压电技术探析及其在道路能量收集中的应用

蔡树生，杨京鸿

压电技术探析及其在道路能量收集中的应用

蔡树生，杨京鸿

（长沙理工大学交通运输工程学院，湖南长沙，410114）

在路面上，压电发电研究已经展现出较高的可靠性和效率。立足于压电材料性能、压电式能量收集等国内外研究现状，对压电换能器结构进行了优选与设计；分析了埋置深度、排列方式与温度对压电效率的影响。分析结果表明：桥式压电换能器最适合于路面能量收集，最优埋置深度为15 mm；高温下的换能器变形不可忽视，应注意养护；压电换能器的最优排列方式为点状矩阵分布，距离道路边缘0.25 m～1.5 m处的间距取4 mm，其余路段间距取14 mm。上述研究、方法与结论有利于道路压电式能量收集技术进一步研究和应用实践。

压电式能量收集系统；压电材料；压电换能器；路面发电；压电效率；优化设计

引言

国内外普遍使用的发电式路面主要有三种：太阳能发电路面、风能发电路面和压电发电路面，其中最为可靠且效率最高的是压电发电[1]。国内发表的研究成果仅是对其进行了宏观经济性和可靠性研究，并未对压电系统整体设计进行完整介绍。目前仅有极少的研究成果在有限的地区得到了验证性应用，本文的研究致力于填补上述空白。

1　压电材料与压电式能量收集概述

1.1压电材料

19世纪80年代，法国居里兄弟发现了压电效应。压电效应来源于介质结构的不对称性，这种不对称性在压力作用下会发生电极化现象[2]。材料表面产生的电荷量与压力大小成正比。由于压电材料能够将机械能转化为动能，因此被广泛应用在军事、机械、电工、信息、航空航天等领域。2000年来，全球压电材料的销售额达到了30亿美元以上，且每年以15%左右的速度增长[3]。

目前应用最广、性能最好的压电材料是钛锆酸铅系（简称PZT），其主要类型分为5种：PZT-2、PZT-4、PZT-5A、PZT-5H、PZT-8。在d33模式、d31模式、d15模式下，PZT-5H的相对介电常数较低，输出功率大，压电效率高。压电电压常数与压电应变常数在d33模式下达到了11 600左右，在其它模式下处于10 000以下。除此之外，PZT还具有较好的刚度和抗疲劳特性。

市场上应用的 PZT大多是经过改性的。较好的改性粒子是Ba2+、Sr2+、Sn2+等。改性PZT比较关键的指标是体积分数。改性剂掺和过多会导致压电性能下降；掺和过少则会导致性能无法达到要求。将掺和体积数取95、90、85、80、75、70、65、60进行实验，发现在95～75的范围内，压电性能差别不大，故取75为PZT最优体积分数。

1.2道路压电式能量收集

在国外，以色列Innowattech公司于2008年宣称研究出基于压电换能装置的道路压电式能量收集系统IPEG（Innowattech Piezo Electric Generator）。据介绍，当单车道交通量超过500辆/h时，每车道每公里可收集到大约250 kW电能[4]。此外，其它国家的相关研究也较多，如麻省理工学院Kymisis等研制出一种发电鞋，用于收集行走产生的电能；乔治理工大学Orr等研制出基于压电效应收集能量的智能电板[5]。

在国内，长安大学王朝辉教授发明了一种沥青混凝土发电路面结构；牛衍亮等提出了四因素学习曲线模型，且得出桥型换能器效率最高的结论[5]；赵鸿铎等着力于研究在沥青路面下铺设压电材料，使原本作为热能消耗的能量转换为电能收集起来，并申报了国家自然科学基金[6]。

2　压电换能器优选与设计

2.1换能器优选

目前国际上常用于道路能量收集的压电换能器结构主要包括：多层式、拱式、钹式、桥式、纤维板式等[7]。拱式和纤维板式刚度较低，经上百万次标准轴载碾压后容易受到破坏；多层式刚度太大，压电转换效率太低；钹式和桥式相比，桥式输出功率更大，可作为最优选择。

2.2换能器结构

圆弧形压电材料在受到0.5 MPa的压力时会发生断裂，而矩形压电材料可承受0.7 MPa以上的压力作用。磷青铜具有较高刚度与良好的导电性能，是理想的换能器材料。换能器的端帽采用0.3 mm厚度的磷青铜，压电材料采用矩形PZT-5H，尺寸为30 mm×50 mm×2 mm。在尺寸为40 mm×60 mm×0.2 mm的磷青铜基板上下两端涂抹铜粉导电胶与强力胶的结合物，并粘结桥式磷青铜端帽。结构如图1所示。

图1　桥型换能器结构

2.3换能器指标分析

采用有限元方法进行分析，结果表明：换能器应力集中区域为压电换能器与金属端帽粘结部分的最内侧。换能器能够承受最大水平拉应力30 MPa，最大剪应力为14 MPa，能够适应我国最大超载情况引起的路面压力。

根据有限元结果分析，在压力大小为0.7 MPa的荷载作用下，最大压电值为240 V，一次应力作用产生的电能为1.2 mW。

3　压电效率优化

对于埋设在路面结构下的压电换能器，影响其压电效率的因素包括：埋置深度、排列方式、沥青混合料公称粒径、车速、温度等。本文主要分析埋置深度，排列方式与温度对压电效率的影响，旨在获得最佳压电效率。

3.1埋置深度

车轮荷载对路面结构产生的应力大小与路面深度之间存在非线性关系，且随着路面深度增加，所受应力减小。而压电材料的发电效率与所受应力大小呈正比。取埋置深度为0 mm～35 mm，每隔5 mm制作一试件。在同一荷载作用下研究压电性能，数据结果如表1和图2所示，表明埋置深度为0 mm时最容易被破坏，5 mm、10 mm、15 mm时压电性能差别不大，其中5 mm和10 mm试件出现了裂纹。20 mm以上埋置深度的试件不容易被破坏，但是效能不如前者。考虑到一般沥青路面的磨耗层为10 mm，优选埋置深度为15 mm。

3.2温度

沥青混凝土是一种温度敏感型材料，在高温下会出现粘性和蠕变现象。粘性会导致应力消散，使压电效率下降；蠕变现象会导致换能器发生弹性变形。另一方面，PZT的性能也受温度影响。

表1　埋置深度实验数据结果

图2　埋置深度对压电性能的影响

采取埋置深度不变，温度变化的研究方法，研究换能器的压电性能，如表2和图3所示。当气温为25℃～30℃时，沥青表面温度达到40℃～50℃，压电换能器表现出良好的压电性能，产生的电压处于218 V～206 V之间。当气温低于20℃时，电压下降大约10 V左右，但弹性变形不明显。研究50℃气温时，室温无法满足，故将试件放入内部温度为55℃的烘箱中，加热至50℃以上后放回室内，用温度仪检测其表面温度，待其冷却至50℃时开始加压。结果表明，换能器压电性能下降明显，产生的电压为152 V。同时试件发生蠕变，有明显的加压痕迹。因此高温下的换能器变形不可忽视，建议在白天进行养护，在车流量较小时洒水降温。

表2　温度实验数据结果

图3　温度对压电性能的影响

3.3排列方式

轮胎作用于行车道上的轨迹是随机分布的，因此关键在于获取换能器最大电能收集量的排列方式优化。在垂直行车道方向采取带状分布会使得造价增高，同时形变过大容易致其损坏，故采取点状矩阵分布较为合适。

根据单向行车道轮迹横向分布频率曲线，车道轨迹呈近似对称分布[8]。不考虑换能器本体影响，根据ANSYS仿真模拟结果，当排列矩阵为2 mm～4 mm，以及8 mm～14 mm时，PZT俘获电能随间距增大而增大，分别从0.15 mJ直线上升到0.23 mJ，以及从0.18 mJ近似直线上升到0.28 mJ，如图4所示。以双向四车道振荡频率为研究对象，在车道边缘0.25 m处为1.4～3.4 Hz，车道中间为2.6 Hz。由于距边缘0.25 m～1.5 m处频率较高，故设置优化间距为4 mm，而其余路段设置优化间距为14 mm。

图4　俘获电能与排列间距的关系

4　结束语

2015年，我国高速公路里程达到12万公里，道路系统蕴含着丰富的机械能，压电材料的特性可以将这部分机械能转化为电能加以利用。

道路压电收集系统最关键的技术在于提高压电换能器的转换效率。目前最为合适的换能器为桥式换能器，其力学性能符合道路系统路面工作环境。换能器最好的材料是PZT-5H，最适宜的形状为圆弧形，均有利于增加最大疲劳应力值。

道路压电能量收集技术为道路清洁能源的利用提供了思路。随着压电技术的发展，道路可再生能源利用指日可待。

[1]张之伟. 车致路面变形能量收集研究[D]. 北京: 北京交通大学, 2014.

[2]靳洪允. 压电材料的结构及其性能研究[J]. 陶瓷科学与艺术, 2005, 39(3): 26-32.

[3]裴先茹, 高海荣. 压电材料的研究和应用现状[J]. 安徽化工, 2010, 36(3): 4-6.

[4]黄如宝, 牛衍亮, 赵鸿铎, 等. 道路压电能量收集技术途径与研究展望[J]. 中国公路学报, 2012, 25(6): 1-8.

[5]赵晓康. 压电发电技术在道路应用中的可行性研究[D]. 西安:长安大学, 2013.

[6]赵鸿铎, 梁颖慧, 凌建明. 基于压电效应的路面能量收集技术[J]. 上海交通大学学报, 2011(s1): 62-66.

[7]陶宇杰, 赵鸿铎. 沥青路面内桥式压电换能器性能分析[J]. 上海公路, 2012(1): 56-60.

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

蔡树生(1994-)，通讯作者，男，湖南益阳人，在读本科生，研究方向：道路工程路面。

E-mail: 1071223629@qq.com

杨京鸿(1995-)，男，湖南娄底人，在读本科生，研究方向：交通运输。

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工业技术创新 URL: http://www.china-iti.com

10.14103/j.issn.2095-8412.2016.05.031