應(yīng)用壓電陶瓷技術(shù)的新型減速帶設(shè)備的設(shè)計(jì)說明書

武建國+高航舵+王奕博+胡安玉

摘 要：壓電陶瓷受到壓力時產(chǎn)生形變，可在其表面產(chǎn)生電壓，并且該電壓值與所加壓力成正比關(guān)系。減速帶幾乎是每條公路都必備的一種設(shè)施。將減速帶與壓電陶瓷相結(jié)合，利用車輛經(jīng)過減速帶時產(chǎn)生的壓力來使壓電陶瓷發(fā)電，從而實(shí)現(xiàn)將公路上的無用的機(jī)械能轉(zhuǎn)化電能儲存起來，達(dá)到節(jié)能減排和可持續(xù)發(fā)展的目的。

關(guān)鍵詞：壓電陶瓷；節(jié)能減排；減速帶

作品內(nèi)容簡介

我們將壓電陶瓷技術(shù)與減速帶相結(jié)合，設(shè)計(jì)出一種新型的節(jié)能減速帶裝置。壓電陶瓷具有正壓電效應(yīng)和負(fù)壓電效應(yīng)。在機(jī)械力的作用下，壓電陶瓷發(fā)生形變，使帶電粒子發(fā)生相對位移，從而在晶體表面出現(xiàn)正負(fù)束縛的電荷，宏觀表現(xiàn)為壓電陶瓷的正負(fù)極出現(xiàn)電壓。減速帶是公路上普遍存在的一種交通安全設(shè)備。在城鎮(zhèn)道路上每天都會有成千上萬的車輛在上面碾壓通過。我們將這兩種材料設(shè)備結(jié)合起來，利用減速帶所承受的壓力和壓電陶瓷因受壓而產(chǎn)生電能的特性研發(fā)出新型的節(jié)能減速帶。

截止2015年底，我國的汽車保有量已經(jīng)達(dá)到2.79億輛。這就代表著各個城市的道路上每天都會有成千上萬輛車來回穿梭，城市主干道的車流量更是川流不息，而這其中就蘊(yùn)藏了大量的未被開發(fā)的機(jī)械能。我們通過利用本設(shè)備，將車輛的機(jī)械壓力應(yīng)用于壓電陶瓷之上，可以將這些機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電能，實(shí)現(xiàn)能量的再利用，從而達(dá)到節(jié)約能源和可持續(xù)發(fā)展的目的。并且該設(shè)備的原理和制作工藝簡單易懂，造價與普通減速帶相比相差無幾，幾乎不會對道路交通，過往車輛或者是周圍環(huán)境產(chǎn)生任何的影響。另一方面，這樣的一個產(chǎn)品的造價與傳統(tǒng)的減速帶相比，價格相差不高，但是卻可以源源不斷的將無用的機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電能，具有較好的社會經(jīng)濟(jì)效益。

1 研制背景及意義

目前國際上各個國家都在壓電技術(shù)方面做研究，并且在壓電技術(shù)與公路相結(jié)合的方面已取得較大進(jìn)展。我們小組是將壓電陶瓷技術(shù)與減速帶相結(jié)合。利用車輛在通過減速帶時產(chǎn)生的壓力，將機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電能，從而實(shí)現(xiàn)機(jī)械能向電能的轉(zhuǎn)化，達(dá)到節(jié)能減排和可持續(xù)發(fā)展的目的。

2 研究歷程

1.了解壓電陶瓷的特性并初選材料

要想正確利用壓電陶瓷，應(yīng)先充分了解它的特性和工作原理。在前三天的時間里，我們小組成員利用網(wǎng)絡(luò)資源，圖書館資源分頭查閱資料了解其原理并將對實(shí)驗(yàn)有幫助的資料上傳到討論組里供大家參考，為以后更好地進(jìn)行模型制作和試驗(yàn)奠定了良好的基礎(chǔ)。并且根據(jù)所查資料并結(jié)合項(xiàng)目本身的實(shí)際情況，初步選定了4種壓電陶瓷材料。

2、設(shè)計(jì)電路

電路的設(shè)計(jì)決定了產(chǎn)生電能的效果，并聯(lián)和串聯(lián)兩大基礎(chǔ)電路各有利弊。在之前的對于壓電陶瓷材料的學(xué)習(xí)過程之中我們已經(jīng)知道壓電陶瓷材料的電阻很大，不適宜采用串聯(lián)電路，而并聯(lián)電路能使電阻減小，產(chǎn)生的電流比較可觀。最終，我們決定選擇并聯(lián)電路，其次，通過查閱論文和文獻(xiàn)等資料并結(jié)合減速帶的結(jié)構(gòu)繪制了電路圖。

3、通過對比試驗(yàn)，最終選定材料。

我們先將每一種初步選擇的壓電陶瓷與萬能電流表相連，通過施加壓力檢測其產(chǎn)生電壓的能力。經(jīng)過大家的多次試驗(yàn)和數(shù)據(jù)記錄，因?yàn)槠湫螤畛叽邕m中，受壓時能夠產(chǎn)生較大的電壓，價格適中，比較符合我們試驗(yàn)的要求，最終我們決定選取矩形壓電陶瓷片進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。

4、制作實(shí)物模型。

根據(jù)設(shè)計(jì)的電路圖，結(jié)合減速帶的形狀尺寸，經(jīng)過測量和計(jì)算，完成了實(shí)物電路連接。將壓電陶瓷線路與減速帶結(jié)合，為了保護(hù)導(dǎo)線并使壓電陶瓷充分受力和得到保護(hù)，我們將兩層PVC板覆蓋在整體線路上，裁出線路槽，將線路充分包裹。最后，引出多余的導(dǎo)線連接在蓄電池上，再將蓄電池安放在減速帶旁。

3 實(shí)驗(yàn)步驟及內(nèi)容

1、不同車流量下的發(fā)電實(shí)驗(yàn)

我們首先選擇在學(xué)校車流量較大的地方安放減速帶，在旁邊記錄車流量并計(jì)時，每一個小時記錄一次蓄電池的電壓值。同時設(shè)計(jì)一組蓄電池對比實(shí)驗(yàn)以減小其他因素產(chǎn)生的實(shí)驗(yàn)誤差。將一不做任何處理的蓄電池放在相同環(huán)境下，與實(shí)驗(yàn)蓄電池同時記錄電壓值，并在試驗(yàn)后將數(shù)據(jù)進(jìn)行對比，差值即為產(chǎn)生的電能。

2、不同壓力下產(chǎn)生電壓實(shí)驗(yàn)

通過減速帶的壓力主要有人、非機(jī)動車和機(jī)動車產(chǎn)生的壓力。我們對相關(guān)車輛記重并進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，每種壓力進(jìn)行多次試驗(yàn)，記錄數(shù)據(jù)并繪制關(guān)系曲線。（數(shù)據(jù)和曲線圖見附件）

3、等壓下受壓次數(shù)與電壓的關(guān)系

利用幾組不同壓力，對減速帶分別進(jìn)行相同次數(shù)的次等壓力施壓，每次施壓結(jié)束后記錄蓄電池電壓值。記錄數(shù)據(jù)并進(jìn)行比較分析繪制出關(guān)系曲線。

4 工作原理及性能分析

工作原理：壓電材料具有正壓電效應(yīng)和負(fù)壓電效應(yīng)。在機(jī)械力的作用下，壓電材料發(fā)生形變，使帶電粒子發(fā)生相對位移，從而在晶體表面出現(xiàn)正負(fù)束縛的電荷，宏觀上表現(xiàn)為壓電陶瓷的正負(fù)極出現(xiàn)電壓。因壓電陶瓷片本身電阻較大，所以我們將壓電陶瓷片并聯(lián)起來，形成一個線路，然后將該線路與蓄電池相連接，再將整套裝置放置于減速帶底部。為了防止摩擦阻力過大損壞壓電陶瓷片以及電線等，特此在裝置上覆蓋一層PVC板，避免壓電陶瓷和電線與地面的直接接觸。當(dāng)人或車輛在通過減速帶時，產(chǎn)生的壓力使壓電陶瓷發(fā)生形變，兩極出現(xiàn)電壓，然后接到蓄電池兩極將該電能 收集儲存。通過這一裝置實(shí)現(xiàn)機(jī)械能向電能的轉(zhuǎn)化。

性能分析：我們在人，電動車，普通小汽車等不同情況下，得到了壓力與平均電壓的關(guān)系圖。

經(jīng)分析可得，壓電陶瓷的電壓與其所受的壓力成正比關(guān)系。以1.5噸的普通汽車為例，在80mm*65mm的受壓面內(nèi)經(jīng)76次試驗(yàn)，平均單次受壓可產(chǎn)生21.54V電壓。壓電轉(zhuǎn)化效率最高可達(dá)44.21%.（見圖6）

5 創(chuàng)新點(diǎn)及應(yīng)用

該項(xiàng)目通過將新型壓電技術(shù)與減速帶相結(jié)合，使公路上損失的無用機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電能，實(shí)現(xiàn)能量的再利用。減速帶幾乎存在于每條公路上，蘊(yùn)藏著巨大的機(jī)械能。因此該裝置具有很大的開發(fā)價值和市場價值。并且通過這種方式，幾乎不會對道路交通產(chǎn)生影響。另一方面，這樣的一個產(chǎn)品的造價與傳統(tǒng)的減速帶相比，價格相差不高，但是卻可以源源不斷的將浪費(fèi)掉的機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電能，完全符合創(chuàng)新性和節(jié)能減排的要求。

材料表

6 遇到的技術(shù)難點(diǎn)和克服方法

1、知識儲備方面。小組成員在之前從未學(xué)習(xí)過有關(guān)壓電陶瓷材料有關(guān)方面的知識。因此特意懇請相關(guān)專業(yè)的老師為我們做專業(yè)性的指導(dǎo)，并且在課余時間，小組成員積極的查閱有關(guān)資料，學(xué)習(xí)關(guān)于壓電陶瓷和電路等方面的知識。

2、選材方面。壓電陶瓷材料有許多種類，并且每種類別的材料都有其自身的優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)。為了選擇出更符合本設(shè)備所要求的陶瓷材料，我們設(shè)計(jì)了壓力與電壓的對比試驗(yàn)，以相同壓力作用情況下，產(chǎn)生電壓最大的為優(yōu)選方向，在已滿足上述前提條件下，尺寸合適，價格便宜為優(yōu)選方向選擇材料。最終確定矩形壓電陶瓷材料為模型制作所用材料。

3、實(shí)物模型的制作。模型制作過程中我們遇到的技術(shù)難點(diǎn)有以下幾方面：①整個壓電陶瓷線路與減速帶的結(jié)合方式及其各結(jié)合方式對壓電轉(zhuǎn)化的影響。②電路連接方式③減速帶被利用頻率最高的區(qū)域如何確定。這些問題通過我們不斷的試驗(yàn)，從實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析對比，最終決定以并聯(lián)方式，將整個線路鋪設(shè)在減速帶下方，同時，為了減少因缺乏某些專業(yè)工具而制作出脆弱電路的可能性，降低壓電線路的磨損，我們將整個線路和壓電陶瓷片嵌在PVC板上再進(jìn)行鋪設(shè)。通過觀察實(shí)際生活中的減速帶及其車輛的過往情況，確定了減速帶上的高頻使用區(qū)域。

7 經(jīng)濟(jì)性分析

普通減速帶造價29元/米，新型節(jié)能減速帶造價155元/米。以城市內(nèi)道路為例，假設(shè)一條公路每天車流量為10000次，則可蓄電3度，以每度電0.56元計(jì)算，則一天一條公路可省電1.68元，一年可節(jié)省電費(fèi)613.2元。假設(shè)普通減速帶壽命為3年來計(jì)，節(jié)能減速帶壽命為2年來計(jì)，則6年內(nèi)，新型節(jié)能減速帶可累計(jì)節(jié)省3270元。

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