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(shí)，其內(nèi)部會產(chǎn)生極化現(xiàn)象，同時(shí)在它的2個(gè)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(shí)，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(gè)棱鏡PZT被串聯(lián)起來形成了一個(gè)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(shí)，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(shí)間分布特性可知，同時(shí)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(gè)體重70kg的人行走在路面時(shí)，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(shí)，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(shí)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(shí)存在一系列的問題，例如儲能收益無法彌補(bǔ)換能器造價(jià)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(shí)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(shí)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(jià)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(jià)，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(shí)，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