黃　斌，魏　亞，路凱冀,汪林兵

(1.交通運(yùn)輸部公路科學(xué)研究院，北京　100088；2.清華大學(xué)　土木水利學(xué)院，北京　100084；3.北京科技大學(xué)　國(guó)家材料服役安全科學(xué)中心，北京　100083)

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堆棧式壓電換能器在路面振動(dòng)環(huán)境中的輸出效能研究

黃斌1,2，魏亞2，路凱冀1,汪林兵3

(1.交通運(yùn)輸部公路科學(xué)研究院，北京100088；2.清華大學(xué)土木水利學(xué)院，北京100084；3.北京科技大學(xué)國(guó)家材料服役安全科學(xué)中心，北京100083)

為探究堆棧式壓電換能器在路面振動(dòng)環(huán)境中的輸出效能及影響因素，采用試驗(yàn)機(jī)模擬接近路面環(huán)境下的振動(dòng)加載測(cè)試，測(cè)試了堆棧式壓電換能器在不同內(nèi)部連接方式、不同載荷及加載頻率下的輸出情況，并進(jìn)一步測(cè)試了柔性封裝的并聯(lián)堆棧式換能器的輸出損失情況。結(jié)果表明，相同外部載荷下，并聯(lián)連接的換能器輸出電能較串聯(lián)連接的高；在測(cè)試的范圍內(nèi)，外部作用載荷越大、頻率越高，換能器輸出的電能越大；采用有機(jī)硅橡膠作柔性封裝的換能器，電能輸出損失不大；在路面結(jié)構(gòu)中可通過(guò)增加換能器頂部載荷作用面積以增大換能器內(nèi)部應(yīng)力的方法，提高換能器的電能輸出。

道路工程；堆棧式壓電換能器；試驗(yàn)研究；能量收集；路面振動(dòng)

0　引言

隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，我國(guó)的公路建設(shè)方興未艾。截至2014年，我國(guó)僅高速公路總里程就已超過(guò)11萬(wàn)km，這些公路平均每天承受著數(shù)以萬(wàn)次的車輛軸載作用，由這些軸載作用產(chǎn)生的巨大的振動(dòng)能量最終都會(huì)以熱能形式耗散在環(huán)境中。利用壓電材料的壓電效應(yīng)將路面上軸載作用產(chǎn)生的振動(dòng)能量轉(zhuǎn)化為電能并收集存儲(chǔ)，可廣泛應(yīng)用在道路交通照明、交通指示標(biāo)識(shí)、可變交通情報(bào)板、路面?zhèn)鞲衅鞯阮I(lǐng)域[1]，為交通附屬設(shè)施供電，是一種理想的可再生能源收集方法。

壓電換能器是利用壓電陶瓷的壓電效應(yīng)制作而成的能量轉(zhuǎn)換裝置，能夠?qū)崿F(xiàn)機(jī)械能-電能之間的相互轉(zhuǎn)化。壓電換能器在聲學(xué)和微控制領(lǐng)域應(yīng)用廣泛，但作為路面振動(dòng)能量的收集裝置而應(yīng)用在交通領(lǐng)域還處于起步階段。以色列研究人員研制的路面振動(dòng)能量收集裝置[2]IPEG(InnowattechPiezoelectricGenerator)能夠在車流量為600veh/h的路面上收集約500kW/km的電能；趙鴻鐸[3]等研究了鈸式壓電換能器在瀝青路面中的電能輸出，一個(gè)直徑為32mm的鈸式壓電換能器在頻率為20Hz，0.7MPa載荷下能收集到約1.2mW的電能;譚憶秋[4-5]等對(duì)路用壓電換能器的材料及制備進(jìn)行了相關(guān)研究，認(rèn)為可應(yīng)用在瀝青路面的瀝青基及環(huán)氧樹脂基的壓電復(fù)合材料壓電相(PZT)的最佳體積分?jǐn)?shù)為75%。

在諸多壓電換能器[6-9]中，堆棧式結(jié)構(gòu)具有結(jié)構(gòu)緊湊,承載力大，剛度大，變形量小，抗疲勞性能優(yōu)越，對(duì)路面結(jié)構(gòu)影響小的諸多優(yōu)點(diǎn)，最適合鋪設(shè)在路面環(huán)境。堆棧式壓電換能器由多層壓電陶瓷片通過(guò)電路串聯(lián)或并聯(lián)方式連接而成的壓電堆棧，亦稱多層式壓電換能器(Multilayerpiezoelectrictransducer)。堆棧式壓電換能器的多層壓電陶瓷振子通過(guò)內(nèi)部電路連接改變了換能器的電容和內(nèi)部阻抗，進(jìn)而提高了換能器在低頻狀態(tài)下的能量轉(zhuǎn)換效率[10]，使堆棧式壓電換能器的低頻環(huán)境下輸出效率能達(dá)到一般換能器的高頻環(huán)境效果。

目前，堆棧式壓電換能器在路面振動(dòng)能量收集領(lǐng)域應(yīng)用的研究并不多，本文結(jié)合路面交通載荷特征研究了堆棧式壓電換能器在內(nèi)部串聯(lián)連接和并聯(lián)連接情況下，加載頻率和載荷對(duì)電能輸出的影響。提出了提高堆棧式壓電換能器在路面載荷條件下輸出電能的方法，并提供了一種可以在瀝青路面埋設(shè)的堆棧式壓電換能器封裝方法，為堆棧式壓電換能器在道路交通領(lǐng)域的應(yīng)用提供了可行的技術(shù)方案。

1　堆棧式壓電換能器制備

1.1材料選取1.1.1壓電陶瓷片

壓電陶瓷材料具有較大的壓電常數(shù)和機(jī)電耦合系數(shù)，且制作工藝成熟，極化方便，是目前應(yīng)用最廣泛的壓電材料[11-12]。壓電換能器的輸出電能與壓電陶瓷材料的電學(xué)參數(shù)、尺寸形狀、載荷條件等有直接關(guān)系[13-14]，根據(jù)路面結(jié)構(gòu)在車輛軸載作用下的低頻率、低振幅的振動(dòng)特性，本研究設(shè)計(jì)的路用壓電換能器采用轉(zhuǎn)換效率較高的PZT-5H壓電陶瓷材料，由5片尺寸為20mm×20mm×2mm的薄陶瓷片堆疊而成。PZT-5H參數(shù)如表1所示。

表1　PZT-5H壓電陶瓷參數(shù)表Tab.1　Parameters of PZT-5H piezoelectric cement

1.1.2銅箔電極

堆棧式壓電換能器的各壓電陶瓷片間通過(guò)銅箔電極和導(dǎo)線連接。銅箔電極的導(dǎo)電性能良好，常溫下電阻率僅為0.018(Ω·mm2)/m,可加工性好，厚度薄，是理想的導(dǎo)電材料。在堆棧式壓電換能器結(jié)構(gòu)中，不同壓電陶瓷片之間相互堆疊，構(gòu)成堆棧結(jié)構(gòu)。銅電極與壓電陶瓷片之間通過(guò)導(dǎo)電銀漆膠黏結(jié)。

1.2結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

本文分別設(shè)計(jì)了串聯(lián)和并聯(lián)兩種不同內(nèi)部連接方式的壓電換能器，如圖1所示，圖中箭頭表示陶瓷片的極化方向。在理論載荷F作用下，以換能器中單片壓電陶瓷片電容為C，輸出電壓為U，則串聯(lián)結(jié)構(gòu)(series,文中用s表示)和并聯(lián)結(jié)構(gòu)(parallel，文中用p表示)的理論電壓和電容分別為：

圖1　堆棧式壓電換能器結(jié)構(gòu)Fig.1　Structures of piezoelectric stacks transducer

1.3封裝設(shè)計(jì)

壓電換能器的埋設(shè)和工作環(huán)境極其惡劣，埋設(shè)時(shí)瀝青拌和料的高溫會(huì)對(duì)換能器內(nèi)部陶瓷片之間的黏結(jié)材料產(chǎn)生永久破壞，工作時(shí)瀝青混凝土內(nèi)部的不規(guī)則骨料對(duì)換能器的擠壓、搓動(dòng)亦會(huì)破壞換能器的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，加之換能器內(nèi)壓電陶瓷片屬于脆性材料，在受到不均勻載荷下易發(fā)生脆裂。故換能器應(yīng)避免與瀝青混合料直接接觸，換能器外部的封裝十分必要。本文采用電路封裝領(lǐng)域常見的硫化有機(jī)硅橡膠作為封裝材料，該材料能夠承受260 ℃以上高溫，有良好的絕緣、密封作用，且力學(xué)性能優(yōu)越。本文采用該材料在換能器外側(cè)制作厚度約為5mm厚的封裝保護(hù)層。此外為提高換能器的受力均勻性，在換能器的上下底面均貼有1mm厚的金屬墊板。在金屬墊板與換能器外側(cè)的銅箔電極之間加入0.5mm厚的絕緣層，如圖2所示。

圖2　未封裝和封裝的堆棧式壓電換能器Fig.2　Unpacked and packed piezoelectric stacks transducer

1.4理論推導(dǎo)

堆棧式壓電換能器的電能輸出可以看作是壓電陶瓷材料在載荷作用下內(nèi)部電荷發(fā)生定向移動(dòng)，部分電荷轉(zhuǎn)移到外部電路的現(xiàn)象，根據(jù)壓電方程[15]得：

(1)

式中，i，j=1,2,6表示載荷方向；m，k=1,2,3表示極化(或電場(chǎng))方向；S為應(yīng)變張量；T為應(yīng)力張量；sE為常電場(chǎng)條件下壓電材料柔度系數(shù)張量；E為外部電場(chǎng)張量；D為電位移張量；d為壓電應(yīng)變常數(shù)張量；εT為常應(yīng)力條件下的介電常數(shù)張量。壓電換能器埋設(shè)在路面內(nèi)，只考慮垂向載荷的作用，忽略水平載荷對(duì)輸出電能的影響，對(duì)于由n片厚度為h，面積為A的壓電陶瓷片構(gòu)成的堆載式壓電換能器，在受到與極化方向一致的垂向載荷F(t)下的受載模型，簡(jiǎn)化后的壓電方程為：

(2)

式中，T3(t)是F(t)引起的內(nèi)部垂向應(yīng)力，在車輛軸載作用下，加載時(shí)E=0，卸載時(shí)D=0。則在載荷方向極化轉(zhuǎn)移的電荷量q3為：

(3)

(4)

(5)

則單片陶瓷片的理論輸出電能Q約為：

(6)

(7)

對(duì)于n片壓電陶瓷片串聯(lián)的堆棧，可以看作是厚度增加的單片壓電陶瓷片的輸出電能，理論輸出電能Qs為：

(8)

即在厚度相同的串聯(lián)堆棧結(jié)構(gòu)和并聯(lián)堆棧結(jié)構(gòu)下，理論輸出電能相同。實(shí)際輸出電能可以根據(jù)加載試驗(yàn)實(shí)測(cè)的電壓數(shù)據(jù)和電容數(shù)據(jù)計(jì)算得到。對(duì)于由n片壓電陶瓷片堆棧的壓電換能器，串聯(lián)結(jié)構(gòu)實(shí)際輸出電壓為并聯(lián)結(jié)構(gòu)實(shí)際輸出電壓的n倍時(shí)，二者實(shí)際輸出電能相同。

輸出功率與作用頻率f有關(guān)，實(shí)際輸出功率為Pn，則：

(9)

2　性能測(cè)試

2.1試驗(yàn)方案

路面環(huán)境中，車輛在標(biāo)準(zhǔn)軸載下，輪胎與路面最大接觸應(yīng)力約為0.7MPa，車速為100km/h時(shí)對(duì)應(yīng)路面的作用頻率約為10Hz[16-17]。PZT類壓電材料的串聯(lián)及并聯(lián)諧振頻率通常在k至M級(jí)別，發(fā)生應(yīng)力退極化的情況通常在50MPa左右，實(shí)際路面環(huán)境中遠(yuǎn)沒有達(dá)到壓電材料諧振及應(yīng)力退極化條件。結(jié)合文中壓電換能器的尺寸，設(shè)計(jì)壓電換能器的加載載荷范圍為300～1 500N，作用頻率為1～20Hz,采用INSTRON8874材料試驗(yàn)機(jī)，它能提供的最大加載載荷為5kN，精度為0.05kN，頻率精度為0.1Hz。對(duì)比測(cè)試串聯(lián)結(jié)構(gòu)、并聯(lián)結(jié)構(gòu)以及封裝后的并聯(lián)結(jié)構(gòu)在同等載荷條件下的輸出情況。

試驗(yàn)過(guò)程中，采用示波器采集輸出穩(wěn)定后的峰-峰值電壓信號(hào)，以所采集的電壓信號(hào)的幅值作為實(shí)際輸出電壓數(shù)據(jù)。依照1.4理論，換能器的輸出電能與開路電壓有直接關(guān)系，可通過(guò)比較輸出電壓來(lái)比較輸出電能。

2.2加載方式

路面載荷為動(dòng)載荷，而路面輪跡帶確定位置的載荷是脈沖載荷，根據(jù)輪胎載荷接觸理論[12]，動(dòng)載荷的幅值與靜載荷平均值接近。為模擬動(dòng)載荷情況，壓電換能器加載載荷采用正(余)弦脈沖載荷加載。在0.7MPa載荷下，載荷為280N；脈沖載荷下，最大載荷應(yīng)該為560N，最小載荷為0。由于加載設(shè)備的最大精度為50N，為便于試驗(yàn)操作采用500N作為加載載荷，而1.4中所述，換能器輸出電能與應(yīng)力成平方關(guān)系，實(shí)際鋪設(shè)時(shí)應(yīng)盡可能增加接觸應(yīng)力，以提高其輸出的電能，故研究中以最小300N，最大1 500N作為研究范圍。結(jié)合路面實(shí)際條件下的振動(dòng)頻率[18]，加載的頻率研究范圍選1～20Hz。全部加載條件如表2所示，具體加卸載過(guò)程中，載荷變化控制在0.3kN/s以內(nèi)，頻率變化控制在2Hz以內(nèi)，確保加載機(jī)的加載載荷和加載頻率不發(fā)生大的跳動(dòng)，以保證試驗(yàn)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。

表2　堆棧式壓電換能器的加載方式Tab.2　Loading conditions for piezoelectric stacks transducer

3　結(jié)果分析

3.1連接方式對(duì)輸出電能的影響

按表2所述的載荷條件加載，針對(duì)串聯(lián)結(jié)構(gòu)和并聯(lián)結(jié)構(gòu)分別采集了不同載荷、不同頻率下的20組電壓數(shù)據(jù)。參照1.3和1.4中的理論，由5片壓電陶瓷片組成的堆棧式壓電換能器，串聯(lián)結(jié)構(gòu)輸出電能Qs與并聯(lián)結(jié)構(gòu)輸出電能Qp理論值相同，而串聯(lián)結(jié)構(gòu)輸出電壓Us是并聯(lián)結(jié)構(gòu)輸出電壓Up的5倍。圖3是以串聯(lián)結(jié)構(gòu)實(shí)際輸出電壓和并聯(lián)結(jié)構(gòu)實(shí)際輸出電壓的5倍為比較對(duì)象得出的輸出電壓-加載頻率關(guān)系圖，此時(shí)輸出電壓可以直觀地表征輸出電能。

圖3　兩種不同連接方式下的輸出電壓與加載頻率關(guān)系Fig.3　Relationships between output voltage and loading frequency in 2 connections

由圖3可以看出，在加載范圍內(nèi)，串聯(lián)結(jié)構(gòu)和并聯(lián)結(jié)構(gòu)的輸出電壓都與載荷有關(guān)，載荷越大輸出電壓越高，且大載荷下串聯(lián)結(jié)構(gòu)輸出電壓隨頻率的線性變化斜率越大。串聯(lián)結(jié)構(gòu)輸出電壓普遍低于并聯(lián)結(jié)構(gòu)輸出電壓的5倍，頻率越低，輸出電壓差距越大，隨著頻率增加，這種差距在逐步縮小，20Hz時(shí)，二者基本接近，即在20Hz時(shí)串聯(lián)結(jié)構(gòu)輸出電能與并聯(lián)結(jié)構(gòu)輸出電能接近。串聯(lián)結(jié)構(gòu)輸出電壓隨頻率增加變化明顯，輸出電壓與加載頻率近似滿足線性關(guān)系，但并聯(lián)結(jié)構(gòu)輸出電壓隨頻率變化不明顯。

對(duì)于串聯(lián)結(jié)構(gòu)實(shí)際輸出電壓與并聯(lián)結(jié)構(gòu)實(shí)際輸出電壓的5倍差距較大的現(xiàn)象，可解釋為串聯(lián)結(jié)構(gòu)的輸出電壓是所有堆棧的壓電陶瓷片的電壓矢量疊加之和，低頻階段各陶瓷片輸出電壓之間的相位差較大，電壓疊加效應(yīng)不明顯；而并聯(lián)結(jié)構(gòu)采集的是所有堆棧陶瓷片中單片輸出電壓的最大值，與輸出電壓的相位無(wú)關(guān)，由于現(xiàn)有試驗(yàn)條件有限，未能測(cè)量到各陶瓷片的輸出電壓信號(hào)的具體相位，不能通過(guò)計(jì)算驗(yàn)證。但上述現(xiàn)象并不影響試驗(yàn)中關(guān)于輸出電能的比較結(jié)論：同等載荷條件下，串聯(lián)結(jié)構(gòu)輸出電能始終比并聯(lián)結(jié)構(gòu)輸出電能小，即并聯(lián)結(jié)構(gòu)更加適合埋設(shè)在路面條件下使用。

3.2加載條件對(duì)輸出電能的影響

圖4　輸出電壓與載荷關(guān)系Fig.4　Relationships between output voltage and load

結(jié)合1.4的理論，輸出電壓與載荷之間應(yīng)滿足線性關(guān)系，圖4(b)中并聯(lián)結(jié)構(gòu)各頻率段輸出電壓隨載荷變化規(guī)律與理論輸出基本重合；串聯(lián)結(jié)構(gòu)輸出電壓隨載荷的變化規(guī)律在20Hz時(shí)與理論輸出基本重合，但低于20Hz時(shí)，輸出與理論輸出相差較大，其原因可能是3.1中所述，低頻階段串聯(lián)結(jié)構(gòu)各陶瓷片輸出電壓相位差較大，電壓疊加效應(yīng)不明顯，隨頻率增加，各陶瓷片輸出的電壓相位差減小，輸出電壓逐漸接近理論值。

由此可得出如圖5(a)和圖5(b)所示的兩種結(jié)構(gòu)的換能器輸出功率與載荷之間的關(guān)系圖。由圖5可以看出，輸出功率與加載載荷及作用頻率均有直接關(guān)系，載荷越大、作用頻率越高則輸出功率越高。根據(jù)輸出功率數(shù)據(jù)顯示，在頻率低于20Hz情況下串聯(lián)堆棧結(jié)構(gòu)輸出功率比并聯(lián)堆棧結(jié)構(gòu)輸出功率小，頻率為10Hz時(shí)，500N載荷條件下串聯(lián)結(jié)構(gòu)輸出功率約為0.051mW,并聯(lián)結(jié)構(gòu)輸出功率約為0.11mW,約為串聯(lián)結(jié)構(gòu)輸出的兩倍。隨著頻率增加，串聯(lián)堆棧結(jié)構(gòu)輸出的功率逐漸接近并聯(lián)堆棧結(jié)構(gòu)，在加載頻率增加至20Hz時(shí)，串聯(lián)堆棧結(jié)構(gòu)和并聯(lián)堆棧結(jié)構(gòu)輸出的功率基本相同，均與理論輸出電能接近，當(dāng)載荷為1 500N時(shí)，實(shí)際輸出功率約為2.07mW,經(jīng)理論計(jì)算的功率約為2.03mW,實(shí)際輸出功率與理論輸出的功率誤差約為3%。

圖5　輸出功率與載荷關(guān)系Fig.5　Relationships between output energy and loading

由上述試驗(yàn)數(shù)據(jù)可知，在不考慮路面結(jié)構(gòu)對(duì)換能器的影響下，埋設(shè)在瀝青表面層下深度為4cm時(shí)(垂向應(yīng)力約0.6MPa，換能器頂部的載荷約500N)，并聯(lián)結(jié)構(gòu)的堆棧式壓電換能器輸出電能約為0.11mW,串聯(lián)結(jié)構(gòu)的換能器輸出電能約為0.051mW。根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果知，提高換能器載荷或加載頻率均可以有效提高輸出電能，但實(shí)際路面環(huán)境下，作用頻率主要與車輛運(yùn)行速度有關(guān)[15]，不易改變，而換能器作用載荷與車輛軸載及載荷作用面積有關(guān)，顯然，改變換能器的載荷作用面積是最容易實(shí)現(xiàn)換能器載荷的增加。經(jīng)計(jì)算，在單個(gè)換能器上部加蓋φ32mm的圓形鋼板作承載面時(shí)，換能器載荷約能提高2倍，輸出電能理論上能提高約3.8倍。當(dāng)加蓋的鋼板面積達(dá)到φ40mm時(shí)，換能器載荷約能提高3倍，輸出電能理論上能提高約8.7倍。但實(shí)際鋪設(shè)時(shí)，由于路面為實(shí)體結(jié)構(gòu)，增加承力板對(duì)增加換能器頂部受載應(yīng)力增加幅度實(shí)際還需后續(xù)試驗(yàn)驗(yàn)證。

3.3外部封裝對(duì)輸出電能的影響

考慮到換能器的埋設(shè)和工作的條件，換能器的外部封裝保護(hù)十分必要，本文在并聯(lián)堆棧結(jié)構(gòu)研究的基礎(chǔ)上進(jìn)一步研究了利用有機(jī)硫化硅橡膠材料做外部封裝保護(hù)層的堆棧式壓電換能器在接近路面載荷條件下的電能輸出。測(cè)試樣品如圖2所示，封裝層厚度約為5mm，采用3.1和3.2中相同的加載方式，將獲得的電壓數(shù)據(jù)與3.1中未封裝結(jié)構(gòu)輸出電壓數(shù)據(jù)比較，如圖6所示。

圖6　封裝與未封裝換能器電壓輸出對(duì)比Fig.6　Comparison of output energy between packed and unpacked transducers

圖7　封裝后輸出電能損失關(guān)系圖Fig.7Relationships of output energy loss of packed transducer

由圖6可以看出，在低載荷下，封裝結(jié)構(gòu)與未封裝結(jié)構(gòu)輸出電壓信號(hào)基本重合；隨載荷增加，封裝結(jié)構(gòu)輸出電壓增加幅度小于未封裝結(jié)構(gòu)，但隨加載頻率增加，封裝結(jié)構(gòu)與未封裝結(jié)構(gòu)輸出電壓差距逐漸縮小。實(shí)際路面的作用頻率約為10Hz，若直接埋在瀝青混凝土表層以下4cm左右，在未增加受載面積情況下，其實(shí)際垂向載荷約為500N，輸出電壓約為23V，實(shí)際輸出電能約為0.106mW。

圖7為圖6中剔除3個(gè)封裝后輸出電能大于未封裝輸出電能的數(shù)據(jù)后，封裝的換能器輸出功率損失率圖，考慮實(shí)際路面條件下的振動(dòng)環(huán)境(約10Hz)，載荷不超過(guò)1 000N時(shí)(垂向應(yīng)力約1.2MPa)，封裝后輸出電壓與未封裝結(jié)構(gòu)比較，輸出電壓損失不大(小于10%)；但載荷繼續(xù)增加至1 500N時(shí)，封裝后輸出電壓損失較大(約22%)。如果在換能器上部增加承載板，將載荷提高至1 000N(應(yīng)力為1.2MPa)，封裝結(jié)構(gòu)輸出電能約為0.42mW，未封裝結(jié)構(gòu)輸出電能約為0.46mW，大約損失8.7%能量，實(shí)際輸出能量較500N載荷(應(yīng)力為0.6MPa)下，輸出能量提高約4倍。故在實(shí)際路面鋪設(shè)時(shí)，封裝對(duì)于上部加設(shè)承力板結(jié)構(gòu)的壓電換能器的電能輸出也不會(huì)有較大的影響。根據(jù)上述試驗(yàn)數(shù)據(jù)，在增設(shè)承力板結(jié)構(gòu)時(shí)，建議將載荷提高至1 000N左右，以獲取更高的電能輸出效率。

4　結(jié)論

本文設(shè)計(jì)、制備了適用于路面結(jié)構(gòu)的堆棧式壓電換能器，通過(guò)試驗(yàn)對(duì)比研究了不同內(nèi)部連接方式、不同加載條件以及外部是否封裝對(duì)換能器的輸出電能影響，并結(jié)合路面載荷狀況，提出適用于路面條件下的堆棧式壓電換能器的埋設(shè)方法。主要結(jié)論如下：

亟需出臺(tái)“低氮排放”的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)。我國(guó)北方地區(qū)燃?xì)忮仩t大面積實(shí)施低氮改造已經(jīng)正式提上日程，但目前對(duì)什么是“低氮改造”還沒有統(tǒng)一的定義。由于“低氮改造”標(biāo)準(zhǔn)將對(duì)地方煤改氣鍋爐的設(shè)備選型、補(bǔ)貼力度等產(chǎn)生深遠(yuǎn)影響，建議國(guó)家盡快修訂鍋爐大氣污染物排放標(biāo)準(zhǔn)，給出“低氮排放”要求的氮氧化物排放濃度；同時(shí)要同步實(shí)施燃煤鍋爐超低排放改造，盡可能使燃煤與燃?xì)獾牡趸锱欧帕刻幱谙嗤健?/p>

(1)堆棧式壓電換能器的內(nèi)部連接對(duì)輸出電能有較大影響，同等載荷條件下，并聯(lián)結(jié)構(gòu)輸出電能均明顯大于串聯(lián)結(jié)構(gòu)。

(2)堆棧式壓電換能器的輸出電能與載荷條件直接相關(guān)。在載荷低于壓電材料的應(yīng)力退極化點(diǎn)、頻率低于換能器的諧振頻率情況下，載荷越大、頻率越高，輸出電能越大。在路面內(nèi)部埋設(shè)時(shí)，可在堆棧式壓電換能器上部鋪設(shè)較大面積的承力板以提高換能器的受載面積，以使換能器承受更大的載荷，進(jìn)而提高換能器的輸出電能。

(3)換能器輸出電能在封裝后有一定損失，但不同載荷條件下的電能損失率并不相同，在接近路面振動(dòng)環(huán)境下，載荷不大于1 000N時(shí)輸出電能損失率(均小于10%)屬于可以接受的范圍?？紤]到載荷增加有利于換能器的電能輸出，建議實(shí)際埋設(shè)時(shí)，應(yīng)限制換能器實(shí)際受載載荷在1 000N左右。

References:

[1]郭智剛, 孫智. 基于壓電阻抗測(cè)試的預(yù)應(yīng)力和預(yù)應(yīng)力損失監(jiān)測(cè)研究[J]. 公路交通科技, 2015, 32(10): 50-56.

GUOZhi-gang,SUNZhi.PrestressandPrestressLossMonitoringofPSCBeamsBasedonPiezoelectricImpedanceTest[J].JournalofHighwayandTransportationResearchandDevelopment,2015,32(10):50-56.

[2]Innowattech.Innowattech’sSolutioninInnowattechPiezoelectricGenerator(IPEGTM) [EB/OL].[2015-10-03].http://www.innowattech.co.il/index.aspx.

[3]趙鴻鐸，梁穎慧，凌建明.基于壓電效應(yīng)的路面能量收集技術(shù)[J].上海交通大學(xué)學(xué)報(bào),2011,45(增1):62-66.

ZHAOHong-duo,LIANGYing-hui,LINGJian-ming.StudyonHarvestingEnergyfromPavementBasedonPiezoelectricEffects[J].JournalofShanghaiJiaotongUniversity, 2011, 45(S1):62-66.

[4]譚憶秋，鐘勇，呂建福,等.路面用PZT/瀝青壓電復(fù)合材料的制備及性能[J].建筑材料學(xué)報(bào)，2013(6)：975-980.

TANYi-qiu,ZHONGYong,LüJian-fu,etal.PreparationandPropertiesofPZT/Asphalt-BasedPiezoelectricCompositesUsedonPavement[J].JournalofBuildingMaterials,2013(6)：975-980.

[5]呂建福，譚憶秋，鐘勇.路面用環(huán)氧基壓電復(fù)合材料的制備及性能[J].低溫建筑技術(shù)，2013,35(8)：11-14.LüJian-fu,TANYi-qiu,ZHONGYong.PreparationandPropertiesofPiezoelectricCompositesUsedinPavement[J].LowTemperatureArchitectureTechnology, 2013, 35 (8):11-14.

[6]YOSHIYASUT.KnownandUnknownPhenomenaofNonlinearBehaviorsinthePowerHarvestingMatandtheTransverseWaveSpeaker[C]//ProceedingsofInternationalSymposiumonNonlinearTheoryandItsApplications.Budapest:[s.n.],2008:7-10.

[7]PLATTSR,FARRITORS,HAIDERH.OnLow-FrequencyElectricPowerGenerationwithPZTCeramics[J].IEEE/ASMETransactionsonMechatronics, 2005, 10(2): 240-252.

[8]JIANGX,LIY,LIJ,etal.PiezoelectricEnergyHarvestingfromTraffic-InducedPavementVibrations[J].JournalofRenewableandSustainableEnergy, 2014, 6(4): 977-986.

[9]HEVERLYDE,WANGKW,SMITHEC.Dual-StackPiezoelectricDevicewithBidirectionalActuationandImprovedPerformance[J].JournalofIntelligentMaterialSystemsandStructures, 2004, 15(7): 565-574.

[10]張?jiān)齐?夾心式壓電換能器及其應(yīng)用[M].北京：科學(xué)出版社，2006.

ZHANGYun-dian.SanwichPiezoelectricTransducerandApplication[M].Beijing:SciencePress,2006.

[11]鐘勇.用于路面機(jī)械能量回收的壓電換能器研究[D].哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學(xué),2013.

ZHONGYong.ResearchonPiezoelectricTransducerforHarvestingMechanicalEnergyfromAsphaltPavement[D].Harbin:HarbinInstituteofTechnology,2013.

[12]RANDERAATJV,SETTERINGTONRE.PiezoelectricCeramics[M].London:MullardLimited, 1974.

[13]欒桂東,張金鐸，王仁乾. 壓電換能器和換能器陣[M].北京：北京大學(xué)出版社，2005.

LUANGui-dong,ZHANGJin-duo,WANGRen-qian.PiezoelectricTransducerandArray[M].Beijing:PekingUniversityPress,2005.

[14]UCHINOK.FerroelectricDevicesandEdition[M].NewYork：CRCPress, 2009.

[15]鄧學(xué)鈞, 黃曉明. 路面設(shè)計(jì)原理與方法[M].北京：人民交通出版社, 2007.

DENGXue-jun,HUANGXiao-ming.PrinciplesandDesignMethodsofPavement[M].Beijing:ChinaCommunicationsPress,2007.

[16]趙曉康. 壓電發(fā)電技術(shù)在道路應(yīng)用中的可行性研究[D].西安：長(zhǎng)安大學(xué), 2013.

ZHAOXiao-kang.FeasibilityStudyonPiezoelectricPowerGenerationTechnologyAppliedinPavement[D].Xi’an:Chang’anUniversity,2013.

[17]蔣樹農(nóng). 壓電俘能器和變壓器的結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)[D].長(zhǎng)沙：中南大學(xué), 2010.

JIANGShu-nong.StructuralOptimizationDesignofPiezoelectricHarvestersandTransformers[D].Changsha:CentralSouthUniversity,2010.

[18]XIONGH,WANGL,DRUTAC,etal.PiezoelectricEnergyHarvestingonPublicRoadways, 14-5292[R].Washington,D.C.:TransportationResearchBoard, 2014.

Study on Output Efficiency of Piezoelectric Stacks Transducer in Road Vibration Environment

HUANG Bin1,2, WEI Ya2, LU Kai-ji1, WANG Lin-bing3

(1.ResearchInstituteofHighway,MinistryofTransport,Beijing100088,China;2.SchoolofCivilEngineering,TsinghuaUniversity,Beijing100084,China;3.NationalCenterforMaterialsServiceSafety,UniversityofScienceandTechnologyBeijing,Beijing100083,China)

Inordertoexploreboththeefficiencyofoutputefficiencyofpiezoelectricstackstransduceranditsinfluencingfactorsinroadvibrationenvironment,thevibrationloadingtestisconductedbytestertosimulatetheenvironmentclosetoroadpavement.Theoutputenergyforthepiezoelectricstackstransducerwithdifferentinnerconnections,differentloadconditionsanddifferentloadingfrequenciesaretestedbytestingmachine.Furthermore,theoutputenergylossofthestackstransducerinparallelwithflexiblepackageistested.Theresultshowsthat(1)theoutputofpiezoelectricstackstransducerinparallelisgreaterthanthatofinseriesunderthesameloadingcondition; (2)thelargerloadandhigherfrequencyproducemoreenergywithinthetestrange; (3)thetransducerwithflexiblepackageusingorganicsiliconrubberhaslittlelossoftheenergyharvesting.Theoutputenergycanbeincreasedbyenlargingthetoploadactionareatoincreasethestressofthepiezoelectricstackstransducer.

roadengineering;piezoelectricstackstransducer;experimentalresearch;energyharvesting;roadvibration

2015-10-05

國(guó)家高技術(shù)研究發(fā)展計(jì)劃(八六三計(jì)劃)項(xiàng)目(2014AA110402)；交通運(yùn)輸部建設(shè)科技項(xiàng)目(2014318791080)

黃斌(1991-)，男，江西九江人，碩士研究生. (1121176459@qq.com)

U414

A

1002-0268(2016)08-0037-07

doi:10.3969/j.issn.1002-0268.2016.08.007