应用压电陶瓷技术的新型减速带设备的设计说明书

武建国+高航舵+王奕博+胡安玉

摘 要：压电陶瓷受到压力时产生形变，可在其表面产生电压，并且该电压值与所加压力成正比关系。减速带几乎是每条公路都必备的一种设施。将减速带与压电陶瓷相结合，利用车辆经过减速带时产生的压力来使压电陶瓷发电，从而实现将公路上的无用的机械能转化电能储存起来，达到节能减排和可持续发展的目的。

关键词：压电陶瓷；节能减排；减速带

作品内容简介

我们将压电陶瓷技术与减速带相结合，设计出一种新型的节能减速带装置。压电陶瓷具有正压电效应和负压电效应。在机械力的作用下，压电陶瓷发生形变，使带电粒子发生相对位移，从而在晶体表面出现正负束缚的电荷，宏观表现为压电陶瓷的正负极出现电压。减速带是公路上普遍存在的一种交通安全设备。在城镇道路上每天都会有成千上万的车辆在上面碾压通过。我们将这两种材料设备结合起来，利用减速带所承受的壓力和压电陶瓷因受压而产生电能的特性研发出新型的节能减速带。

截止2015年底，我国的汽车保有量已经达到2.79亿辆。这就代表着各个城市的道路上每天都会有成千上万辆车来回穿梭，城市主干道的车流量更是川流不息，而这其中就蕴藏了大量的未被开发的机械能。我们通过利用本设备，将车辆的机械压力应用于压电陶瓷之上，可以将这些机械能转化为电能，实现能量的再利用，从而达到节约能源和可持续发展的目的。并且该设备的原理和制作工艺简单易懂，造价与普通减速带相比相差无几，几乎不会对道路交通，过往车辆或者是周围环境产生任何的影响。另一方面，这样的一个产品的造价与传统的减速带相比，价格相差不高，但是却可以源源不断的将无用的机械能转化为电能，具有较好的社会经济效益。

1 研制背景及意义

目前国际上各个国家都在压电技术方面做研究，并且在压电技术与公路相结合的方面已取得较大进展。我们小组是将压电陶瓷技术与减速带相结合。利用车辆在通过减速带时产生的压力，将机械能转化为电能，从而实现机械能向电能的转化，达到节能减排和可持续发展的目的。

2 研究历程

1.了解压电陶瓷的特性并初选材料

要想正确利用压电陶瓷，应先充分了解它的特性和工作原理。在前三天的时间里，我们小组成员利用网络资源，图书馆资源分头查阅资料了解其原理并将对实验有帮助的资料上传到讨论组里供大家参考，为以后更好地进行模型制作和试验奠定了良好的基础。并且根据所查资料并结合项目本身的实际情况，初步选定了4种压电陶瓷材料。

2、设计电路

电路的设计决定了产生电能的效果，并联和串联两大基础电路各有利弊。在之前的对于压电陶瓷材料的学习过程之中我们已经知道压电陶瓷材料的电阻很大，不适宜采用串联电路，而并联电路能使电阻减小，产生的电流比较可观。最终，我们决定选择并联电路，其次，通过查阅论文和文献等资料并结合减速带的结构绘制了电路图。

3、通过对比试验，最终选定材料。

我们先将每一种初步选择的压电陶瓷与万能电流表相连，通过施加压力检测其产生电压的能力。经过大家的多次试验和数据记录，因为其形状尺寸适中，受压时能够产生较大的电压，价格适中，比较符合我们试验的要求，最终我们决定选取矩形压电陶瓷片进行实验。

4、制作实物模型。

根据设计的电路图，结合减速带的形状尺寸，经过测量和计算，完成了实物电路连接。将压电陶瓷线路与减速带结合，为了保护导线并使压电陶瓷充分受力和得到保护，我们将两层PVC板覆盖在整体线路上，裁出线路槽，将线路充分包裹。最后，引出多余的导线连接在蓄电池上，再将蓄电池安放在减速带旁。

3 实验步骤及内容

1、不同车流量下的发电实验

我们首先选择在学校车流量较大的地方安放减速带，在旁边记录车流量并计时，每一个小时记录一次蓄电池的电压值。同时设计一组蓄电池对比实验以减小其他因素产生的实验误差。将一不做任何处理的蓄电池放在相同环境下，与实验蓄电池同时记录电压值，并在试验后将数据进行对比，差值即为产生的电能。

2、不同压力下产生电压实验

通过减速带的压力主要有人、非机动车和机动车产生的压力。我们对相关车辆记重并进行实验，每种压力进行多次试验，记录数据并绘制关系曲线。（数据和曲线图见附件）

3、等压下受压次数与电压的关系

利用几组不同压力，对减速带分别进行相同次数的次等压力施压，每次施压结束后记录蓄电池电压值。记录数据并进行比较分析绘制出关系曲线。

4 工作原理及性能分析

工作原理：压电材料具有正压电效应和负压电效应。在机械力的作用下，压电材料发生形变，使带电粒子发生相对位移，从而在晶体表面出现正负束缚的电荷，宏观上表现为压电陶瓷的正负极出现电压。因压电陶瓷片本身电阻较大，所以我们将压电陶瓷片并联起来，形成一个线路，然后将该线路与蓄电池相连接，再将整套装置放置于减速带底部。为了防止摩擦阻力过大损坏压电陶瓷片以及电线等，特此在装置上覆盖一层PVC板，避免压电陶瓷和电线与地面的直接接触。当人或车辆在通过减速带时，产生的压力使压电陶瓷发生形变，两极出现电压，然后接到蓄电池两极将该电能 收集储存。通过这一装置实现机械能向电能的转化。

性能分析：我们在人，电动车，普通小汽车等不同情况下，得到了压力与平均电压的关系图。

经分析可得，压电陶瓷的电压与其所受的压力成正比关系。以1.5吨的普通汽车为例，在80mm*65mm的受压面内经76次试验，平均单次受压可产生21.54V电压。压电转化效率最高可达44.21%.（见图6）

5 创新点及应用

该项目通过将新型压电技术与减速带相结合，使公路上损失的无用机械能转化为电能，实现能量的再利用。减速带几乎存在于每条公路上，蕴藏着巨大的机械能。因此该装置具有很大的开发价值和市场价值。并且通过这种方式，几乎不会对道路交通产生影响。另一方面，这样的一个产品的造价与传统的减速带相比，价格相差不高，但是却可以源源不断的将浪费掉的机械能转化为电能，完全符合创新性和节能减排的要求。

6 遇到的技术难点和克服方法

1、知识储备方面。小组成员在之前从未学习过有关压电陶瓷材料有关方面的知识。因此特意恳请相关专业的老师为我们做专业性的指导，并且在课余时间，小组成员积极的查阅有关资料，学习关于压电陶瓷和电路等方面的知识。

2、选材方面。压电陶瓷材料有许多种类，并且每種类别的材料都有其自身的优点和缺点。为了选择出更符合本设备所要求的陶瓷材料，我们设计了压力与电压的对比试验，以相同压力作用情况下，产生电压最大的为优选方向，在已满足上述前提条件下，尺寸合适，价格便宜为优选方向选择材料。最终确定矩形压电陶瓷材料为模型制作所用材料。

3、实物模型的制作。模型制作过程中我们遇到的技术难点有以下几方面：①整个压电陶瓷线路与减速带的结合方式及其各结合方式对压电转化的影响。②电路连接方式③减速带被利用频率最高的区域如何确定。这些问题通过我们不断的试验，从实验数据分析对比，最终决定以并联方式，将整个线路铺设在减速带下方，同时，为了减少因缺乏某些专业工具而制作出脆弱电路的可能性，降低压电线路的磨损，我们将整个线路和压电陶瓷片嵌在PVC板上再进行铺设。通过观察实际生活中的减速带及其车辆的过往情况，确定了减速带上的高频使用区域。

7 经济性分析

普通减速带造价29元/米，新型节能减速带造价155元/米。以城市内道路为例，假设一条公路每天车流量为10000次，则可蓄电3度，以每度电0.56元计算，则一天一条公路可省电1.68元，一年可节省电费613.2元。假设普通减速带寿命为3年来计，节能减速带寿命为2年来计，则6年内，新型节能减速带可累计节省3270元。

参考文献

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