壓電技術探析及其在道路能量收集中的應用

蔡樹生，楊京鴻

壓電技術探析及其在道路能量收集中的應用

蔡樹生，楊京鴻

（長沙理工大學交通運輸工程學院，湖南長沙，410114）

在路面上，壓電發電研究已經展現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內外研究現狀，對壓電換能器結構進行了優選與設計；分析了埋置深度、排列方式與溫度對壓電效率的影響。分析結果表明：橋式壓電換能器最適合于路面能量收集，最優埋置深度為15 mm；高溫下的換能器變形不可忽視，應注意養護；壓電換能器的最優排列方式為點狀矩陣分布，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、方法與結論有利于道路壓電式能量收集技術進一步研究和應用實踐。

壓電式能量收集系統；壓電材料；壓電換能器；路面發電；壓電效率；優化設計

引言

國內外普遍使用的發電式路面主要有三種：太陽能發電路面、風能發電路面和壓電發電路面，其中最為可靠且效率最高的是壓電發電[1]。國內發表的研究成果僅是對其進行了宏觀經濟性和可靠性研究，并未對壓電系統整體設計進行完整介紹。目前僅有極少的研究成果在有限的地區得到了驗證性應用，本文的研究致力于填補上述空白。

1　壓電材料與壓電式能量收集概述

1.1壓電材料

19世紀80年代，法國居里兄弟發現了壓電效應。壓電效應來源于介質結構的不對稱性，這種不對稱性在壓力作用下會發生電極化現象[2]。材料表面產生的電荷量與壓力大小成正比。由于壓電材料能夠將機械能轉化為動能，因此被廣泛應用在軍事、機械、電工、信息、航空航天等領域。2000年來，全球壓電材料的銷售額達到了30億美元以上，且每年以15%左右的速度增長[3]。

目前應用最廣、性能最好的壓電材料是鈦鋯酸鉛系（簡稱PZT），其主要類型分為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的相對介電常數較低，輸出功率大，壓電效率高。壓電電壓常數與壓電應變常數在d33模式下達到了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。

市場上應用的 PZT大多是經過改性的。較好的改性粒子是Ba2+、Sr2+、Sn2+等。改性PZT比較關鍵的指標是體積分數。改性劑摻和過多會導致壓電性能下降；摻和過少則會導致性能無法達到要求。將摻和體積數取95、90、85、80、75、70、65、60進行實驗，發現在95～75的范圍內，壓電性能差別不大，故取75為PZT最優體積分數。

1.2道路壓電式能量收集

在國外，以色列Innowattech公司于2008年宣稱研究出基于壓電換能裝置的道路壓電式能量收集系統IPEG（Innowattech Piezo Electric Generator）。據介紹，當單車道交通量超過500輛/h時，每車道每公里可收集到大約250 kW電能[4]。此外，其它國家的相關研究也較多，如麻省理工學院Kymisis等研制出一種發電鞋，用于收集行走產生的電能；喬治理工大學Orr等研制出基于壓電效應收集能量的智能電板[5]。

在國內，長安大學王朝輝教授發明了一種瀝青混凝土發電路面結構；牛衍亮等提出了四因素學習曲線模型，且得出橋型換能器效率最高的結論[5]；趙鴻鐸等著力于研究在瀝青路面下鋪設壓電材料，使原本作為熱能消耗的能量轉換為電能收集起來，并申報了國家自然科學基金[6]。

2　壓電換能器優選與設計

2.1換能器優選

目前國際上常用于道路能量收集的壓電換能器結構主要包括：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，經上百萬次標準軸載碾壓后容易受到破壞；多層式剛度太大，壓電轉換效率太低；鈸式和橋式相比，橋式輸出功率更大，可作為最優選擇。

2.2換能器結構

圓弧形壓電材料在受到0.5 MPa的壓力時會發生斷裂，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電膠與強力膠的結合物，并粘結橋式磷青銅端帽。結構如圖1所示。

圖1　橋型換能器結構

2.3換能器指標分析

采用有限元方法進行分析，結果表明：換能器應力集中區域為壓電換能器與金屬端帽粘結部分的最內側。換能器能夠承受最大水平拉應力30 MPa，最大剪應力為14 MPa，能夠適應我國最大超載情況引起的路面壓力。

根據有限元結果分析，在壓力大小為0.7 MPa的荷載作用下，最大壓電值為240 V，一次應力作用產生的電能為1.2 mW。

3　壓電效率優化

對于埋設在路面結構下的壓電換能器，影響其壓電效率的因素包括：埋置深度、排列方式、瀝青混合料公稱粒徑、車速、溫度等。本文主要分析埋置深度，排列方式與溫度對壓電效率的影響，旨在獲得最佳壓電效率。

3.1埋置深度

車輪荷載對路面結構產生的應力大小與路面深度之間存在非線性關系，且隨著路面深度增加，所受應力減小。而壓電材料的發電效率與所受應力大小呈正比。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，數據結果如表1和圖2所示，表明埋置深度為0 mm時最容易被破壞，5 mm、10 mm、15 mm時壓電性能差別不大，其中5 mm和10 mm試件出現了裂紋。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，在高溫下會出現粘性和蠕變現象。粘性會導致應力消散，使壓電效率下降；蠕變現象會導致換能器發生彈性變形。另一方面，PZT的性能也受溫度影響。

表1　埋置深度實驗數據結果

圖2　埋置深度對壓電性能的影響

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。當氣溫為25℃～30℃時，瀝青表面溫度達到40℃～50℃，壓電換能器表現出良好的壓電性能，產生的電壓處于218 V～206 V之間。當氣溫低于20℃時，電壓下降大約10 V左右，但彈性變形不明顯。研究50℃氣溫時，室溫無法滿足，故將試件放入內部溫度為55℃的烘箱中，加熱至50℃以上后放回室內，用溫度儀檢測其表面溫度，待其冷卻至50℃時開始加壓。結果表明，換能器壓電性能下降明顯，產生的電壓為152 V。同時試件發生蠕變，有明顯的加壓痕跡。因此高溫下的換能器變形不可忽視，建議在白天進行養護，在車流量較小時灑水降溫。

表2　溫度實驗數據結果

圖3　溫度對壓電性能的影響

3.3排列方式

輪胎作用于行車道上的軌跡是隨機分布的，因此關鍵在于獲取換能器最大電能收集量的排列方式優化。在垂直行車道方向采取帶狀分布會使得造價增高，同時形變過大容易致其損壞，故采取點狀矩陣分布較為合適。

根據單向行車道輪跡橫向分布頻率曲線，車道軌跡呈近似對稱分布[8]。不考慮換能器本體影響，根據ANSYS仿真模擬結果，當排列矩陣為2 mm～4 mm，以及8 mm～14 mm時，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。以雙向四車道振蕩頻率為研究對象，在車道邊緣0.25 m處為1.4～3.4 Hz，車道中間為2.6 Hz。由于距邊緣0.25 m～1.5 m處頻率較高，故設置優化間距為4 mm，而其余路段設置優化間距為14 mm。

圖4　俘獲電能與排列間距的關系

4　結束語

2015年，我國高速公路里程達到12萬公里，道路系統蘊含著豐富的機械能，壓電材料的特性可以將這部分機械能轉化為電能加以利用。

道路壓電收集系統最關鍵的技術在于提高壓電換能器的轉換效率。目前最為合適的換能器為橋式換能器，其力學性能符合道路系統路面工作環境。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力值。

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

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

[2]靳洪允. 壓電材料的結構及其性能研究[J]. 陶瓷科學與藝術, 2005, 39(3): 26-32.

[3]裴先茹, 高海榮. 壓電材料的研究和應用現狀[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途徑與研究展望[J]. 中國公路學報, 2012, 25(6): 1-8.

[5]趙曉康. 壓電發電技術在道路應用中的可行性研究[D]. 西安:長安大學, 2013.

[6]趙鴻鐸, 梁穎慧, 凌建明. 基于壓電效應的路面能量收集技術[J]. 上海交通大學學報, 2011(s1): 62-66.

[7]陶宇杰, 趙鴻鐸. 瀝青路面內橋式壓電換能器性能分析[J]. 上海公路, 2012(1): 56-60.

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

蔡樹生(1994-)，通訊作者，男，湖南益陽人，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工業技術創新 URL: http://www.china-iti.com

10.14103/j.issn.2095-8412.2016.05.031