路面壓電振動能量采集技術現狀及展望

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關鍵詞：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境中的機械能的研究越來越受人們的重視。其中，路面振動產生的大量未能收集的能量成為當下研究的熱點。文中系統地對壓電發電路面技術進行了梳理、分析與歸納，并對路面壓電振動能量采集技術發展國內外現狀進行了闡述。

1壓電發電路面技術途徑

1.1發電技術工作原理

壓電效應可以分為正壓電效應和逆壓電效應。某些電介質在沿一定方向上受到外力的作用而變形時，其內部會產生極化現象，同時在它的2個相對表面上出現正負相反的電荷。當外力去掉后，它又會恢復到不帶電的狀態，這種現象稱為正壓電效應［1］。正壓電效應示意圖如圖1所示。壓電發電技術利用的是壓電材料的正壓電效應，將機械振動能量轉變為電能，實現發電的目標。目前幾種運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構。懸臂梁氏換能結構由于其易實現性，已經成為研究開發中最普遍的，應用最多的結構［2］。

1.2壓電發電路面技術途徑

利用壓電材料的正壓電效應實現在車輛行駛過程中振動能量的收集和機械能到電能的轉換，這便被稱作路面壓電發電。通常這種技術按照不通的工作方式以及技術指標的不同，可以分為壓電材料與路面材料一體化技術、壓電換能元件埋入式里面發電技術以及基于集成式壓電裝置的路面發電技術等3類。

1.2.1壓電材料與路面材料一體化技術采用壓電材料與路面材料一體化技術發電的路面是一種利用路用壓電復合材料直接鋪筑而成的壓電發電路面。當壓電發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生電荷。基于這兩種不同的產生電能的方式，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電技術是將具有發電能力的壓電式能量交換元件嵌入樓層結構中的一種能源生成高速路面形式，并將應力和應力在荷載作用下進行轉換能量。相比于采用一體化發電技術，TEM具有產能高、控制能力強等優點。在得克薩斯大學，幾個棱鏡PZT被串聯起來形成了一個壓電裝置。在10Hz模擬驅動負載下，FOI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電技術當前國內外的埋入式壓電發電電路存在著發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，缺乏換能元件優選與保護措施設計相關研究，缺乏換能元件結構保護層系統研究，以及發電路面匹配性差、缺乏新型能量收集系統等諸多問題。針對埋入式壓電發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電技術［4］。目前國外已有部分研究成果，但未曾廣泛應用。國內起步較晚，目前僅在部分專利中有所涉及，鮮有實質性的研究。

2國內外路面壓電振動能量采集技術研究進程

2.1國外路面壓電振動能量采集技術研究進程

壓電換能技術的出現始于1996年，荷蘭的科學家首次利用壓電效應收集筆記本“開/合”過程中產生的機械能，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現采集汽車和行人產生的壓力并產生電能。據計算，長度為1km的發電路面每天可產生100kWh～400kWh的電能［7］。日本音力公司開發一種地嵌板，當行人經過時，地嵌板內的壓電晶體就會將機械能轉化為電能收集儲存，經分析統計該系統每天可以收集10kJ的振動能量。VirginiaTechUniversity的Sodano團隊通過測試壓電單晶片、壓電作動器和壓電纖維復合材料對鎳金屬混合電池的充電能力，發現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環境下為3者中最高［8］。趙迎賓［9］等將壓電聚合物（PVDF）安裝在旗面上，采用固定端設計使流體產生渦流，利用水流或洋流發電。

2.2國內路面壓電振動能量采集技術研究進程

西安交通大學曹秉剛［10］等提出了一種利用振動能量產生電能，并采用相關控制方法提供給道路燈具的理念。將壓電裝置鋪設于路面內或直接用壓電材料作為路面組成部分，利用振動能量產生電能，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施作為工作能源，或者提供給儲能裝置或電網加以存儲和利用。譚憶秋［11］等在以環氧樹脂和瀝青為基地材料、PZT為主要材料的壓電換能器復合材料的分析中，發現環氧基、瀝青基的PZT最佳溫度為50°，最佳體積分數為100/75。閆世偉［12］等對壓電發電裝置進行了優化設計，從理論和實驗兩方面探尋壓電材料發電效率的影響因素，設計出一種具有壓電發電、控制電路與存儲模塊的能量轉換系統。李旭［13］提出了一種應用壓電陶瓷傳感器低頻的結構振動響應信號和高頻聲發射信號的多功能監測方法。以鋼筋混凝土梁動態彎曲破壞試驗為例，分析了壓電陶瓷傳感器在混凝土構件中的多功能監測。2017年，中科院展出了我國自主研發的壓電地板換能裝置，采用硅酸鹽材料作為壓電板，通過壓電板內放置的壓電換能芯片，進行能量的轉換。關新春［14］等制備了一種水泥基壓電復合材料，通過預埋壓電陶瓷制備的方法來實現對車輛和行人振動能量的轉化。

3路面壓電能量采集技術的研究展望

3.1開發智能路面系統

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，同時間段內交通荷載通過的次數、速度均不相同，這就要求壓電陶瓷能量采集系統具有一定的調節采集振動能量頻率范圍的功能，可以通過一種螺旋式調頻壓電發電裝置。智能壓電發電路面信號轉換裝置和PLC控制系統如圖3所示。其信號轉換裝置和PLC控制系統將信號傳遞給交通控制燈和改變壓電陶瓷接受環境振動頻率的螺旋臂，可實現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節，實現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

目前國內外對于路面壓電發電的主要研究進展均是對于通行汽車的公路路面，在行人走動所產生機械能方面的研究是較少的。但事實是，這同樣包含著不可忽視的巨大機械能。例如，當一個體重70kg的人行走在路面時，假設能造成路面結構0.1mm的變形量，則每走一步將會轉化0.07J的機械能。當把研究對象選擇為人流量較大的場所時，例如大型商場，假設商場中每天的人流量有1萬人次，商場中鋪設有能量收集裝置的路面長為100m，按照人的平均步幅0.5m大致計算，每小時能夠產生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。隨著社會對可持續發展的重視，利用壓電陶瓷技術將頻繁人體踏走路面產生的路面振動能量轉化為電能，以供用電負載使用或存儲的節能方法成為當下的研究熱點。在目前已有的較少研究案例當中，有人提出一種設計，設計當中利用杠桿放大原理將人體緩慢踏走的作用力進行放大以實現對壓電疊堆的快速沖擊，從而提高發電量［16］。壓電發電單元結構示意圖如圖4所示。

3.3路面材料與壓電材料一體化的發電路面技術研究

目前，壓電換能技術雖然有著廣闊的發展空間，但將壓電換能器運用于實際路面時存在一系列的問題，例如儲能收益無法彌補換能器造價較高，換能器對原路面結構損壞較大，施工復雜等問題。如果能研發出一種技術將壓電材料與路面材料一體化，一體化后的道路壓電發電瀝青混凝土可以將荷載作用下路面變形所產生的機械能直接轉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智能化發電路面壓電元件保護措施設計

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

4結語

路面壓電振動能量采集技術是一項涉及眾多學科領域的綜合技術。國內外科學家對于壓電材料特性以及發電能力已經有了相當充分的研究，壓電材料的應用也得到進一步的發展，提高能源利用效率，完善發展路面振動能量采集技術將成為未來重點方向。

作者：張明哲 劉歡騰 張琦 單位：東北大學冶金學院