陶瓷壓電式石墨烯除冰系統設計方法研究

楊纖婷，鄔學斌，周 迪，閔天潤

（武漢科技大學城市建設學院，湖北 武漢 430000）

中國地域遼闊，湖泊眾多，據統計，截至2019 年，我國公路橋梁數量已超過80 萬座，高鐵橋梁累積長度超過1 萬公里。然而冬季降雪后，由于高架橋懸空、空氣流通量大導致橋體溫度比地面溫度高，橋面溫差比地面溫差變化大，遇到冷空氣后就會結冰。所以，橋面在雪天氣溫低時要比其他路面更容易結冰。而冬季，即使沒有降雪，因通行的車輛較多，在輪胎的摩擦等作用下，橋面也易產生霜凍現象。流量較大的橋梁遇到冰雪天氣時，極易發生剮蹭和追尾事故。

在實際中，常見的除冰方式有三種，分別是人工除冰、機械除冰以及撒鹽除冰。但這三種方式都存在極大的弊端。人工除冰耗時長、人力消耗大，且響應不及時、效率低，很難快速解決結冰問題；機械除冰也存在局限性，大型的除冰器械難以移動，而小型的機器效率不夠高，同時還需要投入大量的人力物力；撒鹽除冰通常是指使用氯鹽降低雪水凝固點起到除冰作用的方法，這種方法經濟、簡單、高效、快捷，但鹽水對橋梁結構存在極大危害，鹽水透過橋面板縫隙侵入混凝土，氯鹽（離子）濃度升高會加快鋼筋的的腐蝕破壞，促使混凝土的凍融破壞和鹽的結晶破壞，同時促進混凝土中氫氧化鈣的析出，導致混凝土層開裂脫落，鋼筋銹蝕，結構承載力下降，存在極大的安全隱患[1]。同時，以上三種方法都存在難以及時發現結冰地點和位置且響應速度慢的問題。

本設計采用電熱轉化方法，以石墨烯薄膜作為發熱體，利用車輛駛過陶瓷壓電片儲存的電能，達到除冰目的。

1 陶瓷壓電式石墨烯除冰系統設計

1.1 系統整體設計

本設計通過壓電效應產生能量提供給石墨烯層加熱橋面，從而達到橋面除冰的效果。整體效果圖及流程圖如圖1所示，系統主要由三部分組成，即發電模塊、蓄電及自動控制模塊、發熱模塊。

圖1 整體效果圖及流程圖

發電模塊由減速帶以及PZT 壓電陶瓷片組成。當汽車行駛過楔形減速帶后給減速帶一個向下的壓力，通過殼體傳遞給彈簧片，彈簧片向下將壓力傳遞給PZT 陶瓷壓電片，壓電片即產生正向壓電效應，通過正向壓電效應將所產生的電能儲存在蓄電單元中[2]，當溫度傳感器感應到溫度低于結冰溫度時，便會打開蓄電裝置向發電裝置的開關，將電能提供給石墨烯發熱使用。

發熱模塊即石墨烯發熱膜單元由導電接口、聚酯外殼、石墨烯薄膜三部分組成。石墨烯薄膜有高達12MPa 的拉伸強度和良好的柔韌性，以及室溫下20μm 的薄膜超高導電率（6000S/m）。作為一種優良的發熱體，在融雪化冰研究中具有良好的表現和應用前景[3]。當室外溫度低于橋面結冰溫度后自動控制裝置將打開連接在蓄電池以及石墨烯層的開關，電流通過導電接口進入嵌入在聚酯外殼中的石墨烯薄膜，使得石墨烯電阻率大幅增大[4]，從而產生較多熱量。

1.2 設計方法優勢分析

該設計方法將減速帶作為壓電陶瓷片的壓力來源，通過在橋路面上設置減速帶，利用車輛經過減速帶的壓力來獲取壓力，既保證車輛行駛的速度要求，不額外增加車輛行駛障礙，同時也可獲得壓力源；設計采用石墨烯薄膜作為發熱元件，其熱導性能優于常用金屬發熱元件，發熱性能高，拉伸性和柔韌性好，熱疲勞性好，不易被損壞，且發熱元件埋藏在路面層以下，在保持熱導性的基礎上避免了發熱元件受車輛碾壓損壞，很好地保護了發熱膜，延長了使用壽命；設計采用壓電陶瓷片作為發電裝置，不用額外供給能源，實現對車輛行駛過程中能耗的有效收集利用。

1.3 設計可行性分析

1.3.1 陶瓷壓電片發電量計算

本設計方案采用的壓電振子結構單元為：長80mm，寬30mm，厚0.1mm。

相關參數：振源振動加速度為1.3g 時，對應的最大輸出電壓為4.8V，最大負載為30kΩ，最大輸出功率為0.24mW。

1.3.2 石墨烯發熱膜熱電轉換效率

石墨烯作為二維片面結構的發熱材料，其電阻率比銅和銀更低，只有約10-6Ω·cm[5]。其熱電轉換率極高。以尺寸為100*100*1（cm）的石墨烯為例，其電阻為10-6Ω。其中石墨烯單元參數如表1 所示。

表1 石墨烯薄膜單元參數

1.3.3 復合傳導模型及可行性分析

圖2 為復合傳導層一維熱傳導理論模型，考慮路面結構完整性，首層鋪設普通瀝青混凝土AC-13（2）。冰層比熱Cp=2.1KJ/（kg·°C），冰層導熱系數λ=2.22W/（m·℃），冰層對流傳熱系數h=0.02kw/m℃，冰層密度ρ=0.92g/cm3。

圖2 復合傳導層一維熱傳導理論模型

鋪設瀝青傳導層厚度為H2=10cm，由于4 為絕熱層，則可將傳熱過程視為一維向上的傳熱過程。

以南京市為例計算。南京市冬季平均溫度在2～11°C，冬季夜間平均溫度為2℃，則初始溫度t0=-2℃，末端溫度t冬=2℃，取橋面結冰厚度l=30mm。

壓電陶瓷片輸出電壓為4.8V，可得石墨烯發熱功率為

石墨烯發熱密度為2.03×106kW/m2>>68.188kW/m2，故壓電模塊產生的電能足夠供給冰面除冰所需的熱量。

2 結束語

本文針對傳統除冰方法的缺陷提出了一種基于陶瓷壓電式石墨烯的橋面發熱的除冰裝置，該裝置有效利用了汽車行駛中的機械能，未消耗額外的能量驅動裝置，綠色環保，節約能源；壓電裝置和減速帶結合安裝布置，結構緊湊簡單，對路面車輛行駛過程幾乎沒有影響，且易于維修安裝和大力推廣投入應用；壓電裝置設置在減速帶內，不受汽車直接碾壓，磨損量小，可使用壽命長；采用物理加熱方式除冰，相比傳統除冰方式，不會對橋體路面產生損壞；裝置能源來源為汽車行駛過減速帶產生的壓力，不受陽光、溫度、氣候的影響，運行干擾量小，運行情況穩定；溫控傳感器實時檢查橋面溫度，全過程無需人工參與，自動性強；最后通過能量模型對于可行性的計算證明該裝置可行。