществления упомянутое встраивание основанной на пьезоэлектрических устройствах системы сбора энергии включает: укладывание первого слоя асфальта поверх основания дороги; размещение упомянутого множества пьезоэлектрических устройств и упомянутых электрических проводников поверх упомянутого первого слоя асфальта; и укладывание второго слоя асфальта поверх упомянутых пьезоэлектрических устройств и упомянутых электрических проводников.
В некоторых вариантах осуществления упомянутое встраивание основанной на пьезоэлектрических устройствах системы сбора энергии включает: частичное снятие слоя асфальта с уже мощеной дороги с оставлением первого слоя асфальта; размещение упомянутого множества пьезоэлектрических устройств и упомянутых электрических проводников поверх упомянутого первого слоя асфальта; и укладывание второго слоя асфальта поверх упомянутых пьезоэлектрических устройств и упомянутых электрических проводников.
В некоторых вариантах осуществления упомянутое встраивание основанной на пьезоэлектрических устройствах системы сбора энергии включает: снятие слоя асфальта с уже мощеной дороги вдоль узкой канавки, параллельной продольному измерению упомянутой дороги; размещение упомянутого множества пьезоэлектрических устройств и упомянутых электрических проводников в упомянутой канавке; и укладывание асфальта поверх упомянутых пьезоэлектрических устройств и упомянутых электрических проводников, таким образом заполняя упомянутую канавку.
В некоторых вариантах осуществления упомянутое снятие слоя асфальта с уже мощеной дороги вдоль узкой канавки, параллельной продольному измерению упомянутой дороги, включает формирование канавки, достигающей бетонного основания упомянутой дороги.
В некоторых вариантах осуществления упомянутое снятие слоя асфальта с уже мощеной дороги вдоль узкой канавки, параллельной продольному измерению упомянутой дороги, включает формирование двух узких канавок, параллельных продольному измерению упомянутой дороги, на каждой полосе движения упомянутой дороги.
Пока не оговорено иное, все технические и научные термины, используемые в материалах настоящей заявки, имеют такое же значение, как обычно понимается специалистом в данной области техники, к которой принадлежит это изобретение. Хотя способы и материалы, подобные или эквивалентные описанным в материалах настоящей заявки, могут использоваться на практике или при проверке настоящего изобретения, пригодные способы и материалы описаны ниже. В случае конфликта данное описание изобретения к патенту, в том числе определения, будет осуществлять урегулирование. Кроме того, материалы, способы и примеры являются всего лишь иллюстративными и не подразумеваются ограничивающими.
Краткое описание чертежей
Изобретение описано в материалах настоящей заявки только в качестве примера, со ссылкой на прилагаемые чертежи. Далее, с конкретной ссылкой на чертежи, подчеркивается, что подробности показаны исключительно в качестве примера и в целях иллюстративного обсуждения предпочтительных вариантов осуществления настоящего изобретения, и представлены ради обеспечения того, что предполагается наиболее полезным и без труда понятным описанием принципов и концептуальных аспектов изобретения. В этом отношении не делается никакой попытки показать конструктивные подробности изобретения подробнее, чем необходимо для фундаментального понимания изобретения, при этом описание, совместно с чертежами, делает очевидным для специалистов в данной области техники то, как могут быть воплощены на практике несколько форм изобретения.
На чертежах:
Фиг.1а и b схематически изображают действия генератора пьезоэлектрического элемента, известного в данной области техники.
Фиг.2а и b схематически изображают устройства для выработки, выпрямления и накопления электрического сигнала.
Фиг.3(i), (ii) и (iii) схематически изображают представления пьезоэлектрического преобразователя согласно примерному варианту осуществления изобретения.
Фиг.4 схематически изображает коробчатый пьезоэлектрический преобразователь согласно предпочтительному варианту осуществления изобретения.
Фиг.5 схематически изображает вид системы для сбора энергии, реализованной на проезжей части дороги, согласно примерному варианту осуществления настоящего изобретения.
Фиг.6 схематически изображает реализацию системы для сбора энергии и использования энергии согласно примерному варианту осуществления изобретения.
Фиг.7 схематически изображает реализацию системы сбора энергии в новой дороге, имеющей бетонное основание, во время мощения дороги согласно предпочтительному варианту осуществления настоящего изобретения.
Фиг.8 схематически изображает реализацию системы сбора энергии в новой дороге, не имеющей бетонного основания, во время мощения дороги согласно предпочтительному варианту осуществления настоящего изобретения.
Фиг.9 схематически изображает способ реализации системы сбора энергии в новой дороге, не имеющей бетонного основания, во время мощения дороги согласно предпочтительному варианту осуществления настоящего изобретения.
Фиг.10(а)-(d) схематически изображает способ реализации системы сбора энергии в существующей дороге, имеющей бетонное основание, согласно варианту осуществления настоящего изобретения. Фигуры изображают стадии последовательности операций переоборудования.
Фиг.11(а)-(d) схематически изображает способ реализации системы сбора энергии в существующей дороге, имеющей бетонное основание, согласно варианту осуществления настоящего изобретения. Фигуры изображают стадии последовательности операций переоборудования.
Фиг.12а схематически изображает вид сбоку в разрезе составного пьезоэлектрического генератора согласно еще одному аспекту настоящего изобретения.
Фиг.12b схематически изображает вид сбоку составного пьезоэлектрического генератора согласно еще одному аспекту настоящего изобретения.
Фиг.12 с схематически изображает вид сверху составного пьезоэлектрического генератора согласно еще одному аспекту настоящего изобретения.
Фиг.12а схематически изображает систему для сбора энергии с использованием составных пьезоэлектрических генераторов согласно примерному варианту осуществления настоящего изобретения.
Фиг.12е схематически изображает систему для сбора энергии с использованием составных пьезоэлектрических генераторов согласно примерному варианту осуществления настоящего изобретения.
Фиг.13 схематически изображает наклонное расположение пьезоэлектрического генератора согласно еще одному аспекту настоящего изобретения.
Фиг.14 схематически изображает вид спереди авиалайнера гражданского назначения, показывающий типичные размеры.
Фиг.15 схематически изображает отпечатки шин авиалайнера гражданского назначения, показывающие конфигурацию и типичные размеры колес.
Фиг.16а схематически изображает установку пьезоэлектрических генераторов энергии (PEG) на взлетно-посадочной полосе согласно примерному варианту осуществления изобретения.
Фиг.16b схематически изображает реализацию PEG на взлетно-посадочной полосе согласно примерным вариантам осуществления настоящего изобретения.
Фиг.17 схематически изображает коробчатый пьезоэлектрический преобразователь 1700 согласно еще одному предпочтительному варианту осуществления изобретения.
Описание предпочтительных вариантов осуществления
Настоящее изобретение относится к устройству, системе и способу сбора энергии на дорогах и автомагистралях с использованием пьезоэлектрического генератора.
Прежде подробного разъяснения по меньшей мере одного варианта осуществления изобретения, должно быть осознано, что изобретение не ограничено в своем применении деталями конструкции и компоновкой компонентов, изложенными в последующем описании или проиллюстрированными на чертежах. Изобретение допускает другие варианты осуществления или осуществимо на практике, либо выполнимо различными способами. Кроме того, должно быть понятно, что фразеология и терминология, примененные в материалах настоящей заявки, предназначены для целей описания и не должны рассматриваться в качестве ограничивающих.
Чертежи, в целом, не устанавливают масштаб. Некоторые необязательные части были показаны с использованием пунктирных линий.
Для ясности, несущественные элементы были опущены из некоторых чертежей.
Используемые в материалах настоящей заявки элемент или этап, изложенные в единственном числе и с артиклем единственного числа, должны пониматься в качестве неограничивающих множественных элементов или этапов, если такое исключение не изложено в прямой форме.
Фиг.1а и b схематически изображают действия генератора пьезоэлектрического элемента, известного в данной области техники, и который обсужден в разделе уровня техники.
Фиг.1а(i) изображает диск 110 PZT, показывая направление его поляризации в отсутствие внешней силы. В этом случае вольтметр 120 показывает отсутствие вырабатываемого заряда.
Фиг.1а(ii) и 1a(iii) показывает тот же самый диск 110 PZT с силами сжатия и расширения, соответственно к нему приложенными. В этом случае вольтметр 120 показывает соответственно положительный и отрицательный выработанный заряд.
Фиг.1b(i) изображает одиночный элемент PZT, подобный изображенному на фиг.1а. Длина «L» элемента и его площадь «А» поверхности помечены на этой фигуре.
Фиг.1b(ii) изображает многоэлементную стопу PZT, содержащую n дисков PZT 111(l)-111(n), каждый из которых имеет по существу одинаковую толщину t и площадь «А» поверхности. В этом случае все диски PZT 111(l)-111(n) поляризованы в одном и том же направлении и все электрически соединены параллельно. Электрический изолятор необходимо вставить между контактными электродами соседних элементов.
Отдача заряда возникает на соединителях 113(+) и 113(-). Для удобства эти соединители будут указываться ссылкой как «верхний электрод» и «нижний электрод» соответственно.
Фиг.1b(iii) изображает многоэлементную стопу PZT, содержащую n дисков PZT 112(l)-112(n), каждый из которых имеет по существу одинаковую толщину и площадь поверхности. В этом случае все диски PZT 111(l)-111(n) поляризованы в противоположном направлении, как изображено стрелками. Общие электроды предпочтительно используются между поверхностями соседних элементов.
Отдача заряда возникает на соединителях 114(+) и 114(-). Для удобства соединители будут указываться как «верхний электрод» и «нижний электрод» соответственно.
Пьезоэлектрические генераторы
Важная область применения для PZT находится в преобразовании механической энергии в электрическую энергию, и данный раздел описывает условия, при которых PZT должен использоваться, чтобы преобразовывать максимальное количество энергии.
Цилиндр PZT может вырабатывать напряжения, которые достаточно высоки, чтобы пропускать искровой разряд через зазор электродов, и такие искровые разряды могут использоваться для воспламенения горючих газов, например, в зажигалках или газовых плитах.
Более того, часть энергии, выработанной PZT-преобразователем, может накапливаться в конденсаторе и может использоваться для питания схемы, как может быть видно на фиг.2.
1
В устройствах генерирования и накопления, изображенных на фиг.2, заряд, выработанный пьезоэлектрическим преобразователем, накапливается в устройстве накопления энергии, таком как конденсатор. Выпрямитель, схематически изображенный диодом D, удерживает накопленный заряд на конденсаторе до тех пор, пока он не расходуется использующей энергию нагрузкой.
Фиг.2(i) изображает однополупериодный диодный выпрямитель, в то время как фиг.2(ii) показывает двухполупериодный выпрямитель, содержащий мост из четырех диодов.
Фиг.2(i) изображает систему 200(i) сбора энергии, использующую однополупериодный диодный выпрямитель D1. Хотя PZT-преобразователь на фиг.2а и 2b показан в качестве одиночного элемента, имеющего верхний электрод 211 и нижний электрод 212, PZT-преобразователь может быть многоэлементной конструкцией, такой как изображенная на фиг.1b(ii), или, предпочтительно, как изображенная на фиг.1b(iii).
Выпрямительный диод D1 предохраняет электрический заряд, накопленный на конденсаторе Ср, от возврата в преобразователь, как только нагрузка снята с упомянутого преобразователя. Таким образом, заряд на конденсаторе Ср остается до тех пор, пока он не израсходован нагрузкой, присоединенной к выходу 220(i) нагрузки.
Фиг.2(ii) изображает систему 200(ii) сбора энергии, использующую двухполупериодный выпрямитель, содержащий мост FR из четырех диодов.
Выпрямительный мост FR, содержащий четыре диода, направляет заряд, выработанный обеими силами, сжатия и растяжения, прикладываемыми к PZT-преобразователю, в конденсатор Сp. Выпрямительный мост FR предохраняет электрический заряд, накопленный на конденсаторе Сp, от возврата в преобразователь, как только нагрузка снята с упомянутого преобразователя. Таким образом, заряд на конденсаторе Сp остается до тех пор, пока он не израсходован нагрузкой, присоединенной к выходу 220(ii) нагрузки, однако должно быть ясно видно, что система 200(ii) лучше использует выработанный заряд и, таким образом, имеет более высокую эффективность использования энергии.
Фиг.3(i), (ii) и (iii) схематически изображают виды пьезоэлектрического преобразователя согласно примерному варианту осуществления изобретения.
Фиг.3(i) изображает вид в изометрии пьезоэлектрического преобразователя 300, показывающий верхний электрод 310 и нижний электрод 311.
Составной диск, изготовленный из пьезоэлектрических стержней 320, соединенных эпоксидной или другой связующей смолой 321, схематично изображен на поперечном разрезе, видимом на фиг.3(ii), и вертикальном поперечном разрезе, видимом на фиг.3(iii). Например, связующее вещество может быть термопластичным полимером, резиной либо другим натуральным или синтетическим эластичным материалом.
Каждый стержень может быть изготовлен из множества слоев одной структуры, как показано на фиг.1b(i), 1b(ii) или 1b(iii).
Предпочтительно, электроды всех стержней являются n параллельно присоединенными к верхнему и нижнему электроду, как изображено на фиг.3(iii).
Специалисту должно быть ясно, что круглая форма преобразователя и стержней, положение стержней и соотношение размеров преобразователя предназначены только для демонстрации, и реальные параметры должны выбираться согласно применению с учетом требований, таких как имеющееся в распоряжении пространство, нагрузка, и т.д.
Фиг.4 схематически изображает имеющий форму гнезда пьезоэлектрический преобразователь 400 согласно предпочтительному варианту осуществления изобретения.
Составное гнездо изготовлено из пьезоэлектрических стержней 420, соединенных эпоксидной или другой связующей смолой 421, как схематически показано на данной фигуре.
Хотя стержни изображены в качестве имеющих квадратное поперечное сечение, могут использоваться цилиндрическая и другие формы.
Типичные размеры 4×4 см и высота 2 см даны в качестве примера. Могут использоваться другие формы и размеры.
Предпочтительно, отношение активного пьезоэлектрического материала к наполнению связующего материала имеет значение приблизительно 50%. Однако может использоваться большее или меньшее отношение.
Типично, связующее вещество является более мягким, чем пьезоэлектрический материал. Каждый стержень может быть изготовлен из единой структуры или множества слоев.
Предпочтительно, электроды всех стержней являются n параллельно присоединенными к верхнему и нижнему электроду (не показано на данной фигуре).
В испытательном устройстве отношение активного пьезоэлектрического материала к наполнению связующего материала имеет значение приблизительно 64%. Однако может использоваться большее или меньшее отношение. Предпочтительно, соотношение связующего материала имеет значение от 30% до 40%.
В испытательном устройстве массив 8×8 (всего 64) пьезоэлектрических стоп был встроен в связующее вещество, при этом каждая стопа занимает 4×4 мм и высоту 20 мм.
Типично, связующее вещество является более мягким, чем пьезоэлектрический материал.
Каждый стержень может быть изготовлен из множества слоев, как известно в данной области техники. Предпочтительно, каждый стержень имеет многослойную структуру, как изображено на фиг.1b(iii). Предпочтительно, электроды всех стержней являются n параллельно присоединенными к верхнему и нижнему электроду (не показано на данной фигуре).
В испытательном устройстве каждый стержень PZT занимает высоту 20 мм. Типично, напряжение поляризации имеет порядок 50000 вольт на 1 см. Использование этой технологии поляризации потребовало бы 100000 вольт, которые могут приводить к искрению и делать необходимым источник очень высокого напряжения. Согласно предпочтительному варианту осуществления изобретения множество стержней были соединены параллельно и помещены в печь, и нагревались до температуры, близкой или предпочтительно выше температуры Кюри (приблизительно 300 градусов Цельсия для используемой керамики). Использовалось напряжение поляризации всего лишь 5000 В/см (всего ~10000 В).
Предпочтительно, стержни охлаждались до комнатной температуры под напряжением поляризации.
Затем стержни собирались в конструкцию преобразователя заливкой связующего вещества.
Фиг.5 схематически изображает вид сверху системы 500 для сбора энергии, реализованной на двухполосной проезжей части 505 дороги, согласно примерному варианту осуществления настоящего изобретения. Разрез дороги 505 показан на увеличенном изображении.
В изображенных вариантах осуществления множество устройств 520 генерирования энергии встроено в дорогу. Предпочтительно, устройства 520 являются пьезоэлектрическими преобразователями, как изображенные на фиг.3 или фиг.4.
В предпочтительном варианте осуществления устройства 520 генерирования энергии расположены под дорожным покрытием через равные промежутки. Может быть выбрано осевое расстояние в 30 см, как изображено на увеличенном разрезе согласно фиг.5. Следует отметить, что расстояние между устройствами 520 генерирования энергии предпочтительно зависит от распространения деформации внутри дорожной конструкции и, таким образом, зависит от конструкции и материалов дороги. Обычно, расстояние между устройствами определяется оптимизацией выигрыша от собранной энергии и себестоимости системы, которая находится под влиянием стоимости монтажа и цены за пьезоэлектрическое устройство.
Предпочтительно, два ряда преобразователей размещены в каждой полосе движения проезжей части дороги, при этом каждый ряд расположен там, где вероятно должны проходить колеса проезжающих автомобилей. Электрические кабели 510, присоединенные к устройствам выработки энергии, используются для передачи выработанной энергии в блок 530 регулирования потребления энергии. Приведенная в нужное состояние энергия затем передается в систему 540 использования энергии.
В одном из вариантов осуществления каждый кабель 510 изготовлен из двух проводов, и все устройства генерирования энергии соединены параллельно. В качестве альтернативы, устройства генерирования энергии соединены последовательно. Комбинация параллельного и последовательного соединения также возможна.
В некоторых вариантах осуществления электрическое выпрямление выполняется на каждом устройстве генерирования энергии, или на группе устройств выработки энергии, и выпрямленный электрический сигнал передается кабелем.
Блок 530 регулирования потребления энергии может включать в себя преобразование и регулирование напряжения, необходимые для преобразования выработанного электрического сигнала в полезную форму.
Например, блок 530 регулирования потребления энергии может содержать преобразователь постоянного тока (DC) в переменный ток (АС), преобразующий выпрямленный выработанный сигнал в мощность переменного тока, готовую для питания устройств, сконструированных, чтобы питаться от обычной бытовой магистральной электрической сети.
В предпочтительном варианте осуществления, блок 530 регулирования потребления энергии расположен в центре и обслуживает отрезок дороги, например 1 км дороги. Должно быть принято во внимание, что оптимизация расстояния между устройствами генерирования энергии и блоками регулирования потребления энергии зависит от себестоимости прокладки кабеля, себестоимости устройств, потерь энергии в кабелях, и т.д.
Предпочтительно, изображенная система сбора энергии продублирована вдоль дороги для дополнительного сбора энергии.
В одном варианте осуществления ряды устройств генерирования энергии расположены скорее ближе к бордюру дороги, чем симметрично вокруг центра полосы движения, где автомобиль более вероятно должен проезжать по ним.
В другом варианте осуществления ряды устройств генерирования энергии расположены на средней осевой ширине обособленно друг от друга.
Следует отметить, что пример реализации двухполосной дороги на данной фигуре предназначен только для демонстрации и для простоты. При этом система может использоваться на однополосных или многополосных дорогах.
Фиг.6 схематически изображает реализацию системы 600 для сбора энергии и использования энергии согласно примерному варианту осуществления изобретения.
В изображенном варианте осуществления, энергия 610, выработанная устройствами генерирования энергии, встроенными в проезжую часть 605 дороги, преобразуется в электрическую мощность в полезной форме блоком 630 регулирования потребления энергии.
Примерный вариант осуществления согласно фиг.6 изображает четырехполосную автомагистраль, имеющую две полосы движения в каждом направлении, однако, другие типы дорог могут использоваться в пределах объема настоящего изобретения. Обычно, автомобили более вероятно должны двигаться в правой полосе движения (левой полосе движения в Соединенном Королевстве и подобных странах), чем в левой полосе движения. Таким образом, может быть экономически эффективным имплантировать генератор энергии только в наиболее оживленные полосы движения. Предпочтительно, один блок 630 регулирования потребления энергии обслуживает отрезок дороги, включающий в себя полосы движения в обоих направлениях движения, с тем чтобы минимизировать потери энергии, обусловленные электрическим сопротивлением кабельной разводки.
Опционально, накопитель 620 энергии, такой как большой конденсатор, или, предпочтительно, перезаряжаемая аккумуляторная батарея, используется для накопления энергии, чтобы использовалась, когда необходимо. Поскольку выработанная энергия присутствует только, когда автомобили проезжают по устройствам генерирования энергии, накопитель энергии может быть полезен, так, чтобы электропитание не прерывалось, когда автомобили отсутствуют, или движение транспорта является медленным, либо количество автомобилей невелико.
Энергия расходуется системой 630 использования энергии, Опционально, система 630 использования энергии расположена поблизости от блока 630 регулирования потребления энергии и необязательного накопителя 620 энергии.
Например
Энергия может использоваться для освещения дороги ночью. В этом случае энергия, выработанная и накопленная в течение дня, может использоваться следующей ночью, когда движение автомобильного транспорта может быть слишком небольшим для обеспечения полной потребности в электроэнергии.
Светофоры и придорожные знаки могут питаться энергией, особенно в удаленных и ненаселенных местоположениях и перекрестках, где себестоимость обеспечения питания с использованием линий электропередачи от магистральной электрической сети может быть высокой. Другие применения могут состоять в том, чтобы питать блоки экстренной связи; базовые станции мобильной связи и придорожные рекламные объявления.
Так как электромобили становятся популярными существует растущая потребность в придорожных зарядных станциях для аккумуляторных батарей. Может использоваться энергия, собранная с проходящих автомобилей.
В некоторых вариантах осуществления вся выработанная мощность или дополнительная мощность, оставшаяся после того, как была удовлетворена местная потребность в электроэнергии, экспортируется в магистральную электрическую сеть за плату, выплачиваемую электрической компанией. В этих вариантах осуществления блок регулирования потребления энергии может преобразовывать выработанную электроэнергию в высокое напряжение, используемое в линиях электропередачи высокого напряжения. В этих вариантах осуществления необязательное присоединение 690 к магистральной сети может использоваться в качестве резервного источника питания, который должен использоваться локально, когда движение транспорта истощено.
Фиг.7 схематически изображает реализацию системы сбора энергии в новой дороге, имеющей бетонное основание, во время мощения дороги согласно предпочтительному варианту осуществления настоящего изобретения.
В этом варианте осуществления после того, как слой 720 гравия был нанесен поверх грунта 710, и было подготовлено бетонное основание 730, ряды устройств 750 генерирования энергии и их соединительный кабель 760 накладываются на бетон, и слой асфальта 740 укладывается поверх них.
Эта реализация является самой простой и требует всего лишь минимального отклонения от обычных инструкций по мощению дорог. В этих вариантах осуществления имеется почти полная свобода в отношении конфигурации соединительных кабелей и их направления.
Фиг.8 схематически изображает реализацию системы сбора энергии в новой дороге, не имеющей бетонного основания, во время мощения дороги согласно предпочтительному варианту осуществления настоящего изобретения.
В этом варианте осуществления устройства генерирования энергии и соединительные кабели встраиваются в асфальт.
Фиг.9 схематически изображает способ реализации системы сбора энергии в новой дороге, не имеющей бетонного основания, во время мощения дороги согласно предпочтительному варианту осуществления настоящего изобретения.
В этом варианте осуществления после того, как было подготовлено гравийное основание 720, выстилается первый слой 940 асфальта. Ряды устройств 750 генерирования энергии и их соединительные кабели 760 накладываются на первый слой асфальта 940, и второй слой 941 асфальта укладывается поверх них.
Эта реализация проста и требует укладки асфальта только в два слоя вместо одного. В этом варианте осуществления имеется почти полная свобода в отношении конфигурации соединительных кабелей и их направления.
Фиг.10 схематически изображает способ реализации системы сбора энергии в существующей дороге, не имеющей бетонного основания, согласно варианту осуществления настоящего изобретения.
В этом варианте осуществления канавки 1010 прорезаются вдоль дороги, например, с использованием круглого диска. Каждая канавка достаточно глубока, чтобы частично проникать в слой асфальта 740. Канавка достаточно широка, чтобы вмещать устройство 750 генерирования энергии и его соединительный кабель 760. Ряд устройств генерирования энергии и их соединительные кабели укладываются на дно канавки, и канавка затем вновь наполняется асфальтовым заполнителем 1020.
Фиг.10(а)-10(d) изображают стадии последовательности операций переоборудования.
Фиг.11 схематически изображает способ реализации системы сбора энергии в существующей дороге, имеющей бетонное основание 750, согласно варианту осуществления настоящего изобретения.
В этом варианте осуществления канавки 1110 прорезаются вдоль дороги, например, с использованием круглого диска. Каждая канавка достаточно глубока, чтобы частично проникать в слой асфальта 740 и достигать слоя 730 бетона. Канавка достаточно широка, чтобы вмещать устройство 750 генерирования энергии и его соединительный кабель 760. Ряд устройств генерирования энергии и их соединительные кабели укладываются на дно канавки вплотную к бетону, и канавка затем вновь наполняется асфальтовым заполнителем 1120.
Фиг.11(а)-11(d) изображают стадии последовательности операций переоборудования. Фиг.11а показывает дорогу перед переоборудованием.
Фиг.11b изображает стадию проходки канавки в верхнем слое дорожного покрытия. Фиг.11с показывает стадию размещения устройств сбора энергии. Фиг.11d показывает дорогу после того, как канавка была вновь замощена.
Фиг.12а схематически изображает вид сбоку в разрезе составного пьезоэлектрического генератора согласно еще одному аспекту настоящего изобретения.
Согласно примерному варианту осуществления изобретения составной пьезоэлектрический генератор 1200 содержит множество пьезоэлектрических генераторов 1244 (четыре показаны на данной фигуре, но может использоваться большее или меньшее количество).
Например, каждый из пьезоэлектрических генераторов 1244 может быть коробчатым пьезоэлектрическим преобразователем 400 согласно фиг.4 или имеющим другую форму пьезоэлектрическим генератором.
Предпочтительно, пьезоэлектрические генераторы 1244 размещены на пластине 1232 основания и покрыты верхней пластиной 1231.
Упругие элементы, такие как пружины 1211, предпочтительно на краях пластины 1231 и 1232, удерживают конструкцию вместе и предпочтительно прикладывают сжимающую силу между пластиной 1232 основания и верхней пластиной 1231. Эта сжимающая сила прикладывается к пьезоэлектрическим генераторам 1244. Когда легковой автомобиль или грузовик проезжает по или возле составного пьезоэлектрического генератора 1200, давление и вибрация, вызванные транспортным средством, распространяются по дороге и воздействуют на пластину 1232 основания и верхнюю пластину 1231, создавая меняющиеся во времени силы на пьезоэлектрических генераторах 1244, которые вырабатывают электроэнергию. Следует понимать, что то обстоятельство, что конструкция «предварительно деформирована» упругими элементами 1211, гарантирует, что электричество будет формироваться также в тяговых частях цикла вибрации. Таким образом, предпочтительно, сила, приводимая в действие упругими элементами 1211, сравнима или превышает максимальную силу объединения, ожидаемую в течение цикла вибрации.
Предпочтительно, пьезоэлектрические генераторы 1244 электрически присоединены друг к другу и к блоку 1293 локального регулирования энергии через электрические провода 1291 и 1292. Однако опциально каждый из пьезоэлектрических генераторов 1244 может быть отдельно присоединен к блоку 1293 локального регулирования энергии. Блок 1293 локального регулирования энергии, например, может быть в форме, раскрытой на фиг.2. Приведенная в нужное состояние энергия из блока 1293 локального регулирования энергии передается во внешнее использование энергии через кабель 1294. Опционально, блок 1293 локального регулирования энергии является отсутствующим во всех или в некоторых из составных пьезоэлектрических генераторов 1200, а регулирование энергии выполняется вне составного пьезоэлектрического генератора.
Предпочтительно, составной пьезоэлектрический генератор 1200 занимает приблизительно 60 см длины, 4 см ширины и 3 см высоты, при этом высота включает в себя 2 см активного пьезоэлектрического материала и толщину пластины 1232 основания и верхней пластины 1231. Однако могут использоваться другие размеры.
Опционально, взятый в целом составной пьезоэлектрический генератор 1200 вмещен в защитный гибкий чехол, например, для защиты от грязи и влаги, и, например, для предохранения асфальта от проникновения в генератор во время встраивания в дорогу. Дополнительно или в качестве альтернативы, составной пьезоэлектрический генератор 1200 может быть герметизирован упругим материалом.
Фиг.12b схематически изображает вид сбоку составного пьезоэлектрического генератора согласно еще одному аспекту настоящего изобретения.
Согласно примерному варианту осуществления изобретения составной пьезоэлектрический генератор 1200 содержит множество пьезоэлектрических генераторов 1244.
Предпочтительно, пьезоэлектрические генераторы 1244 размещены на пластине 1232 основания и покрыты верхней пластиной 1231.
Упругие элементы, такие как пружины 1211 удерживают конструкцию вместе и предпочтительно прикладывают сжимающую силу между пластиной 1232 основания и верхней пластиной 1231 (на данном виде сбоку показаны два, но могут использоваться один или более чем два).
Фиг.12с схематически изображает вид сверху составного пьезоэлектрического генератора согласно еще одному аспекту настоящего изобретения.
Согласно примерному варианту осуществления изобретения составной пьезоэлектрический генератор 1200 содержит множество пьезоэлектрических генераторов 1244.
Предпочтительно, пьезоэлектрические генераторы 1244 размещены на пластине 1232 основания и покрыты верхней пластиной 1231 (здесь видна только верхняя пластина).
Упругие элементы, такие как пружины 1211 удерживают конструкцию вместе и предпочтительно прикладывают сжимающую силу между пластиной 1232 основания и верхней пластиной 1231 (два упругих элемента видны на каждой боковой стороне данного вида сверху, но могут использоваться один или более чем два).
Фиг.12d схематически изображает систему для сбора энергии с использованием составных пьезоэлектрических генераторов согласно примерному варианту осуществления настоящего изобретения.
Система 1266 сбора энергии предпочтительно встроена в дорогу. На этом схематическом изображении, одна полоса движения дороги, определенная своей наружной границей 1262 (которая может быть бордюром дороги или границей другой полосы движения) и своей внутренней границей 1263. Система 1266 сбора энергии содержит множество составных пьезоэлектрических генераторов 1200, предпочтительно, скомпонованных в двух рядах.
Согласно примерному варианту осуществления изобретения составные пьезоэлектрические генераторы 1200 размещены так, чтобы доводить до максимума собираемую энергию. Максимизация собираемой энергии может выполняться размещением генераторов 1200 в местах, которые доводят до максимума вероятность того, что колеса проходящего транспортного средства переезжают через их центры.
В примерном варианте осуществления изобретения генераторы 1200 размещены по существу параллельно друг другу с интервалами приблизительно 30 см вдоль двух рядов, соответствующих одной и той же полосе дорожного движения. В примерном варианте осуществления изобретения, центры генераторов 1200 размещены приблизительно в 60 см от внешней границы 1262 полосы движения. В примерном варианте осуществления изобретения центры генераторов 1200 второго ряда размещены приблизительно в 180 см от центров генераторов 1200 первого ряда. Следует отметить, что могут использоваться другие расстояния между генераторами.
Кабели 1294 электрически соединяют генераторы 1200 с системой использования энергии через магистральный кабель 1295.
Фиг.12е схематически изображает систему для сбора энергии с использованием составных пьезоэлектрических генераторов согласно примерному варианту осуществления настоящего изобретения.
Система 1267 сбора энергии отличается от системы 1266 своей топологией разводки кабелей. В этом примерном варианте осуществления кабели 1267 связывания ряда присоединяют генераторы 1200 в каждом ряду с внешней системой использования энергии.
Следует понимать, что могут использоваться другие топологии разводки кабелей, и что изобретение не ограничено однополосной дорогой.
Фиг.13 схематически изображает наклонное расположение пьезоэлектрического генератора согласно еще одному аспекту настоящего изобретения.
Согласно основному аспекту настоящего изобретения пьезоэлектрические генераторы 1300 могут быть встроены в дорожное покрытие 740 под углом а к поверхности 1320 дороги.
Предпочтительно, угол наклона находится в направлении 1310 преобладающего перемещения транспортного средства через генераторы 1300.
Генераторы 1300 могут быть выбраны из любого типа пьезоэлектрических генераторов. Предпочтительно, пьезоэлектрические генераторы 1300 являются составными пьезоэлектрическими генераторами, как показано на фиг.12.
В еще одном предпочтительном варианте осуществления устройства генерирования энергии расположены под дегтебетоном взлетно-посадочной полосы аэродрома. Хотя воздушное движение в зоне аэропорта является менее частым, механическое напряжение, вызванное приземлением авиалайнера, является гораздо большим, чем у автомобиля. Предпочтительно, система сбора энергии размещена на отрезке приземления поля, где механическое напряжение находится на своем пике.
Фиг.14 схематически изображает вид спереди авиалайнера гражданского назначения, показывающий типичные размеры.
Реактивный авиалайнер 1400 гражданского назначения, например Боинг 747-400, изображенный на данной фигуре, обычно имеет шасси, содержащее переднюю сборку 1410 колес, присоединенную к передней части фюзеляжа, и две основных сборки 1420 колес, присоединенные к основанию крыльев.
Типично, большая часть веса авиалайнера приходится на две основные сборки 1420 колес. Что касается изображенного Боинга 747, максимальная (взлетная) нагрузка на переднюю сборку 1410 колес имеет значение приблизительно 17 тонн, и приблизительно 60 тонн для каждой из двух основных сборок 1420 колес.
В зависимости от типа и размера самолета, расстояние между центрами двух основных сборок 1420 колес изменяется. Типичное расстояние имеет значение приблизительно 11 м.
Фиг.15 схематически изображает отпечатки шин авиалайнера гражданского назначения, показывающие конфигурацию и типичные размеры колес.
Реактивный авиалайнер гражданского назначения, например Боинг 767, отпечатки шин которого изображены на данной фигуре, обычно имеет шасси, содержащее переднюю сборку 1410 колес, присоединенную к передней части фюзеляжа, и две основные сборки 1420 колес, присоединенные к основанию крыльев.
Расстояние между центрами двух основных сборок 1420 колес имеет значение приблизительно 93 м.
Дорожное покрытие
Выбор материала, используемого для сооружения взлетной полосы, зависит от использования и местного состояния грунта. Вообще говоря, для крупного аэропорта, где позволяет состояние грунта, наиболее удовлетворительным типом дорожного покрытия для долгосрочного минимального технического обслуживания и ремонта является бетон. Хотя некоторые типы аэропортов использовали армирование в бетонных дорожных покрытиях, обнаружено, что, обычно, это будет излишним, за исключением температурных швов поперек взлетно-посадочной полосы, где в бетон помещена стыковая арматурная сборка, которая дает возможность относительного перемещения бетонных плит. В тех случаях, когда может ожидаться, что значительная осадка будет возникать через несколько лет вследствие неустойчивого состояния грунта, предпочтительно устанавливать асфальтобетонное покрытие, так как оно является более легким для латания на периодической основе. Для полей с очень низким транспортным потоком легких самолетов можно использовать дерновое покрытие.
Развитие конструкции дорожных покрытий продолжает движение по некоторому количеству ветвей. Предпринимаются исследовательские буровые работы для определения состояния земляного полотна, и, на основании относительной допустимой нагрузки земляного полотна, устанавливаются разные технические условия дорожного покрытия. Типично, для работающего в тяжелом режиме аэропорта гражданского назначения, толщина дорожного покрытия, независимо от того, какова верхняя поверхность, меняется от такой малой, как 10 дюймов (25 сантиметров), до такой большой, как 4 фута (1 м), включая земляное полотно.
Исторически, дорожные покрытия аэропортов конструировались двумя способами. Первый, по Вестергаарду, основан на допущении, что дорожное покрытие является упругой плитой, поддерживаемой на основании из тяжелой жидкости с однородным коэффициентом реакции, известным как значение K. Опыт показал, что значения K, на котором строилась формула, не применимы к более новым летательным аппаратам с очень большими давлениями отпечатков шин.
Так как конструкция дорожного покрытия аэропорта является дорогостоящей, делаются всевозможные усилия, чтобы минимизировать механические напряжения, сообщаемые дорожному покрытию летательным аппаратом. Производители больших самолетов конструируют шасси так, чтобы вес самолета опирался на большие или более многочисленные шины. Также обращается внимание на характеристики самого шасси, так что неблагоприятные воздействия на дорожное покрытие минимизируются. Однако, в конечном счете, если веса самолетов продолжают возрастать, как они допускали в прошлом, будет необходимо обеспечивать существенно более прочные дорожные покрытия, чем те, которые обычно находятся в употреблении в Европе и Соединенных Штатах. Иногда можно укреплять дорожное покрытие для более высокой нагрузки нанесением покрытия асфальтобетона или бетона на портландцементе, которое надлежащим образом сцепляется с исходной плитой.
Бетон с последующим растяжением был разработан для покрытия взлетно-посадочных полос. Это дает возможность использования более тонких дорожных покрытий и должно иметь следствием более длительный срок службы бетонного дорожного покрытия. Вследствие восприимчивости более тонких дорожных покрытий к пучению при замерзании, эта обработка применима только в тех случаях, когда нет заметного промерзания.
Длина взлетно-посадочной полосы
Хотя длина взлетно-посадочной полосы может иметь некоторый академический интерес, в показателях пригодности к эксплуатации для операций с воздушным транспортом, взлетно-посадочная полоса по меньшей мере 6000 футов (1829 м) в длину обычно достаточна для весов летательных аппаратов ниже приблизительно 90718 кг. Более тяжелый летательный аппарат обычно требует по меньшей мере 2438 м на уровне моря и слегка больше в аэропортах с большей высотой над уровнем моря. Международные пассажирские полеты также могут иметь требования к приземлению в 3048 м или более и взлетные требования в 3962 м или более.
На уровне моря 3048 м может считаться достаточной длиной для размещения практически любого летательного аппарата. Любой заданный летательный аппарат будет нуждаться в более длинной взлетно-летательной полосе на большей высоте над уровнем моря вследствие сниженной плотности воздуха на больших высотах, которые снижают подъемную силу и мощность двигателя. Большинство летательных аппаратов гражданского назначения несут таблицы производителя, показывающие корректировки, требуемые для заданной температуры.
Фиг.16а схематически изображает установку пьезоэлектрических генераторов энергии (PEG) на взлетно-посадочной полосе согласно примерному варианту осуществления изобретения.
Система 1150 сбора энергии взлетно-посадочной полосы установлена в аэропорту, имеющем взлетно-посадочную полосу 1510. Для ясности, элементы разводки кабелей, регулирования потребления и накопления энергии были опущены в этом чертеже. Однако эти элементы придерживаются общей конструкции и режимов работы, раскрытых на предыдущих фигурах.
По меньшей мере поблизости от одного конца взлетно-посадочной полосы, посадочный знак 1520 нанесен на дорожное покрытие. Пилоты нацеливают самолет на касание взлетно-посадочной полосы на этом знаке. Обычно взлет начинается на этом же самом знаке или около него. Направление взлета и посадки обычно противоположны направлению ветра, таким образом, в местоположениях, где направление ветра меняется, посадочный знак будет нанесен на обоих концах взлетно-посадочной полосы. Однако преобладающее направление ветра определяет вероятность приземления в одном или другом направлении. В некоторых аэропортах разные взлетно-посадочные полосы используются для приземления и для взлета.
При приземлении нагрузка на шасси высока на всем протяжении пробега при посадке. В противоположность, во время взлета аэродинамическая подъемная сила уменьшает нагрузку, когда скорость самолета возрастает.
Предпочтительно, PEG устанавливаются под дорожное покрытие взлетно-посадочной полосы, где механическое напряжение, вызванное шасси самолетов, использующих взлетно-посадочную полосу, является большим и частым.
В изображенном примерном варианте осуществления согласно фиг.16а PEG 1540 установлены начиная с посадочного знака 1520 группами 1530. Каждая группа PEG 1530 содержит множество PEG 1540 (четыре видны на этой фигуре, но количество PEG в группе может меняться). Каждая группа занимает длину предпочтительно 1-6 метров. Группы 1530 расположены в параллельной конфигурации на заданном расстоянии, чтобы формировать два ряда групп 1535. В примерном варианте осуществления, изображенном на фиг.16а, расстояние между группами имеет значение приблизительно 30 см, а расстояние между центрами двух рядов 1535 имеет значение приблизительно 11 м. В основном, расстояние между центрами двух рядов 1535 определяется средним расстоянием между основными шасси самолетов, использующих взлетно-посадочную полосу. В целом, расстояние между группами 1540 и расстояние между PEG в группе является компромиссом между увеличением себестоимости PEG и увеличением эффективности сбора энергии с большего количества PEG.
В изображенном варианте осуществления PEG установлены в начале взлетно-посадочной полосы и вплоть до места, где вероятность механического напряжения, вызванного прохождением самолета, уменьшается до точки, в которой уменьшенная ожидаемая собираемая энергия делает установку PEG экономически неэффективной. Например, большая часть взлетно-посадочных полос для взлета являются более длинными чем средний пробег при взлете и, таким образом, установка PEG будет ограничиваться началом взлетно-посадочной полосы. Подобное рассуждение может производиться для взлетно-посадочных полос для посадки, взлетно-посадочных полос для, посадки и взлета, а также взлетно-посадочных полос в местоположениях, где меняется направление ветра. На взлетно-посадочных полосах в местоположениях, где направление ветра меняется, PEG могут устанавливаться начиная с обоих концов или по всей длине взлетно-посадочной полосы.
Фиг.16b схематически изображает реализацию PEG во взлетно-посадочной полосе согласно примерным вариантам осуществления настоящего изобретения.
Фиг.16b(i) изображает взлетно-посадочную полосу, содержащую слой 1620 бетона, наложенный поверх основания 1610, и слой 1630 асфальта, нанесенный поверх него. В этом варианте осуществления PEG 1540 предпочтительно прикреплены к слою 1620 бетона и покрыты асфальтом.
В качестве альтернативы PEG могут быть установлены под слоем 1620 бетона.
Фиг.16b(ii) изображает взлетно-посадочную полосу, содержащую слой 1620 бетона, наложенный поверх основания 1610, без слоя асфальта. В этом варианте осуществления PEG 1540 могут быть установлены внутри слоя 1620 бетона. В этом варианте осуществления PEG может быть прикреплен к арматурной конструкции армированного бетона, если используется. В качестве альтернативы PEG могут поддерживаться опорной конструкцией 1545, в то время как заливается бетон.
В качестве альтернативы PEG могут быть установлены под слоем 1620 бетона.
Фиг.17 схематически изображает коробчатый пьезоэлектрический преобразователь 1700 согласно еще одному предпочтительному варианту осуществления изобретения.
Составная коробка изготовлена из пьезоэлектрических стержней 1720, соединенных связующей смолой 1721, как схематически показано на данной фигуре. Предпочтительно, связующая смола изготовлена из битумно-полимерной смеси. Предпочтительно, свойства смолы выбираются из условия, чтобы средние механические свойства генератора 1700 (матрицы с пьезокерамическими стержнями, установленными в ней) соответствовали требованиям к механическим свойствам дорожного покрытия взлетно-посадочной полосы.
Хотя стержни изображены в качестве имеющих квадратное поперечное сечение, могут использоваться цилиндрическая и другие формы. В изображенном варианте осуществления была выбрана «шахматная» конфигурация стержней. Однако может использоваться другая конфигурация укладки.
Типичные размеры 12,5×5 см и высота 2 см даны в качестве примера. Могут использоваться другие формы и размеры. В изображенном варианте осуществления 40% объема занято пьезоэлектрическими стержнями, однако могут использоваться другие отношения стержней к смоле. В изображенном варианте 125 осуществления используются пьезоэлектрические стержни, скомпонованные в 10 рядах чередующихся 13 и 12 стержней на ряд, однако могут использоваться другие конфигурации стержней.
Каждый стержень может быть изготовлен из единой структуры или множества слоев.
В изображенном варианте осуществления все верхние электроды всех стержней присоединены параллельно к верхнему электроду 1730. Верхний электрод 1730 присоединен к проводнику 1732 верхнего электрода на верхнем контакте 1733.
Подобным образом, все нижние электроды всех стержней присоединены параллельно к нижнему электроду (не виден на этой фигуре). Нижний электрод присоединен к проводнику 1742 нижнего электрода на верхнем контакте 1743. Проводники 1742 и 1732 объединены в кабель 1750, который ведет в блоки использования и регулирования потребления энергии (не показаны на этой фигуре).
В еще одном предпочтительном варианте осуществления устройства генерирования энергии расположены под железнодорожными путями поезда. Хотя движение поездов является менее частым, механическое напряжение, вызванное поездом, является гораздо большим, чем у автомобиля. Дополнительно, механическое напряжение, вызванное проходящим поездом, сконцентрировано под рельсами и может быть более легким для сбора.
Следует принять во внимание, что некоторые признаки изобретения, которые, для ясности, описаны в контексте отдельных вариантов осуществления, также могут быть предусмотрены в комбинации в одиночном варианте осуществления. Наоборот, различные признаки изобретения, которые, для краткости, описаны в контексте одиночного варианта осуществления, также могут быть предусмотрены отдельно или в любой подходящей подкомбинации.
Хотя изобретение было описано в сочетании с его отдельными вариантами осуществления, очевидно, что многие альтернативы, модификации и варианты будут видны специалистам в данной области техники. Соответственно, оно подразумевается охватывающим все такие альтернативы, модификации и варианты, которые подпадают под сущность и широкий объем защиты прилагаемой формулы изобретения. Все публикации, патенты и заявки на патенты, упомянутые в данном описании изобретения, включены в описание изобретения посредством ссылки во всей своей полноте, в такой же мере, как если бы каждая отдельная публикация, патент или заявка на патент была конкретно и отдельно указана включенной в материалы настоящей заявки посредством ссылки. Кроме того, цитирование или идентификация, или любая ссылка в данной заявке не должна истолковываться в качестве допущения, что такая ссылка пригодна в качестве предшествующего уровня техники по отношению к настоящему изобретению.