路面壓電振動能量采集技術(shù)現(xiàn)狀及展望

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關(guān)鍵詞：壓電材料；能量采集；路面振動；能量利用；新能源

引言

通過使用壓電材料收集環(huán)境中的機(jī)械能的研究越來越受人們的重視。其中，路面振動產(chǎn)生的大量未能收集的能量成為當(dāng)下研究的熱點(diǎn)。文中系統(tǒng)地對壓電發(fā)電路面技術(shù)進(jìn)行了梳理、分析與歸納，并對路面壓電振動能量采集技術(shù)發(fā)展國內(nèi)外現(xiàn)狀進(jìn)行了闡述。

1壓電發(fā)電路面技術(shù)途徑

1.1發(fā)電技術(shù)工作原理

壓電效應(yīng)可以分為正壓電效應(yīng)和逆壓電效應(yīng)。某些電介質(zhì)在沿一定方向上受到外力的作用而變形時，其內(nèi)部會產(chǎn)生極化現(xiàn)象，同時在它的2個相對表面上出現(xiàn)正負(fù)相反的電荷。當(dāng)外力去掉后，它又會恢復(fù)到不帶電的狀態(tài)，這種現(xiàn)象稱為正壓電效應(yīng)［1］。正壓電效應(yīng)示意圖如圖1所示。壓電發(fā)電技術(shù)利用的是壓電材料的正壓電效應(yīng)，將機(jī)械振動能量轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔?，?shí)現(xiàn)發(fā)電的目標(biāo)。目前幾種運(yùn)用最廣泛的壓電材料是包括壓電陶瓷、壓電聚合物以及壓電復(fù)合材料等。如何更高效率的利用振動能量，最重要的就是研究壓電換能結(jié)構(gòu)。懸臂梁氏換能結(jié)構(gòu)由于其易實(shí)現(xiàn)性，已經(jīng)成為研究開發(fā)中最普遍的，應(yīng)用最多的結(jié)構(gòu)［2］。

1.2壓電發(fā)電路面技術(shù)途徑

利用壓電材料的正壓電效應(yīng)實(shí)現(xiàn)在車輛行駛過程中振動能量的收集和機(jī)械能到電能的轉(zhuǎn)換，這便被稱作路面壓電發(fā)電。通常這種技術(shù)按照不通的工作方式以及技術(shù)指標(biāo)的不同，可以分為壓電材料與路面材料一體化技術(shù)、壓電換能元件埋入式里面發(fā)電技術(shù)以及基于集成式壓電裝置的路面發(fā)電技術(shù)等3類。

1.2.1壓電材料與路面材料一體化技術(shù)采用壓電材料與路面材料一體化技術(shù)發(fā)電的路面是一種利用路用壓電復(fù)合材料直接鋪筑而成的壓電發(fā)電路面。當(dāng)壓電發(fā)電裝置受到力作用時，在垂直于受力方向或平行于受力方向會產(chǎn)生電荷?；谶@兩種不同的產(chǎn)生電能的方式，目前有兩種常見的路面能量采集方式及能量輸出電路［4］。兩種常見的發(fā)電路面如圖2所示。

1.2.2壓電換能元件埋入式壓電式能量交換元件嵌入式發(fā)電技術(shù)是將具有發(fā)電能力的壓電式能量交換元件嵌入樓層結(jié)構(gòu)中的一種能源生成高速路面形式，并將應(yīng)力和應(yīng)力在荷載作用下進(jìn)行轉(zhuǎn)換能量。相比于采用一體化發(fā)電技術(shù)，TEM具有產(chǎn)能高、控制能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。在得克薩斯大學(xué)，幾個棱鏡PZT被串聯(lián)起來形成了一個壓電裝置。在10Hz模擬驅(qū)動負(fù)載下，F(xiàn)OI器件的輸出能量為3.5MW。

1.2.3基于集成式壓電裝置的路面發(fā)電技術(shù)當(dāng)前國內(nèi)外的埋入式壓電發(fā)電電路存在著發(fā)電路面體系尚未建立，換能材料與路面材料研究尚未一體化，缺乏換能元件優(yōu)選與保護(hù)措施設(shè)計(jì)相關(guān)研究，缺乏換能元件結(jié)構(gòu)保護(hù)層系統(tǒng)研究，以及發(fā)電路面匹配性差、缺乏新型能量收集系統(tǒng)等諸多問題。針對埋入式壓電發(fā)電路面存在的以上問題提出了基于集成式壓電裝置的路面發(fā)電技術(shù)［4］。目前國外已有部分研究成果，但未曾廣泛應(yīng)用。國內(nèi)起步較晚，目前僅在部分專利中有所涉及，鮮有實(shí)質(zhì)性的研究。

2國內(nèi)外路面壓電振動能量采集技術(shù)研究進(jìn)程

2.1國外路面壓電振動能量采集技術(shù)研究進(jìn)程

壓電換能技術(shù)的出現(xiàn)始于1996年，荷蘭的科學(xué)家首次利用壓電效應(yīng)收集筆記本“開/合”過程中產(chǎn)生的機(jī)械能，并加以利用［6］。以色列研究出一種收集路面振動能量的裝置，通過在瀝青道路里摻加壓電晶體來實(shí)現(xiàn)采集汽車和行人產(chǎn)生的壓力并產(chǎn)生電能。據(jù)計(jì)算，長度為1km的發(fā)電路面每天可產(chǎn)生100kWh～400kWh的電能［7］。日本音力公司開發(fā)一種地嵌板，當(dāng)行人經(jīng)過時，地嵌板內(nèi)的壓電晶體就會將機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電能收集儲存，經(jīng)分析統(tǒng)計(jì)該系統(tǒng)每天可以收集10kJ的振動能量。VirginiaTechUniversity的Sodano團(tuán)隊(duì)通過測試壓電單晶片、壓電作動器和壓電纖維復(fù)合材料對鎳金屬混合電池的充電能力，發(fā)現(xiàn)3者都可以給可充電電池充電，且壓電單晶片的充電效率在相同的測驗(yàn)環(huán)境下為3者中最高［8］。趙迎賓［9］等將壓電聚合物（PVDF）安裝在旗面上，采用固定端設(shè)計(jì)使流體產(chǎn)生渦流，利用水流或洋流發(fā)電。

2.2國內(nèi)路面壓電振動能量采集技術(shù)研究進(jìn)程

西安交通大學(xué)曹秉剛［10］等提出了一種利用振動能量產(chǎn)生電能，并采用相關(guān)控制方法提供給道路燈具的理念。將壓電裝置鋪設(shè)于路面內(nèi)或直接用壓電材料作為路面組成部分，利用振動能量產(chǎn)生電能，并作為電力采用一定的控制方法提供給道路燈具和其他路政設(shè)施作為工作能源，或者提供給儲能裝置或電網(wǎng)加以存儲和利用。譚憶秋［11］等在以環(huán)氧樹脂和瀝青為基地材料、PZT為主要材料的壓電換能器復(fù)合材料的分析中，發(fā)現(xiàn)環(huán)氧基、瀝青基的PZT最佳溫度為50°，最佳體積分?jǐn)?shù)為100/75。閆世偉［12］等對壓電發(fā)電裝置進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)，從理論和實(shí)驗(yàn)兩方面探尋壓電材料發(fā)電效率的影響因素，設(shè)計(jì)出一種具有壓電發(fā)電、控制電路與存儲模塊的能量轉(zhuǎn)換系統(tǒng)。李旭［13］提出了一種應(yīng)用壓電陶瓷傳感器低頻的結(jié)構(gòu)振動響應(yīng)信號和高頻聲發(fā)射信號的多功能監(jiān)測方法。以鋼筋混凝土梁動態(tài)彎曲破壞試驗(yàn)為例，分析了壓電陶瓷傳感器在混凝土構(gòu)件中的多功能監(jiān)測。2017年，中科院展出了我國自主研發(fā)的壓電地板換能裝置，采用硅酸鹽材料作為壓電板，通過壓電板內(nèi)放置的壓電換能芯片，進(jìn)行能量的轉(zhuǎn)換。關(guān)新春［14］等制備了一種水泥基壓電復(fù)合材料，通過預(yù)埋壓電陶瓷制備的方法來實(shí)現(xiàn)對車輛和行人振動能量的轉(zhuǎn)化。

3路面壓電能量采集技術(shù)的研究展望

3.1開發(fā)智能路面系統(tǒng)

路面壓電能量采集器常用在公路上。由行車交通時間分布特性可知，同時間段內(nèi)交通荷載通過的次數(shù)、速度均不相同，這就要求壓電陶瓷能量采集系統(tǒng)具有一定的調(diào)節(jié)采集振動能量頻率范圍的功能，可以通過一種螺旋式調(diào)頻壓電發(fā)電裝置。智能壓電發(fā)電路面信號轉(zhuǎn)換裝置和PLC控制系統(tǒng)如圖3所示。其信號轉(zhuǎn)換裝置和PLC控制系統(tǒng)將信號傳遞給交通控制燈和改變壓電陶瓷接受環(huán)境振動頻率的螺旋臂，可實(shí)現(xiàn)路面信號燈的自動控制及對于振動能量采集頻率的自動化調(diào)節(jié)，實(shí)現(xiàn)自動化智能控制以及能源更高效的采集利用。

3.2行人引起的路面振動能量的采集

目前國內(nèi)外對于路面壓電發(fā)電的主要研究進(jìn)展均是對于通行汽車的公路路面，在行人走動所產(chǎn)生機(jī)械能方面的研究是較少的。但事實(shí)是，這同樣包含著不可忽視的巨大機(jī)械能。例如，當(dāng)一個體重70kg的人行走在路面時，假設(shè)能造成路面結(jié)構(gòu)0.1mm的變形量，則每走一步將會轉(zhuǎn)化0.07J的機(jī)械能。當(dāng)把研究對象選擇為人流量較大的場所時，例如大型商場，假設(shè)商場中每天的人流量有1萬人次，商場中鋪設(shè)有能量收集裝置的路面長為100m，按照人的平均步幅0.5m大致計(jì)算，每小時能夠產(chǎn)生2000W的能量［15］。目前，像商場、人行道、地鐵等頻繁人體踏走的路面振動能量還未能加以利用。隨著社會對可持續(xù)發(fā)展的重視，利用壓電陶瓷技術(shù)將頻繁人體踏走路面產(chǎn)生的路面振動能量轉(zhuǎn)化為電能，以供用電負(fù)載使用或存儲的節(jié)能方法成為當(dāng)下的研究熱點(diǎn)。在目前已有的較少研究案例當(dāng)中，有人提出一種設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)當(dāng)中利用杠桿放大原理將人體緩慢踏走的作用力進(jìn)行放大以實(shí)現(xiàn)對壓電疊堆的快速沖擊，從而提高發(fā)電量［16］。壓電發(fā)電單元結(jié)構(gòu)示意圖如圖4所示。

3.3路面材料與壓電材料一體化的發(fā)電路面技術(shù)研究

目前，壓電換能技術(shù)雖然有著廣闊的發(fā)展空間，但將壓電換能器運(yùn)用于實(shí)際路面時存在一系列的問題，例如儲能收益無法彌補(bǔ)換能器造價較高，換能器對原路面結(jié)構(gòu)損壞較大，施工復(fù)雜等問題。如果能研發(fā)出一種技術(shù)將壓電材料與路面材料一體化，一體化后的道路壓電發(fā)電瀝青混凝土可以將荷載作用下路面變形所產(chǎn)生的機(jī)械能直接轉(zhuǎn)化為電能而不再需要外加換能器。如此一來，上面提到的壓電換能器埋置到路面中時所引起的諸多危害便基本解決。被瀝青包裹的壓電材料可較好地發(fā)揮壓電性能，且道路所擁有的路用性能不被損壞。

3.4智能化發(fā)電路面壓電元件保護(hù)措施設(shè)計(jì)

由于對壓電換能器發(fā)電路面的研究尚不夠深入，針對其存在的一些技術(shù)缺陷，選擇時優(yōu)先考慮適合用于道路發(fā)電的壓電元件并對其進(jìn)行必要的結(jié)構(gòu)優(yōu)化改進(jìn)。針對于此，周浩［16］等提出了判斷綜合性能優(yōu)劣與否的評價指標(biāo)并找出了最佳保護(hù)結(jié)構(gòu)。他們還進(jìn)行了典型面層結(jié)構(gòu)組合小尺寸試件電學(xué)輸出效果的測試評價，在此基礎(chǔ)上開發(fā)制作出的能量采集實(shí)體電路也取得了較大成功。有研究結(jié)果顯示：當(dāng)選用直徑35mm、厚度0.4mm圓形壓電陶瓷片時，發(fā)電路面的各項(xiàng)技術(shù)要求均得到滿足，結(jié)構(gòu)的改進(jìn)處理使壓電元件的使用壽命大大延長；最佳保護(hù)措施類型是D型剛性銅片與橡膠墊組合的保護(hù)結(jié)構(gòu)；電學(xué)輸出效果最好的是薄層面罩復(fù)合AC-13型發(fā)電路面［17］。壓電發(fā)電路面典型結(jié)構(gòu)組合及適用性如表1所示。

4結(jié)語

路面壓電振動能量采集技術(shù)是一項(xiàng)涉及眾多學(xué)科領(lǐng)域的綜合技術(shù)。國內(nèi)外科學(xué)家對于壓電材料特性以及發(fā)電能力已經(jīng)有了相當(dāng)充分的研究，壓電材料的應(yīng)用也得到進(jìn)一步的發(fā)展，提高能源利用效率，完善發(fā)展路面振動能量采集技術(shù)將成為未來重點(diǎn)方向。

作者：張明哲 劉歡騰 張琦 單位：東北大學(xué)冶金學(xué)院