智能壓電發電路面技術的發展與展望

王朝輝，趙建雄 長安大學 公路學院，西安 710064

智能壓電發電路面技術的發展與展望

王朝輝，趙建雄 長安大學 公路學院，西安 710064

導語：

新發明在某種程度上可能會像電燈一樣改變這個世界，當前，一種智能壓電發電路面技術對路面建設領域的貢獻就有可能達到電燈點亮黑夜的“成就”。本期獨家視角將全面梳理當前國內外智能壓電發電路面的研究成果，從壓電發電路面實現的技術途徑、能量采集存儲及應用環境等方面進行全面調查評價，并嘗試指明未來壓電發電路面的研究及發展方向。

傳統一次性能源連續開發利用，不僅會伴隨環境污染、生態破壞問題，而且還將面臨能源短缺、枯竭的困狀，尋求清潔發電技術、優化能源結構是目前全社會正為之努力的方向。

壓電發電路面可通過壓電效應將行車荷載下路面產生的部分機械振動能量轉換為電能[1-2]，因而作為一種新型可再生清潔能源技術而備受國內外的廣泛關注。近年來，伴隨材料學和制造技術的進步，各國學者嘗試采用不同手段將壓電技術應用于道路工程，多種路面壓電發電技術應運而生，但實際能量輸出效果參差不齊，高效率壓電發電路面系統及其功能性拓展等方面的研究還不夠深入，遠未形成一套可推廣應用的壓電發電路面技術。本期讓我們全面梳理一下當前國內外智能壓電發電路面的研究成果，從壓電發電路面的技術實現途徑、能量采集存儲及應用環境等方面進行全面調查評價，并嘗試指出未來壓電發電路面的研究及發展方向，以期為中國壓電發電路面的發展應用提供借鑒與指導。

壓電發電路面技術途徑

路面壓電發電本質上是借助壓電材料的正壓電效應實現行車機械振動能量到電能轉換的過程，按工作模式及技術性能的不同可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路面發電技術和基于集成式壓電裝置的路面發電技術3種。

壓電材料與路面材料一體化技術

基于壓電材料與路面材料一體化的發電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形式，其中路用壓電復合材料是決定一體化發電路面能量輸出的關鍵因素，該復合材料由路面材料和壓電材料復配后經一定材料成型工藝制備而成[3]。

通過一體化技術可直接賦予筑路材料壓電性能，極大方便了后期壓電發電路面的鋪筑應用，但在制備高效率路用壓電復合材料時存在技術難度大、干擾因素多等問題，現階段針對該技術的研究工作還較少。哈爾濱工業大學關新春等采用插排-澆筑法制備了以PZT為壓電相的1-3型水泥基壓電復合材料制品，試驗驗證該制品在錘擊作用下具有了微弱的電信號；哈爾濱工業大學譚憶秋等采用熱壓成型法制備了0-3型PZT/瀝青壓電復合材料，在動態荷載響應下能夠輸出7.2 V的電壓；筆者課題組以Tourmaline、PZT和石墨等材料為基體制備了d31、d33兩種形式的壓電瀝青混凝土，在絕緣處理、壓電材料纖維化、極化處理3種措施的綜合處置下輸出電壓達到了2.4 V[4-7]。由此可見，現階段囿于材料屬性和制備工藝，制備得到的壓電復合材料能量輸出效果欠佳，電壓輸出僅在10 V以下，輸出功率更為微弱，同時還面臨路用性能難以保證的難題。因此，在未來還需融合多學科知識從壓電新材料研發、極化方法與制備工藝優化及路用性能提高等多方面開展重點研究，以提高路用壓電復合材料的綜合應用性能。

壓電換能元件埋入式路面發電技術

壓電換能元件埋入式路面發電技術是將具有發電能力的壓電換能元件埋設于路面結構內部，在車輛荷載作用下發生應力應變進而實現能量轉換的發電路面形式。相比于一體化發電技術它具有能量輸出量級高、可控性強、實施相對簡單等優點，更有可能在未來實現路面壓電發電。

近年來，國內外已對現有壓電換能結構用于路面振動能量采集的效果進行了大量研究，其中堆疊式、薄片式和鈸式壓電換能結構由于力電特性與道路環境比較契合而受到廣泛關注。堆疊式壓電換能元件由多層壓電陶瓷片以電學并聯或串聯方式堆疊而成（圖1），具有最高的換能效率和結構剛度，理論上最適合行車荷載下的高應力工作環境；薄片式壓電換能元件是由單層壓電陶瓷片和金屬基板組成的層狀結構（圖2），換能效率次之，但結構承載力很小，需加設保護措施后才能應用于路面結構中；鈸式壓電換能元件由2片鈸式金屬端帽夾持1層圓形壓電陶瓷片構成（圖3），換能效率相對偏低，結構剛度中等，在一定限度內可滿足路用要求[6-7]。整體分析相關研究的能量輸出效果可知[8-10]，此種技術的電壓輸出較大，可達幾十乃至上百伏，但輸出功率不夠理想，大多局限在2 mW以內。

圖1 堆疊式壓電換能元件

由此可見，壓電換能元件埋入式路面雖已初具能量采集的前景，但其能量輸出仍相對較小，未來研究中需進一步結合道路特性對壓電換能元件結構設計進行匹配優化，以提高其能量輸出效果及與道路結構的耦合度。針對這種情況，筆者課題組優化改進了堆疊式換能元件，并采用標準化的生產工藝制備了不同規格的路用堆疊式換能元件（圖4），初步實現了能量輸出的提升。同時，囿于單個換能元件能量輸出有限，要實現路面壓電發電能量的可觀輸出必須將一定數量的壓電元件按特定陣列鋪設于路面結構中，若采取換能元件逐個埋置的方式，則面臨施工作業復雜、發電性能弱和結構易損壞等問題，故基于換能元件集成的壓電裝置開發將是未來的研究重點。

圖2 薄片式壓電換能元件

圖3 鈸式壓電換能元件

基于集成式壓電裝置的路面發電技術

集成式壓電裝置是針對埋入式壓電發電路面存在的諸多問題進行的改進與發展，目前在國外已有部分研究成果見諸報道，如表1所示[11-20]。報道中，國外相關研究雖然已具有較好的壓電發電效果，但并未見被推廣應用，且未有公開的設計與實施方法。此外，美國德克薩斯大學將多個3層PZT棱柱串聯封裝組成壓電裝置，測得10 Hz模擬行車荷載作用下其能量輸出功率為3.5 mW[21]。由于國內起步較晚，目前鮮有實質性的研究，僅在部分專利中有所涉及。基于對材料一體化技術和埋入式路面發電技術的研究探索，筆者課題組以提高壓電裝置能量輸出效果及與路面結構、交通荷載條件的耦合度為目標，研發并制作了幾種不同規格的壓電裝置（圖5、6），模擬標準軸載下能實現36 mW的電能輸出。

與一體化技術和換能元件埋入式路面發電技術相比，集成式壓電裝置發電技術發電效果顯著，是未來實現路面壓電發電的主流技術。因此，應重點致力于高效率路用壓電發電裝置的研發，同時還應從工作耐久性、維修便捷性及成本等諸多方面考慮，深入開展壓電裝置鋪設方式及長期綜合性能等方面的研究。

圖4 標準化生產的堆疊式壓電換能元件

表1 國外壓電發電路面報道案例

圖5 路面壓電發電裝置1

圖6 路面壓電發電裝置2

壓電發電路面能量采集存儲技術

壓電發電路面輸出的電信號紊亂交變，必須借助相匹配的能量采集電路才能轉化為穩定的直流輸出[20]，進而通過儲能裝置予以累積存儲方可應用。然而，現有關于壓電能量采集電路的研究多是基于無線傳感器節點的能量采集電路設計，主要適用于懸臂梁結構壓電振子連續、均勻正弦交流能量的采集[21-23]，如結構簡單但輸出功率較低的經典能量采集電路、輸出功率穩定但實現復雜的同步電荷提取電路以及僅在最佳負載下可實現最大功率采集的串并聯同步開關電感電路等，尚未開發出能高效匹配于道路壓電微能量特性的能量采集電路。筆者課題組針對上述現有能量采集電路存在的問題，基于最優功率點跟蹤理論，以降低電路本身功耗、提高輸出電壓穩定性以及控制負載輸出功率為出發點，開發出由整流濾波電路、DC-DC變換電路、LC濾波電路和PWM方波開關控制電路組合而成的壓電微能量采集電路，如圖7所示。經試驗驗證，該電路相比經典能量采集電路的輸出效果有了較大提升。從長遠、整體角度看，如何解決能量采集存儲系統的適應性與高效性問題十分重要，因此設計和完善與路面壓電發電特性相匹配的能量采集存儲系統仍是未來重點研究方向。

智能壓電發電路面系統應用環境設計

路面壓電發電作為一種新型可再生清潔能源發電技術，能實現道路蘊藏豐富機械振動能量到電能的綠色轉換，整個過程安全無污染，工作穩定，受環境干擾小，在中國道路交通網絡日趨完善、交通量持續增長的現狀下具有十分廣闊的應用前景。一方面，壓電發電路面可根據不同應用環境機電系統的用電需求直接為道路沿線的交通設施供能，如公路和隧道沿線的照明、監控設施等，同時還可有效解決偏遠地區供電不便的問題，如圖8所示；另一方面，基于壓電發電路面可衍生出一系列智能交通系統，如壓電發光型道路警示導引系統（圖9）、壓電發熱型道面融雪化冰系統（圖10）、壓電供能型充電樁系統及壓電供能型不停車充電系統（圖11）等。由此可見，壓電發電路面對于發展綠色交通、智慧交通具有十分積極的引導作用，而智能壓電發電路面系統的應用也勢必改變傳統道路的建設方式；故在研發智能壓電發電路面系統的同時，還應跟進相關配套技術的研究，以在盡量減少對正常道路建設及其供配電系統鋪設影響的前提下，將壓電發電路面技術更好地融入常規道路交通環境中。

圖7 自主設計的壓電能量采集電路

圖8 壓電供電型道路照明系統

圖9 壓電發光型道路警示導引系統

展望

國內外對路面壓電發電技術的探索研究已證明了壓電發電路面技術可行且前景廣闊，壓電材料與路面材料一體化技術和基于集成式壓電裝置的發電路面技術將是未來實現壓電發電路面技術的主流形式。壓電材料與路面材料一體化技術如若可以突破材料屬性和制備工藝的限制，未來將大有可為；而基于集成式壓電裝置的發電路面技術則有望在現階段取得突破性進展，其研究重點應在于提高壓電裝置能量輸出效果、提升與道路交通環境的耦合度及降低制作成本等方面。與此同時，壓電發電路面能量采集電路研究及儲供能自動智能化管理系統的開發等也需在未來加大力度，為壓電發電路面系統及其衍生智能交通產品的應用提供良好的孵化環境，以期早日實現智能壓電發電路面系統的推廣應用，促進綠色交通、智慧交通的良性發展。

圖10 壓電發熱型道面融雪化冰系統

圖11 壓電供能型不停車充電系統

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