蔡樹(shù)生，楊京鴻

壓電技術(shù)探析及其在道路能量收集中的應(yīng)用

蔡樹(shù)生，楊京鴻

（長(zhǎng)沙理工大學(xué)交通運(yùn)輸工程學(xué)院，湖南長(zhǎng)沙，410114）

在路面上，壓電發(fā)電研究已經(jīng)展現(xiàn)出較高的可靠性和效率。立足于壓電材料性能、壓電式能量收集等國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀，對(duì)壓電換能器結(jié)構(gòu)進(jìn)行了優(yōu)選與設(shè)計(jì)；分析了埋置深度、排列方式與溫度對(duì)壓電效率的影響。分析結(jié)果表明：橋式壓電換能器最適合于路面能量收集，最優(yōu)埋置深度為15 mm；高溫下的換能器變形不可忽視，應(yīng)注意養(yǎng)護(hù)；壓電換能器的最優(yōu)排列方式為點(diǎn)狀矩陣分布，距離道路邊緣0.25 m～1.5 m處的間距取4 mm，其余路段間距取14 mm。上述研究、方法與結(jié)論有利于道路壓電式能量收集技術(shù)進(jìn)一步研究和應(yīng)用實(shí)踐。

壓電式能量收集系統(tǒng)；壓電材料；壓電換能器；路面發(fā)電；壓電效率；優(yōu)化設(shè)計(jì)

引言

國(guó)內(nèi)外普遍使用的發(fā)電式路面主要有三種：太陽(yáng)能發(fā)電路面、風(fēng)能發(fā)電路面和壓電發(fā)電路面，其中最為可靠且效率最高的是壓電發(fā)電[1]。國(guó)內(nèi)發(fā)表的研究成果僅是對(duì)其進(jìn)行了宏觀經(jīng)濟(jì)性和可靠性研究，并未對(duì)壓電系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)進(jìn)行完整介紹。目前僅有極少的研究成果在有限的地區(qū)得到了驗(yàn)證性應(yīng)用，本文的研究致力于填補(bǔ)上述空白。

1　壓電材料與壓電式能量收集概述

1.1壓電材料

19世紀(jì)80年代，法國(guó)居里兄弟發(fā)現(xiàn)了壓電效應(yīng)。壓電效應(yīng)來(lái)源于介質(zhì)結(jié)構(gòu)的不對(duì)稱(chēng)性，這種不對(duì)稱(chēng)性在壓力作用下會(huì)發(fā)生電極化現(xiàn)象[2]。材料表面產(chǎn)生的電荷量與壓力大小成正比。由于壓電材料能夠?qū)C(jī)械能轉(zhuǎn)化為動(dòng)能，因此被廣泛應(yīng)用在軍事、機(jī)械、電工、信息、航空航天等領(lǐng)域。2000年來(lái)，全球壓電材料的銷(xiāo)售額達(dá)到了30億美元以上，且每年以15%左右的速度增長(zhǎng)[3]。

目前應(yīng)用最廣、性能最好的壓電材料是鈦鋯酸鉛系（簡(jiǎn)稱(chēng)PZT），其主要類(lèi)型分為5種：PZT-2、PZT-4、PZT-5A、PZT-5H、PZT-8。在d33模式、d31模式、d15模式下，PZT-5H的相對(duì)介電常數(shù)較低，輸出功率大，壓電效率高。壓電電壓常數(shù)與壓電應(yīng)變常數(shù)在d33模式下達(dá)到了11 600左右，在其它模式下處于10 000以下。除此之外，PZT還具有較好的剛度和抗疲勞特性。

市場(chǎng)上應(yīng)用的 PZT大多是經(jīng)過(guò)改性的。較好的改性粒子是Ba2+、Sr2+、Sn2+等。改性PZT比較關(guān)鍵的指標(biāo)是體積分?jǐn)?shù)。改性劑摻和過(guò)多會(huì)導(dǎo)致壓電性能下降；摻和過(guò)少則會(huì)導(dǎo)致性能無(wú)法達(dá)到要求。將摻和體積數(shù)取95、90、85、80、75、70、65、60進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)在95～75的范圍內(nèi)，壓電性能差別不大，故取75為PZT最優(yōu)體積分?jǐn)?shù)。

1.2道路壓電式能量收集

在國(guó)外，以色列Innowattech公司于2008年宣稱(chēng)研究出基于壓電換能裝置的道路壓電式能量收集系統(tǒng)IPEG（Innowattech Piezo Electric Generator）。據(jù)介紹，當(dāng)單車(chē)道交通量超過(guò)500輛/h時(shí)，每車(chē)道每公里可收集到大約250 kW電能[4]。此外，其它國(guó)家的相關(guān)研究也較多，如麻省理工學(xué)院Kymisis等研制出一種發(fā)電鞋，用于收集行走產(chǎn)生的電能；喬治理工大學(xué)Orr等研制出基于壓電效應(yīng)收集能量的智能電板[5]。

在國(guó)內(nèi)，長(zhǎng)安大學(xué)王朝輝教授發(fā)明了一種瀝青混凝土發(fā)電路面結(jié)構(gòu)；牛衍亮等提出了四因素學(xué)習(xí)曲線模型，且得出橋型換能器效率最高的結(jié)論[5]；趙鴻鐸等著力于研究在瀝青路面下鋪設(shè)壓電材料，使原本作為熱能消耗的能量轉(zhuǎn)換為電能收集起來(lái)，并申報(bào)了國(guó)家自然科學(xué)基金[6]。

2　壓電換能器優(yōu)選與設(shè)計(jì)

2.1換能器優(yōu)選

目前國(guó)際上常用于道路能量收集的壓電換能器結(jié)構(gòu)主要包括：多層式、拱式、鈸式、橋式、纖維板式等[7]。拱式和纖維板式剛度較低，經(jīng)上百萬(wàn)次標(biāo)準(zhǔn)軸載碾壓后容易受到破壞；多層式剛度太大，壓電轉(zhuǎn)換效率太低；鈸式和橋式相比，橋式輸出功率更大，可作為最優(yōu)選擇。

2.2換能器結(jié)構(gòu)

圓弧形壓電材料在受到0.5 MPa的壓力時(shí)會(huì)發(fā)生斷裂，而矩形壓電材料可承受0.7 MPa以上的壓力作用。磷青銅具有較高剛度與良好的導(dǎo)電性能，是理想的換能器材料。換能器的端帽采用0.3 mm厚度的磷青銅，壓電材料采用矩形PZT-5H，尺寸為30 mm×50 mm×2 mm。在尺寸為40 mm×60 mm×0.2 mm的磷青銅基板上下兩端涂抹銅粉導(dǎo)電膠與強(qiáng)力膠的結(jié)合物，并粘結(jié)橋式磷青銅端帽。結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1　橋型換能器結(jié)構(gòu)

2.3換能器指標(biāo)分析

采用有限元方法進(jìn)行分析，結(jié)果表明：換能器應(yīng)力集中區(qū)域?yàn)閴弘姄Q能器與金屬端帽粘結(jié)部分的最內(nèi)側(cè)。換能器能夠承受最大水平拉應(yīng)力30 MPa，最大剪應(yīng)力為14 MPa，能夠適應(yīng)我國(guó)最大超載情況引起的路面壓力。

根據(jù)有限元結(jié)果分析，在壓力大小為0.7 MPa的荷載作用下，最大壓電值為240 V，一次應(yīng)力作用產(chǎn)生的電能為1.2 mW。

3　壓電效率優(yōu)化

對(duì)于埋設(shè)在路面結(jié)構(gòu)下的壓電換能器，影響其壓電效率的因素包括：埋置深度、排列方式、瀝青混合料公稱(chēng)粒徑、車(chē)速、溫度等。本文主要分析埋置深度，排列方式與溫度對(duì)壓電效率的影響，旨在獲得最佳壓電效率。

3.1埋置深度

車(chē)輪荷載對(duì)路面結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的應(yīng)力大小與路面深度之間存在非線性關(guān)系，且隨著路面深度增加，所受應(yīng)力減小。而壓電材料的發(fā)電效率與所受應(yīng)力大小呈正比。取埋置深度為0 mm～35 mm，每隔5 mm制作一試件。在同一荷載作用下研究壓電性能，數(shù)據(jù)結(jié)果如表1和圖2所示，表明埋置深度為0 mm時(shí)最容易被破壞，5 mm、10 mm、15 mm時(shí)壓電性能差別不大，其中5 mm和10 mm試件出現(xiàn)了裂紋。20 mm以上埋置深度的試件不容易被破壞，但是效能不如前者。考慮到一般瀝青路面的磨耗層為10 mm，優(yōu)選埋置深度為15 mm。

3.2溫度

瀝青混凝土是一種溫度敏感型材料，在高溫下會(huì)出現(xiàn)粘性和蠕變現(xiàn)象。粘性會(huì)導(dǎo)致應(yīng)力消散，使壓電效率下降；蠕變現(xiàn)象會(huì)導(dǎo)致?lián)Q能器發(fā)生彈性變形。另一方面，PZT的性能也受溫度影響。

表1　埋置深度實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)結(jié)果

圖2　埋置深度對(duì)壓電性能的影響

采取埋置深度不變，溫度變化的研究方法，研究換能器的壓電性能，如表2和圖3所示。當(dāng)氣溫為25℃～30℃時(shí)，瀝青表面溫度達(dá)到40℃～50℃，壓電換能器表現(xiàn)出良好的壓電性能，產(chǎn)生的電壓處于218 V～206 V之間。當(dāng)氣溫低于20℃時(shí)，電壓下降大約10 V左右，但彈性變形不明顯。研究50℃氣溫時(shí)，室溫?zé)o法滿足，故將試件放入內(nèi)部溫度為55℃的烘箱中，加熱至50℃以上后放回室內(nèi)，用溫度儀檢測(cè)其表面溫度，待其冷卻至50℃時(shí)開(kāi)始加壓。結(jié)果表明，換能器壓電性能下降明顯，產(chǎn)生的電壓為152 V。同時(shí)試件發(fā)生蠕變，有明顯的加壓痕跡。因此高溫下的換能器變形不可忽視，建議在白天進(jìn)行養(yǎng)護(hù)，在車(chē)流量較小時(shí)灑水降溫。

表2　溫度實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)結(jié)果

圖3　溫度對(duì)壓電性能的影響

3.3排列方式

輪胎作用于行車(chē)道上的軌跡是隨機(jī)分布的，因此關(guān)鍵在于獲取換能器最大電能收集量的排列方式優(yōu)化。在垂直行車(chē)道方向采取帶狀分布會(huì)使得造價(jià)增高，同時(shí)形變過(guò)大容易致其損壞，故采取點(diǎn)狀矩陣分布較為合適。

根據(jù)單向行車(chē)道輪跡橫向分布頻率曲線，車(chē)道軌跡呈近似對(duì)稱(chēng)分布[8]。不考慮換能器本體影響，根據(jù)ANSYS仿真模擬結(jié)果，當(dāng)排列矩陣為2 mm～4 mm，以及8 mm～14 mm時(shí)，PZT俘獲電能隨間距增大而增大，分別從0.15 mJ直線上升到0.23 mJ，以及從0.18 mJ近似直線上升到0.28 mJ，如圖4所示。以雙向四車(chē)道振蕩頻率為研究對(duì)象，在車(chē)道邊緣0.25 m處為1.4～3.4 Hz，車(chē)道中間為2.6 Hz。由于距邊緣0.25 m～1.5 m處頻率較高，故設(shè)置優(yōu)化間距為4 mm，而其余路段設(shè)置優(yōu)化間距為14 mm。

圖4　俘獲電能與排列間距的關(guān)系

4　結(jié)束語(yǔ)

2015年，我國(guó)高速公路里程達(dá)到12萬(wàn)公里，道路系統(tǒng)蘊(yùn)含著豐富的機(jī)械能，壓電材料的特性可以將這部分機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電能加以利用。

道路壓電收集系統(tǒng)最關(guān)鍵的技術(shù)在于提高壓電換能器的轉(zhuǎn)換效率。目前最為合適的換能器為橋式換能器，其力學(xué)性能符合道路系統(tǒng)路面工作環(huán)境。換能器最好的材料是PZT-5H，最適宜的形狀為圓弧形，均有利于增加最大疲勞應(yīng)力值。

道路壓電能量收集技術(shù)為道路清潔能源的利用提供了思路。隨著壓電技術(shù)的發(fā)展，道路可再生能源利用指日可待。

[1]張之偉. 車(chē)致路面變形能量收集研究[D]. 北京: 北京交通大學(xué), 2014.

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[3]裴先茹, 高海榮. 壓電材料的研究和應(yīng)用現(xiàn)狀[J]. 安徽化工, 2010, 36(3): 4-6.

[4]黃如寶, 牛衍亮, 趙鴻鐸, 等. 道路壓電能量收集技術(shù)途徑與研究展望[J]. 中國(guó)公路學(xué)報(bào), 2012, 25(6): 1-8.

[5]趙曉康. 壓電發(fā)電技術(shù)在道路應(yīng)用中的可行性研究[D]. 西安:長(zhǎng)安大學(xué), 2013.

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[8]黃曉明. 路基路面工程: 第四版[M]. 北京: 人民交通出版社, 2014.

蔡樹(shù)生(1994-)，通訊作者，男，湖南益陽(yáng)人，在讀本科生，研究方向：道路工程路面。

E-mail: 1071223629@qq.com

楊京鴻(1995-)，男，湖南婁底人，在讀本科生，研究方向：交通運(yùn)輸。

E-mail: 649612964@qq.com

Analysis of Piezoelectric Technology and its Applications on Road Energy Collection

CAI Shu-sheng, YANG Jing-hong
(Schoool of Traffic and Transportation Engineering, Changsha University of Science & Technology, Changsha, Hunan, 410114, China)

Currently, piezoelectric power generation has highest reliability and efficiency in road power generation field. Based on the status quos of piezoelectric material performance and road energy collection around the world, the structure of piezoelectric transducer is optimized and designed, and effects to piezoelectric efficiency from embedment depth, arrangement and temperature are investigated as well. The results show that, bridge type piezoelectric transducer is most suitable for road energy collection, and its optimized embedment depth is 15 mm; the deformation of piezoelectric transducer under high temperature is not negligible, so its maintenance should be taken care of; the optimized arrangement of piezoelectric transducer is punctate matrix distribution, in which the interval is 4 mm for 0.25 m～1.5 m distance from the edge of the road, and 14 mm for others. The above essential research ideas and conclusions are beneficial for popularization and application of piezoelectric based road energy collection technology.

Piezoelectric Energy Collection System; Piezoelectric Material; Piezoelectric Transducer; Road Energy Collection; Piezoelectric Efficiency; Optimized Design

U414，V351

A

2095-8412 (2016) 05-945-04工業(yè)技術(shù)創(chuàng)新 URL: http://www.china-iti.com

10.14103/j.issn.2095-8412.2016.05.031