基于壓電效應(yīng)的智能發(fā)電路面的應(yīng)用研究

趙迎賓，孫哲雍東北大學(xué)秦皇島分校

基于壓電效應(yīng)的智能發(fā)電路面的應(yīng)用研究

趙迎賓，孫哲雍
東北大學(xué)秦皇島分校

近年來(lái)，全球多個(gè)國(guó)家都開始研究壓電效應(yīng)技術(shù)和其應(yīng)用場(chǎng)景，壓電效應(yīng)在我國(guó)多個(gè)行業(yè)中都有廣泛的應(yīng)用，本文主要介紹了壓電效應(yīng)在路面材料中的應(yīng)用，智能發(fā)電路面的發(fā)電原理、特點(diǎn)、社會(huì)價(jià)值；著重分析了智能發(fā)電路面的應(yīng)用前景，為智能發(fā)電路面在我國(guó)的研究及推廣應(yīng)用提供了支持。

壓電效應(yīng)；發(fā)電路面

一、引言

國(guó)內(nèi)外普遍使用的發(fā)電式路面主要有三種：太陽(yáng)能發(fā)電路面、風(fēng)能發(fā)電路面和壓電發(fā)電路面，其中最為可靠且效率最高的是壓電發(fā)電[1]。隨著我國(guó)工業(yè)化城市的快速建設(shè)，我國(guó)的不可再生能源短缺現(xiàn)象也日益嚴(yán)重。如何尋求新能源逐漸受到我國(guó)各領(lǐng)域?qū)W者的關(guān)注。其中基于壓電效應(yīng)的微能量收集技術(shù)成為新材料能源學(xué)者們的重點(diǎn)研究方向。該種技術(shù)是基于壓電效應(yīng)原理與能量守恒定律，通過(guò)施加外力使得壓電陶瓷材料產(chǎn)生形變，將微弱變化的勢(shì)能轉(zhuǎn)換為電能，從而實(shí)現(xiàn)了能量的相互轉(zhuǎn)換、儲(chǔ)存與輸出。道路作為城市交通系統(tǒng)中的重要設(shè)施，同時(shí)也蘊(yùn)含著豐富的潛在能量。將壓電效應(yīng)運(yùn)用到路面中，通過(guò)一定的制造合成工藝，可以將傳統(tǒng)路面改造為智能發(fā)電路面，這樣不僅保證了傳統(tǒng)路面的基本功能，還可以使得路面具備很好的發(fā)電效益。

二、智能壓電發(fā)電路面簡(jiǎn)介

智能壓電發(fā)電路面是基于壓電陶瓷和瀝青一體化思想[2]，利用路面的車輛、行人等自身的重力作用在壓電發(fā)電路面，通過(guò)壓電效應(yīng)，使得路面產(chǎn)生電能并進(jìn)行儲(chǔ)存、輸出的系統(tǒng)[3]。智能發(fā)電路面的一般使用壽命在25-30年，其特點(diǎn)是在發(fā)電過(guò)程中，無(wú)污染、零碳排放，并且壓電轉(zhuǎn)換效率高，電能整體輸出效益高。

智能發(fā)電路面不僅可以將產(chǎn)生的電能應(yīng)用于交通系統(tǒng)中的耗能設(shè)施，比如紅綠燈、公交站牌、廣告顯示屏等，還可以通過(guò)城市的供電網(wǎng)絡(luò)將電能應(yīng)用于周邊居民用戶。如果在城市中鋪設(shè)足量的智能發(fā)電路面，在車流量、人流量足夠的情況下，可以滿足周邊居民的日常耗電需求，從而大大節(jié)省了城市供電系統(tǒng)的電能使用，在一定程度上也減少了城市的碳排放量，為建設(shè)節(jié)能環(huán)保型城市作出貢獻(xiàn)。

智能發(fā)電路面的價(jià)值不僅在于發(fā)電方面，更在于構(gòu)建智慧城市交通系統(tǒng)。由于壓電效應(yīng)的電能產(chǎn)生與所受的壓力是一種正相關(guān)關(guān)系，而智能發(fā)電路面內(nèi)部的壓電陶瓷材料（多為PZT壓電陶瓷），因此，智能發(fā)電路面可以通過(guò)瞬時(shí)輸出電壓的大小，反向推算出所受壓力的大致范圍。由于路面的卡車、公交車、私家車等重力差別懸殊，從而可以依據(jù)反向推算的壓力數(shù)值得知在某一時(shí)刻通過(guò)路面的是什么類型的車輛。這就獲取了第一手的實(shí)時(shí)交通車流量信息，為智慧交通的構(gòu)建提供了原始大數(shù)據(jù)。如果智能發(fā)電路面的鋪設(shè)可以形成一定規(guī)模，則有望建設(shè)成基于智能壓電發(fā)電路面的智慧城市交通系統(tǒng)。從而解決了我國(guó)交通的效率問題。此外，將由智能發(fā)電路面檢測(cè)到的實(shí)時(shí)交通路況數(shù)據(jù)信息，和紅綠燈系統(tǒng)進(jìn)行有效結(jié)合，通過(guò)數(shù)學(xué)模型分析，使得紅綠燈的秒數(shù)依據(jù)實(shí)時(shí)的路況車流量信息而確定出最佳的秒數(shù)值，則可以大大緩解城市中的交通擁堵問題。使得“互聯(lián)網(wǎng)+智能發(fā)電路面+紅綠燈”的基于車流量的交叉口信號(hào)燈控制系統(tǒng)變成可能，甚至可以成為治理交通擁堵的利器。

三、智能壓電發(fā)電路面的應(yīng)用前景分析

3.1 智能壓電發(fā)電路面應(yīng)用于火車站

在火車站進(jìn)出口，由于高密度的人流量，可以將智能壓電發(fā)電路面鋪設(shè)于檢票口、售票窗口、進(jìn)出站口等，從而收集大量的勢(shì)能，轉(zhuǎn)換為電能，將電能輸出于火車站的LED顯示屏、廣告位等耗能設(shè)備。

3.2 智能壓電發(fā)電路面應(yīng)用于大型商場(chǎng)

我國(guó)很多大型商場(chǎng)每天均會(huì)有很多的人流量，將智能壓電發(fā)電路面運(yùn)用到大型商場(chǎng)的門口，可以依據(jù)密集行走的人自身的重力，使得智能壓電發(fā)電路面產(chǎn)生微弱的形變，從而產(chǎn)生電能。

3.3 智能壓電發(fā)電路面應(yīng)用于大型停車場(chǎng)

如果將智能壓電發(fā)電路面應(yīng)用于大型停車場(chǎng)，由于城市的私家車日益增多，在停車場(chǎng)每天都會(huì)有許多私家車進(jìn)出，在停車場(chǎng)的出口處安放智能壓電發(fā)電路面，則可以以汽車重力為原動(dòng)力，產(chǎn)生穩(wěn)定的電能，供給與停車場(chǎng)的ETC等設(shè)備使用。

3.4 智能壓電發(fā)電路面應(yīng)用于迪廳

在迪廳場(chǎng)所，在人跳舞的過(guò)程中，由于其自身的勢(shì)能會(huì)稍微變大，相比普通人行走在智能壓電發(fā)電路面的過(guò)程中，可以使得發(fā)電效益更高。并且迪廳場(chǎng)所耗電嚴(yán)重，將智能壓電發(fā)電路面應(yīng)用于迪廳場(chǎng)所，可以使得其耗電量明顯降低。

3.5 智能壓電發(fā)電路面和汽車輪胎相結(jié)合

將智能壓電發(fā)電路面發(fā)電技術(shù)和汽車的輪胎進(jìn)行有效結(jié)合，使得汽車的輪胎變?yōu)榭梢砸罁?jù)汽車行駛過(guò)程中進(jìn)行發(fā)電的新型發(fā)電輪胎，就可以為汽車內(nèi)部的供電系統(tǒng)提供一部分電能，實(shí)現(xiàn)了汽車自身微弱變化的重力勢(shì)能轉(zhuǎn)換為電能進(jìn)行收集，并且重新加以利用。

四、結(jié)語(yǔ)

我國(guó)當(dāng)下的智能壓電發(fā)電路面研究仍舊處于起步階段。筆者認(rèn)為，智能壓電發(fā)電路面不僅具備傳統(tǒng)路面的基本功能屬性，還具備了很好的發(fā)電效益以及交通數(shù)據(jù)價(jià)值，雖然在國(guó)內(nèi)的研究處于萌芽階段，但是在未來(lái)的應(yīng)用和在構(gòu)建智能物聯(lián)網(wǎng)交通的環(huán)節(jié)中將會(huì)起到很大的作用。此外，智能壓電發(fā)電路面在未來(lái)將被用于不同需求的場(chǎng)合與環(huán)境，為路面的安全性、舒適性及更高的服務(wù)質(zhì)量做出更顯著的貢獻(xiàn)[4]，筆者相信智能發(fā)電路面一定會(huì)得到人們廣泛的關(guān)注及應(yīng)用。

[1]張之偉.車致路面變形能量收集研究[D].北京：北京交通大學(xué),2014.

[2]李彥偉,陳森,王朝輝,劉志勝,封棟杰.智能發(fā)電路面技術(shù)現(xiàn)狀及發(fā)展[J].材料導(dǎo)報(bào)，2015（07）

[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（S1）

[4]段利利,邢健.淺談壓電材料研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)[J].山東工業(yè)技術(shù)，2015（22）

趙迎賓（1995-），男，河南安陽(yáng)人，東北大學(xué)秦皇島分校，專業(yè)：測(cè)控技術(shù)與儀器專業(yè)；

孫哲雍（1995-），男，山東青島人，東北大學(xué)秦皇島分校，專業(yè)：自動(dòng)化專業(yè)。