一種基于壓電陶瓷的壓電效應(yīng)進(jìn)行道路發(fā)電的系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

王銳 高歐陽(yáng) 楊爽 陸惠 陳海魯 紀(jì)欣

（河南理工大學(xué)物理與電子信息學(xué)院，河南 焦作 454000）

一、研究背景及意義

隨著人類社會(huì)的進(jìn)步，經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，三大不可再生能源不斷枯竭，人們對(duì)能源的需求越來越迫切，研究新的產(chǎn)能方式便成為當(dāng)代社會(huì)面臨的主要問題。目前根據(jù)轉(zhuǎn)換原理的不同，對(duì)環(huán)境中電能的采集的方式主要有電磁式、靜電式和壓電式。電磁感應(yīng)技術(shù)雖已成熟但其所需設(shè)備龐大，結(jié)構(gòu)復(fù)雜；而由靜電原理轉(zhuǎn)換出所需的電壓時(shí)需要一個(gè)獨(dú)立的電源初始化過程；所以利用振動(dòng)產(chǎn)生將機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電能的壓電式發(fā)電成為了新型發(fā)電方式的研究熱點(diǎn)。壓電發(fā)電技術(shù)主要是運(yùn)用壓電材料的耦合性，將引起振動(dòng)的機(jī)械能直接轉(zhuǎn)化為電能，而壓電裝置檢測(cè)到外力的變化，可以激發(fā)出電荷，將這些電荷進(jìn)一步處理并儲(chǔ)存在蓄電設(shè)備中作為外部供電設(shè)備，具有成本低、無電磁干擾、電壓易控等優(yōu)點(diǎn)。

然而我國(guó)真正能利用的壓電技術(shù)的應(yīng)用并不多，主要運(yùn)用在道路中作為感知系統(tǒng)測(cè)出交通流和流速。所以深層次的探究和研發(fā)出適合道路發(fā)電的裝置和電路鋪設(shè)方式，可以有效地利用壓電效應(yīng)進(jìn)行發(fā)電。

二、仿真設(shè)計(jì)

本篇論以一個(gè)壓電發(fā)電實(shí)驗(yàn)裝置來說明道路發(fā)電原理，如圖2為一個(gè)壓電發(fā)電實(shí)驗(yàn)裝置，本裝置包括基板12、壓電陶瓷片11、穩(wěn)固裝置9、輪胎壓力模擬柱10，壓電振子由基板12和一個(gè)粘在其下表面的矩形壓電陶瓷片11PZT-4構(gòu)成，基板12和壓電陶瓷片PZT-4的厚度分別為3cm和0.5mm。

將壓電振子基板12一端作為固定支撐端，另一端自由，在自由端基板露出部分上端施加外力，模擬輪胎行駛過程。將外力傳遞到穩(wěn)固裝置支撐的壓電振子，使壓電振子產(chǎn)生機(jī)械運(yùn)動(dòng)，則壓電振子上的壓電陶瓷在彎曲變形的作用下，將產(chǎn)生電量。通過示波器可觀測(cè)輸出端電壓值。

因壓電陶瓷震蕩產(chǎn)生電能的瞬時(shí)性，為便于收集電能，輸出電流通過整流后接入超級(jí)電容，超級(jí)電容后接穩(wěn)壓電路，穩(wěn)壓電路可將超級(jí)電容電壓轉(zhuǎn)化為穩(wěn)定的電壓。系統(tǒng)外電路包含整流電路，超級(jí)電容電路，穩(wěn)壓電路。

仿真設(shè)計(jì)圖

附圖說明基板12、壓電陶瓷片11、穩(wěn)固裝置9、輪胎壓力模擬柱10，壓電振子由基板12一個(gè)粘在其下表面的矩形壓電陶瓷片11組成

三、設(shè)計(jì)方案

（一）路面設(shè)計(jì)

通過兩種常用路面的對(duì)比，本道路路面采用瀝青混凝土鋪設(shè)瀝青路面具有良好的可塑性，壓力傳導(dǎo)性，更加節(jié)能環(huán)保，且維修方便。根據(jù)瀝青混凝土不同級(jí)配的技術(shù)性能，道路上面層使用瀝青混凝土SMA-13[7]，其骨料本身強(qiáng)度高耐磨，骨料直接搭接不易產(chǎn)生車轍，空隙多瀝青用量大，具有耐磨，抗車轍，可重載，摩擦系數(shù)高，噪音低，路面平整，不易積水等優(yōu)點(diǎn)。壓電層使用SBS改性瀝青砂漿，具有良好的防水性，彈性和韌性。中面層使用瀝青混凝土AC-16[8]，密實(shí)度高，耐久度高，內(nèi)摩擦阻力小，粘合性好，下面層采用瀝青混凝土AC-20，密實(shí)度高，承重能力強(qiáng)，瀝青用量少，造價(jià)低。

（二）道路基層設(shè)計(jì)

道路基層使用水泥穩(wěn)定碎石。初期強(qiáng)度高，并且強(qiáng)度隨齡期而增加很快結(jié)成板體，因而具有較高的強(qiáng)度，抗?jié)B度和抗凍性較好。水穩(wěn)成活后遇雨不泥濘，表面堅(jiān)實(shí)。

墊層采用天然砂礫[9]。砂礫墊層具有排水、防凍以改善基層和土基的工作條件的作用，還可以提高路面結(jié)構(gòu)的水穩(wěn)性和抗凍脹能力，并可擴(kuò)散荷載，以減少土基變形，在土基水穩(wěn)狀況不良時(shí)，用以改善土基的水穩(wěn)狀況。

圖7 道路的橫剖截面圖

附圖說明上面層1、壓電層2、中面層3、下面層4、道路基層5、道路墊層6，、路基7

（三）發(fā)電裝置設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)壓電發(fā)電裝置包括道路上面層、道路中面層和處于兩者之間的壓電復(fù)合層，所述壓電復(fù)合層包括壓電層；所述壓電層由SBS改性瀝青層和嵌裝于SBS改性瀝青層中且間隔設(shè)置的若干個(gè)壓電陶瓷片組成，所述壓電層上或下設(shè)置有導(dǎo)線并與壓電陶瓷片的正極連接作為正極輸出，所述壓電層上或上鋪設(shè)導(dǎo)電金屬粉作為壓電陶瓷片的負(fù)極輸出，壓電復(fù)合層厚度為0.6~1.2cm。。所述道路上面層采用瀝青混凝土SMA系列的瀝青混凝土層，厚度為3~5cm，道路中面層采用瀝青混凝土AC系列的瀝青混凝土層，厚度為4~6cm。

總結(jié)

利用壓電效應(yīng)，解決了大氣污染的問題，且不受天氣因素制約，效率方面更加理想，采用傳統(tǒng)路面鋪設(shè)方式與壓電材料相交錯(cuò)，也解決了新材料耐用性的問題，壓電陶瓷作為壓電效應(yīng)最主要的材料，生產(chǎn)過程幾乎無污染，陶瓷的耐久度大，適合長(zhǎng)時(shí)間使用，大大解決了更換路面帶來的資金浪費(fèi)。而與傳統(tǒng)路面相比較，壓電道路雖然在壓電晶體等材料上多用了資金，但是在為未來生產(chǎn)電力用來運(yùn)營(yíng)上的利潤(rùn)下，長(zhǎng)久經(jīng)濟(jì)利益就凸顯出來。

道路是基礎(chǔ)交通設(shè)施，故此類發(fā)電方式不需要另外建造專門的發(fā)電設(shè)施，壓電發(fā)電道路的建造不僅可以方便交通通行，同時(shí)為道路用電設(shè)施提供了電能，我國(guó)公路建造長(zhǎng)度處于世界領(lǐng)先地位，故推廣此類道路可有效減少污染，節(jié)約能源。