路面压电振动能量采集技术现状及展望

关键词：压电材料；能量采集；路面振动；能量利用；新能源

引言

通过使用压电材料收集环境中的机械能的研究越来越受人们的重视。其中，路面振动产生的大量未能收集的能量成为当下研究的热点。文中系统地对压电发电路面技术进行了梳理、分析与归纳，并对路面压电振动能量采集技术发展国内外现状进行了阐述。

1压电发电路面技术途径

1.1发电技术工作原理

压电效应可以分为正压电效应和逆压电效应。某些电介质在沿一定方向上受到外力的作用而变形时，其内部会产生极化现象，同时在它的2个相对表面上出现正负相反的电荷。当外力去掉后，它又会恢复到不带电的状态，这种现象称为正压电效应［1］。正压电效应示意图如图1所示。压电发电技术利用的是压电材料的正压电效应，将机械振动能量转变为电能，实现发电的目标。目前几种运用最广泛的压电材料是包括压电陶瓷、压电聚合物以及压电复合材料等。如何更高效率的利用振动能量，最重要的就是研究压电换能结构。悬臂梁氏换能结构由于其易实现性，已经成为研究开发中最普遍的，应用最多的结构［2］。

1.2压电发电路面技术途径

利用压电材料的正压电效应实现在车辆行驶过程中振动能量的收集和机械能到电能的转换，这便被称作路面压电发电。通常这种技术按照不通的工作方式以及技术指标的不同，可以分为压电材料与路面材料一体化技术、压电换能元件埋入式里面发电技术以及基于集成式压电装置的路面发电技术等3类。

1.2.1压电材料与路面材料一体化技术采用压电材料与路面材料一体化技术发电的路面是一种利用路用压电复合材料直接铺筑而成的压电发电路面。当压电发电装置受到力作用时，在垂直于受力方向或平行于受力方向会产生电荷。基于这两种不同的产生电能的方式，目前有两种常见的路面能量采集方式及能量输出电路［4］。两种常见的发电路面如图2所示。

1.2.2压电换能元件埋入式压电式能量交换元件嵌入式发电技术是将具有发电能力的压电式能量交换元件嵌入楼层结构中的一种能源生成高速路面形式，并将应力和应力在荷载作用下进行转换能量。相比于采用一体化发电技术，TEM具有产能高、控制能力强等优点。在得克萨斯大学，几个棱镜PZT被串联起来形成了一个压电装置。在10Hz模拟驱动负载下，FOI器件的输出能量为3.5MW。

1.2.3基于集成式压电装置的路面发电技术当前国内外的埋入式压电发电电路存在着发电路面体系尚未建立，换能材料与路面材料研究尚未一体化，缺乏换能元件优选与保护措施设计相关研究，缺乏换能元件结构保护层系统研究，以及发电路面匹配性差、缺乏新型能量收集系统等诸多问题。针对埋入式压电发电路面存在的以上问题提出了基于集成式压电装置的路面发电技术［4］。目前国外已有部分研究成果，但未曾广泛应用。国内起步较晚，目前仅在部分专利中有所涉及，鲜有实质性的研究。

2国内外路面压电振动能量采集技术研究进程

2.1国外路面压电振动能量采集技术研究进程

压电换能技术的出现始于1996年，荷兰的科学家首次利用压电效应收集笔记本“开/合”过程中产生的机械能，并加以利用［6］。以色列研究出一种收集路面振动能量的装置，通过在沥青道路里掺加压电晶体来实现采集汽车和行人产生的压力并产生电能。据计算，长度为1km的发电路面每天可产生100kWh～400kWh的电能［7］。日本音力公司开发一种地嵌板，当行人经过时，地嵌板内的压电晶体就会将机械能转化为电能收集储存，经分析统计该系统每天可以收集10kJ的振动能量。VirginiaTechUniversity的Sodano团队通过测试压电单晶片、压电作动器和压电纤维复合材料对镍金属混合电池的充电能力，发现3者都可以给可充电电池充电，且压电单晶片的充电效率在相同的测验环境下为3者中最高［8］。赵迎宾［9］等将压电聚合物（PVDF）安装在旗面上，采用固定端设计使流体产生涡流，利用水流或洋流发电。

2.2国内路面压电振动能量采集技术研究进程

西安交通大学曹秉刚［10］等提出了一种利用振动能量产生电能，并采用相关控制方法提供给道路灯具的理念。将压电装置铺设于路面内或直接用压电材料作为路面组成部分，利用振动能量产生电能，并作为电力采用一定的控制方法提供给道路灯具和其他路政设施作为工作能源，或者提供给储能装置或电网加以存储和利用。谭忆秋［11］等在以环氧树脂和沥青为基地材料、PZT为主要材料的压电换能器复合材料的分析中，发现环氧基、沥青基的PZT最佳温度为50°，最佳体积分数为100/75。闫世伟［12］等对压电发电装置进行了优化设计，从理论和实验两方面探寻压电材料发电效率的影响因素，设计出一种具有压电发电、控制电路与存储模块的能量转换系统。李旭［13］提出了一种应用压电陶瓷传感器低频的结构振动响应信号和高频声发射信号的多功能监测方法。以钢筋混凝土梁动态弯曲破坏试验为例，分析了压电陶瓷传感器在混凝土构件中的多功能监测。2017年，中科院展出了我国自主研发的压电地板换能装置，采用硅酸盐材料作为压电板，通过压电板内放置的压电换能芯片，进行能量的转换。关新春［14］等制备了一种水泥基压电复合材料，通过预埋压电陶瓷制备的方法来实现对车辆和行人振动能量的转化。

3路面压电能量采集技术的研究展望

3.1开发智能路面系统

路面压电能量采集器常用在公路上。由行车交通时间分布特性可知，同时间段内交通荷载通过的次数、速度均不相同，这就要求压电陶瓷能量采集系统具有一定的调节采集振动能量频率范围的功能，可以通过一种螺旋式调频压电发电装置。智能压电发电路面信号转换装置和PLC控制系统如图3所示。其信号转换装置和PLC控制系统将信号传递给交通控制灯和改变压电陶瓷接受环境振动频率的螺旋臂，可实现路面信号灯的自动控制及对于振动能量采集频率的自动化调节，实现自动化智能控制以及能源更高效的采集利用。

3.2行人引起的路面振动能量的采集

目前国内外对于路面压电发电的主要研究进展均是对于通行汽车的公路路面，在行人走动所产生机械能方面的研究是较少的。但事实是，这同样包含着不可忽视的巨大机械能。例如，当一个体重70kg的人行走在路面时，假设能造成路面结构0.1mm的变形量，则每走一步将会转化0.07J的机械能。当把研究对象选择为人流量较大的场所时，例如大型商场，假设商场中每天的人流量有1万人次，商场中铺设有能量收集装置的路面长为100m，按照人的平均步幅0.5m大致计算，每小时能够产生2000W的能量［15］。目前，像商场、人行道、地铁等频繁人体踏走的路面振动能量还未能加以利用。随着社会对可持续发展的重视，利用压电陶瓷技术将频繁人体踏走路面产生的路面振动能量转化为电能，以供用电负载使用或存储的节能方法成为当下的研究热点。在目前已有的较少研究案例当中，有人提出一种设计，设计当中利用杠杆放大原理将人体缓慢踏走的作用力进行放大以实现对压电叠堆的快速冲击，从而提高发电量［16］。压电发电单元结构示意图如图4所示。

3.3路面材料与压电材料一体化的发电路面技术研究

目前，压电换能技术虽然有着广阔的发展空间，但将压电换能器运用于实际路面时存在一系列的问题，例如储能收益无法弥补换能器造价较高，换能器对原路面结构损坏较大，施工复杂等问题。如果能研发出一种技术将压电材料与路面材料一体化，一体化后的道路压电发电沥青混凝土可以将荷载作用下路面变形所产生的机械能直接转化为电能而不再需要外加换能器。如此一来，上面提到的压电换能器埋置到路面中时所引起的诸多危害便基本解决。被沥青包裹的压电材料可较好地发挥压电性能，且道路所拥有的路用性能不被损坏。

3.4智能化发电路面压电元件保护措施设计

由于对压电换能器发电路面的研究尚不够深入，针对其存在的一些技术缺陷，选择时优先考虑适合用于道路发电的压电元件并对其进行必要的结构优化改进。针对于此，周浩［16］等提出了判断综合性能优劣与否的评价指标并找出了最佳保护结构。他们还进行了典型面层结构组合小尺寸试件电学输出效果的测试评价，在此基础上开发制作出的能量采集实体电路也取得了较大成功。有研究结果显示：当选用直径35mm、厚度0.4mm圆形压电陶瓷片时，发电路面的各项技术要求均得到满足，结构的改进处理使压电元件的使用寿命大大延长；最佳保护措施类型是D型刚性铜片与橡胶垫组合的保护结构；电学输出效果最好的是薄层面罩复合AC-13型发电路面［17］。压电发电路面典型结构组合及适用性如表1所示。

4结语

路面压电振动能量采集技术是一项涉及众多学科领域的综合技术。国内外科学家对于压电材料特性以及发电能力已经有了相当充分的研究，压电材料的应用也得到进一步的发展，提高能源利用效率，完善发展路面振动能量采集技术将成为未来重点方向。

作者：张明哲 刘欢腾 张琦 单位：东北大学冶金学院