趙迎賓 王佳杰 王涵 劉夢(mèng)瑤 張桐桐

摘 要：以道路工程為背景，對(duì)一體化智能壓電發(fā)電路面的制備與電能輸出進(jìn)行了研究與設(shè)計(jì)。利用軟件對(duì)壓電元件尺寸進(jìn)行優(yōu)化，通過(guò)馬歇爾設(shè)計(jì)方法與體積制備設(shè)計(jì)方法設(shè)計(jì)出的瀝青混合料的體積性能、高溫穩(wěn)定性能、水穩(wěn)定性能均能滿足我國(guó)的瀝青混合料技術(shù)規(guī)范，具有良好的路用性能，并與壓電元件具有良好的相容性。壓電元件的開路峰值電壓隨著壓應(yīng)力的增加而增加，且單片厚度大的元件的開路峰值電壓較高，增加趨勢(shì)更快，施加較低的頻率對(duì)壓電元件的電壓輸出影響極小。智能壓電發(fā)電路面的開路電壓隨著埋鋪深度的增加而減小，隨著壓電元件總厚度、車輪荷載的增加而增加;開路電流隨著壓電元件并聯(lián)數(shù)量的增加而增加。芯片的電能采集效果和效率均優(yōu)于橋式整流電路型單元采集電路。研究結(jié)果表明，智能壓電發(fā)電路面具有良好的路用性能，其存儲(chǔ)的電能雖然輸出功率小，但通過(guò)矩陣式聚集化儲(chǔ)能后可供壓力傳感器、紅綠燈系統(tǒng)、路燈等低功率電子器件使用。

關(guān)鍵詞：壓電發(fā)電;瀝青混凝土;材料組成與制備;能量采集與存儲(chǔ)

1 壓電發(fā)電路面研究現(xiàn)狀

1.1 國(guó)外研究現(xiàn)狀

日、美等發(fā)達(dá)國(guó)家對(duì)于壓電發(fā)電自助供電系統(tǒng)進(jìn)行了多年研究，取得了良好進(jìn)展，尤其日本在應(yīng)用方面更走在世界前列。

2006—2009年，東日本旅客鐵道株式會(huì)社在東京火車站進(jìn)行過(guò)三次發(fā)電地板試驗(yàn)，乘客通過(guò)自動(dòng)檢票口時(shí)可產(chǎn)生使燈泡發(fā)光0.1 s的電力。2010年上海世博會(huì)，日本館展示了壓電發(fā)電地板，參觀者輕輕幾步就可將電燈點(diǎn)亮。

日本的NEC等公司聯(lián)合開發(fā)了新型發(fā)光道路標(biāo)識(shí)，該標(biāo)識(shí)可以利用汽車駛過(guò)時(shí)所產(chǎn)生的風(fēng)能，并利用壓電元件將風(fēng)能轉(zhuǎn)換為電能，從而點(diǎn)亮發(fā)光二極管。若將其安置在公路隧道內(nèi)，可以有效降低隧道內(nèi)的電能消耗，提高標(biāo)識(shí)清晰度與行駛安全。

Goldfarb等人建立了一個(gè)分析模型，研究了壓電疊堆材料的發(fā)電效率，試驗(yàn)結(jié)果表明，影響壓電材料發(fā)電效率的根本原因是壓電材料產(chǎn)生了大量能量，但多數(shù)能量存儲(chǔ)在本身，并把它返回給了導(dǎo)致產(chǎn)生初始電荷的激勵(lì)源。當(dāng)壓電陶瓷和串眹有外載的電容并聯(lián)時(shí)，這種現(xiàn)象極其明顯。此外，研究表明壓電疊堆的發(fā)電效率在外界激勵(lì)頻率為5 Hz時(shí)達(dá)到最大。

UCBerkeley分校的Roundy和Wright分別研究了在壓電轉(zhuǎn)換和靜電轉(zhuǎn)換兩種不同環(huán)境下的能量收集方式，研究表明，壓電發(fā)電比靜電發(fā)電單位體積轉(zhuǎn)換的電能多。

VirginiaTech University的Sodano等研究了壓電單晶片、壓電作動(dòng)器和壓電纖維復(fù)合材料，將環(huán)境中所產(chǎn)生的振動(dòng)能量轉(zhuǎn)換為電能，并測(cè)試對(duì)鎳金屬混合電池充電的能力。結(jié)果表明，壓電作動(dòng)器和壓電單晶片均能夠?yàn)榭沙潆婋姵爻潆?，在相同的隨機(jī)振動(dòng)環(huán)境里壓電單晶片的充電效率為三者最高。

Taylor等將壓電聚合物（PVDF）安裝在旗面上，通過(guò)固定端的設(shè)計(jì)，讓迎面而來(lái)的流體產(chǎn)生渦流，使旗子像鰻魚一樣擺動(dòng)，利用水流或洋流發(fā)電。

Bramovic等人在普通路面埋入了大量壓電晶體，當(dāng)汽車碾壓時(shí)，所產(chǎn)生的機(jī)械能就會(huì)被轉(zhuǎn)換為電能。據(jù)中央電視臺(tái)等媒體報(bào)道，該課題組宣稱這種路面能產(chǎn)生100～400 kW/km

電能。這種壓電晶體的使用壽命極長(zhǎng)，理論上可超過(guò)30年，可應(yīng)用在鐵路和公路等交通設(shè)施上。目前，該課題組已經(jīng)進(jìn)行了小規(guī)模室內(nèi)試驗(yàn)及1 km試驗(yàn)段路面試驗(yàn)。

1.2 國(guó)內(nèi)研究現(xiàn)狀

我國(guó)有關(guān)研究機(jī)構(gòu)也在積極開展能量回收研究工作。在上海舉行的全國(guó)科技活動(dòng)周上，中科院上海硅酸鹽所在南京路上向大眾演示了自己開發(fā)的壓電發(fā)電裝置。

西安交通大學(xué)曹秉剛等人介紹了利用振動(dòng)能量產(chǎn)生電能，并采用相關(guān)控制方法提供給道路燈具和其他路政作為工作能源的方法。大連理工大學(xué)魏雙會(huì)等人把發(fā)電裝置植入鞋底，通過(guò)走路時(shí)腳對(duì)鞋底的沖擊使壓電陶瓷變形而產(chǎn)生電荷。吉林大學(xué)閆世偉等人在之前的研究基礎(chǔ)上，從理論和實(shí)驗(yàn)兩方面研究壓電材料發(fā)電效率的影響因素，設(shè)計(jì)了一個(gè)具有壓電發(fā)電、控制電路與存儲(chǔ)模塊的能量轉(zhuǎn)換系統(tǒng)，并對(duì)壓電發(fā)電裝置進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)。此外，他們還嘗試將優(yōu)化設(shè)計(jì)制備的壓電發(fā)電裝置應(yīng)用到RF無(wú)線射頻系統(tǒng)中。大連理工大學(xué)張海軍等人設(shè)計(jì)了一種帶有質(zhì)量塊的硅微壓電懸臂梁，并與金屬?gòu)椥詫訅弘姲l(fā)電裝置進(jìn)行對(duì)比，試驗(yàn)結(jié)果表明，前者在附近的振動(dòng)驅(qū)動(dòng)下輸出電壓約為0.015 V;后者在其固有振動(dòng)頻率100 Hz左右振動(dòng)時(shí)，系統(tǒng)輸出電壓達(dá)10 V以上，對(duì)純電阻耗能元件的輸出功率約達(dá)100 μW。

1.3 團(tuán)隊(duì)研究?jī)?nèi)容與技術(shù)路線

擬將壓電材料植入瀝青混凝土，通過(guò)制備埋入式壓電瀝青混凝土，探討智能壓電發(fā)電路面的力電特性，并進(jìn)一步研究埋入式壓電瀝青混凝土的電能輸出及能量采集，從而使瀝青混凝土不僅僅作為路面材料，而作為多元化、智能化的載體使用，為開發(fā)新型綠色能源提供新思路和基礎(chǔ)。

（1）埋入式壓電元件的制備：采用ANSYS12.0軟件對(duì)壓電元件的尺寸進(jìn)行優(yōu)化，并模擬計(jì)算其最優(yōu)電壓輸出。采用傳統(tǒng)氧化物固相反應(yīng)方法預(yù)合成粉體并極化，制備出具有優(yōu)良?jí)弘娦阅艿膲弘娫?/p>

（2）智能壓電發(fā)電路面的制備：分析壓電發(fā)電路面的性能，提出壓電發(fā)電路面的材料組成設(shè)計(jì)和制備方法。設(shè)計(jì)瀝青混凝土材料的組成，確定粗集料、細(xì)集料、礦粉及瀝青材料相互配合的最佳組成比例，采用LabVIEW8.5進(jìn)行電能輸出仿真分析，最后使之既能滿足瀝青混合料的技術(shù)要求又能滿足壓電材料的埋鋪，并與埋入式壓電元件具有良好的兼容性。

（3）智能壓電發(fā)電路面的力電分析：建立智能壓電發(fā)電路面的力電耦合模型，通過(guò)力電特性加以驗(yàn)證。

（4）智能壓電發(fā)電路面的電學(xué)輸出研究：制備智能壓電發(fā)電路面，然后分別測(cè)試不同埋鋪深度、不同壓電材料總厚度、不同車輪荷載、不同數(shù)量壓電材料并聯(lián)情況下的電能輸出。最后結(jié)合室內(nèi)實(shí)驗(yàn)，分別通過(guò)普通的橋式整流+DC-DC采集電路研究能量采集。

2 智能壓電發(fā)電路面的制備

2.1 壓電發(fā)電路面元件尺寸設(shè)計(jì)

軟件處理過(guò)程主要包括前處理、分析計(jì)算和后處理。前處理包括用戶簡(jiǎn)單繪制有限元模型，并提供強(qiáng)大的網(wǎng)格劃分工具;分析計(jì)算包括結(jié)構(gòu)分析、流體動(dòng)力學(xué)分析、電磁場(chǎng)分析、聲場(chǎng)分析、壓電分析以及多物理場(chǎng)的耦合分析，可模擬多種物理介質(zhì)的相互作用，具有靈敏度分析及優(yōu)化分析能力;后處理是將分析計(jì)算的結(jié)果以云圖和彩色等值線顯示、梯度顯示、矢量顯示、粒子流跡顯示圖方式顯示出來(lái)，也可將計(jì)算結(jié)果以圖表、曲線形式顯示或輸出。

通過(guò)ANSYS12.0軟件對(duì)壓電元件建立直接耦合場(chǎng)的有限元模型并進(jìn)行分析。在ANSYS12.0中有很多單元可以用來(lái)分析壓電元件，例如SOLID5，PLANEI，SOLID98，PLANE223，SOLID226，SOLID227等，本節(jié)選用SOLIDS單元模擬壓電陶瓷元件，選用SOLID45單元模擬環(huán)氧樹脂及銅箔。各材料的基本性能見表1所列。

（1）將壓電元件理入瀝青混凝土中，如果壓電元件的尺寸過(guò)大則對(duì)瀝青混凝土的結(jié)構(gòu)影響較大，因此，將壓電元件的厚度固定為4 mm，外徑固定為18 mm，變化壓電元件的內(nèi)徑分別為0 mm，3 mm，6 mm，10 mm，15 mm。不同內(nèi)徑壓電元件的電壓模擬值如圖1所示。

從圖可以看出，壓電元件的輸出電壓隨著內(nèi)徑的增加而增加，當(dāng)內(nèi)徑為10 mm時(shí)，壓電元件的電壓出現(xiàn)明顯的增加趨勢(shì)?？紤]到壓電元件的強(qiáng)度問(wèn)題，空心圓柱體的內(nèi)外徑比為0.6：1.0時(shí)其強(qiáng)度最合理。所以，將壓電元件的直徑尺寸定為外徑18 mm，內(nèi)徑10 mm。

（2）采用前文確定的壓電元件內(nèi)外徑，變換壓電元件的厚度，分別為2 mm，3 mm，4 mm，5 mm。不同厚度壓電元件的電壓模擬值如圖2所示。

從圖2可以看出，壓電元件的輸出電壓隨著厚度的增加而增加，并具有明顯的線性關(guān)系。壓電材料屬于高電壓、低電流的小功率元件，需要將若干壓電元件并聯(lián)。結(jié)合瀝青混凝土的集料尺寸，將壓電元件的厚度尺寸定為4 mm。

（3）封裝后的單片壓電元件的電壓輸出采用ANSYS模擬，將優(yōu)化好尺寸的壓電元件（外徑18 mm，內(nèi)徑10 mm，厚度4 mm）用銅箔及環(huán)氧樹脂封裝好后施加0.7 MPa的瞬間壓應(yīng)力，封裝的單片壓電元件的電壓輸出為63.146 V。

2.2 壓電發(fā)電路面元件的制備

采用傳統(tǒng)氧化物固相反應(yīng)的方法預(yù)合成PMnS-PZN-PZT粉體，摻雜0.45 wt% Fe2O3，并將其制備成電片并極化，經(jīng)測(cè)試，壓電性能優(yōu)良。

按化學(xué)計(jì)量比稱量各氧化物，將混合粉料在無(wú)水乙醇介質(zhì)中用球磨機(jī)球磨16 h，將濕料在70 ℃下烘干，烘干后加5%的聚乙烯醇（PVA）均勻造粒并密封陳腐16 h，在100 MPa壓力下干壓成型，將成型后的坯體在800 ℃溫度下進(jìn)行排膠，在1 200～1 260 ℃氣氛中燒結(jié)4 h。將陶瓷圓片打磨拋光、清洗、烘干，在兩面涂覆銀漿，于850 ℃溫度下燒滲銀電極。在120 ℃的硅油中加電壓3 kV/mL，極化15 min，在室溫下靜置24 h后測(cè)試其電性能。

埋入式壓電元件的連接方式為物理串聯(lián)，電學(xué)并聯(lián)。將制備好的壓電元件單片浸入到裝有環(huán)氧樹脂的模具中封裝。

2.3 智能壓電發(fā)電路面的制備

（1）壓電材料：選擇具有自發(fā)極化作用的無(wú)機(jī)壓電晶體材料Tourmaline粉、Tourmaline負(fù)離子粉（常見且成本低、壓電特性好）及壓電電荷常數(shù)較高的無(wú)機(jī)壓電陶瓷鋯鈦酸鉛粉用于制作智能發(fā)電路面產(chǎn)品，為方便書寫，分別以A，B和C代指上述3種材料，其中壓電材料A，B是兩種原生礦物，具有壓電、熱電效應(yīng)以及自發(fā)極化效應(yīng)，在應(yīng)力作用下晶體內(nèi)部正負(fù)極性中心不重合從而產(chǎn)生電荷，是較為理想的發(fā)電路面壓電材料。而壓電材料被應(yīng)用于瀝青混凝土?xí)r，將被瀝青包裹以瀝青膠漿的形式存在于混合物中，壓電性能將會(huì)產(chǎn)生一定的變化。采用ZJ-3A型準(zhǔn)靜態(tài)測(cè)試儀進(jìn)行壓電常數(shù)測(cè)試，采用HP4294A精密阻抗分析儀在頻率1 kHz下測(cè)量樣品介電電容和介質(zhì)損耗，測(cè)量溫度范圍為室溫至180 ℃，升溫速率為5 ℃/min，計(jì)算得到樣品介電常數(shù)。壓電材料主要性能指標(biāo)見表2所列。

測(cè)試結(jié)果表明，壓電材料A，B和C在常規(guī)狀態(tài)下壓電性能優(yōu)異，且壓電礦物/瀝青復(fù)合材料相較純礦物材料壓電性能無(wú)明顯降低，證明壓電材料在瀝青中仍可較好地發(fā)揮壓電性能，因此可用于壓電發(fā)電瀝青混凝土的制備。

（2）導(dǎo)電材料：普通瀝青混凝土導(dǎo)電性能較差，不利于壓電材料產(chǎn)生電荷的流動(dòng)，但已有相關(guān)研究表明，在瀝青混合料中摻加一定體積分?jǐn)?shù)的石墨材料可有效提高瀝青混合料的導(dǎo)電性能，且其路用性能能夠滿足規(guī)范要求，因此選定石墨粉體作為導(dǎo)電材料。導(dǎo)電電極是電荷收集的關(guān)鍵一環(huán)，我們根據(jù)道路受力特性選取耐久性較好的結(jié)構(gòu)，考慮到施工便利性，選擇常見的石墨電極和金屬網(wǎng)電極作為電能收集裝置，電極埋設(shè)前通過(guò)導(dǎo)電膠在其表面覆蓋粘結(jié)一定量的導(dǎo)電石墨以提高電極對(duì)電荷的收集能力，基于上述材料進(jìn)行智能發(fā)電路面的制備及能量輸出研究。

（3）瀝青及集料：所用瀝青為SBSI-D型改性瀝青，試驗(yàn)檢測(cè)結(jié)果表明，瀝青各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)均符合《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗(yàn)規(guī)程》（JTGE20—2011）中規(guī)定的質(zhì)量要求;所用粗集料為優(yōu)質(zhì)玄武巖，細(xì)集料為機(jī)制砂，礦粉為優(yōu)質(zhì)石灰?guī)r礦粉，集料與礦粉潔凈、干燥、無(wú)雜質(zhì)。試驗(yàn)檢測(cè)結(jié)果表明，集料與礦粉各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)均符合《公路瀝青路面設(shè)計(jì)

規(guī)范》（JTJD50—2006）和《公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范》（JTGF40—2004）相關(guān)規(guī)定。

2.4 壓電發(fā)電瀝青混凝土配合比設(shè)計(jì)

在進(jìn)行智能發(fā)電路面產(chǎn)品配合比設(shè)計(jì)時(shí)，需綜合考慮高溫性能、低溫性能、水穩(wěn)定性、耐疲勞性能等影響因素采用AC-13級(jí)配類型作為研究基體。依據(jù)我國(guó)《公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范》（JTGF40—2004）規(guī)定，通過(guò)馬歇爾試驗(yàn)確定其最佳瀝青用量為4.9%，但依此最佳瀝青用量拌和加入石墨后，集料表面瀝青量明顯不足。分析原因：石墨密度較小且體積易膨脹，吸油性極強(qiáng)導(dǎo)致混凝土中有效瀝青不足。所以采用馬歇爾試驗(yàn)法重新確定智能發(fā)電路面產(chǎn)品的最佳瀝青用量為5.9%，壓電材料用量為礦粉質(zhì)量比例的20%，而由于石墨材料密度小于礦粉且體積易膨脹，等質(zhì)量摻入時(shí)易改變混合料體積分?jǐn)?shù)，因此確定石墨摻入體積分?jǐn)?shù)為礦粉體積比例的30%。

2.5 智能發(fā)電路面路用性能檢測(cè)

智能發(fā)電路面具備壓電功效的同時(shí)路用性能須滿足規(guī)范要求，因此按照《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗(yàn)規(guī)程》（JTGE20—2011）的要求，檢驗(yàn)壓電發(fā)電瀝青混凝土的各項(xiàng)路用性能，以分析壓電材料、導(dǎo)電材料等對(duì)壓電瀝青混凝土智能發(fā)電路面產(chǎn)品路用性能的影響。3種壓電發(fā)電瀝青混凝土的路用性能與SBS瀝青混凝土相比，高溫穩(wěn)定性、低溫抗裂性和水穩(wěn)性能均有小幅度降低，而抗疲勞性能略有提高，但整體而言，各性能相差不大。因此，本產(chǎn)品具備傳統(tǒng)瀝青路面的基本功能，能夠滿足汽車的正常行駛等需求。

2.6 智能發(fā)電路面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與制作

依據(jù)壓電材料電荷產(chǎn)生特性，壓電發(fā)電路面的電能產(chǎn)生主要包括兩種形式。圖3（a）為d31型發(fā)電路面能量產(chǎn)生示意圖，當(dāng)壓電模型受到力的作用時(shí)，電荷在垂直于受力方向產(chǎn)生并收集;圖3（b）為d33型發(fā)電路面能量產(chǎn)生示意圖，當(dāng)壓電模型受到力的作用時(shí)，電荷在平行于受力方向產(chǎn)生并收集。

在行車荷載作用下，若想有效收集電能則必須根據(jù)電荷的移動(dòng)方向、位置布設(shè)導(dǎo)電電極，基于電能產(chǎn)生原理，結(jié)合石墨電極和金屬電極的工作特點(diǎn)，設(shè)計(jì)出兩種發(fā)電路面電極布置方式及能量輸出電路，如圖4所示。當(dāng)采用石墨電極時(shí)，電極橫向間隔連接，發(fā)電路面即為d31型壓電體構(gòu)件，在行車荷載作用下壓電材料內(nèi)部的電荷向石墨電極方向移動(dòng)，并通過(guò)導(dǎo)線將其集結(jié)到電能收集器中予以轉(zhuǎn)換存儲(chǔ)，如圖4（a）所示。當(dāng)電極采用金屬網(wǎng)時(shí)，電極網(wǎng)上下分層布設(shè)，發(fā)電路面即為d33型壓電構(gòu)件，在行車荷載作用下壓電材料內(nèi)部的電荷向金屬網(wǎng)方向移動(dòng)，通過(guò)導(dǎo)線將其集結(jié)到電能收集器中，如圖4（b）所示。

依據(jù)上述智能發(fā)電路面壓電瀝青混凝土發(fā)電路面結(jié)構(gòu)布設(shè)方案，通過(guò)改進(jìn)普通瀝青混合料車轍板試件成型方法，制備得到試驗(yàn)測(cè)試用小型發(fā)電路面試件，試件制備步驟：根據(jù)電極埋設(shè)深度加工制作厚度尺寸為300 mm×300 mm的剛性墊板，放置于試模內(nèi)，澆注下層普通瀝青混凝土，成型并取出剛性墊板;將下層普通瀝青混凝土放置于試模內(nèi)，參照規(guī)范要求進(jìn)行層間處置，沿輪跡分布帶布設(shè)電極，其中石墨材料電極尺寸為10 mm×50 mm，金屬網(wǎng)為由磷銅絲加工定制編織而成的120目電極網(wǎng)，繼而鋪筑壓電混凝土，制備得到尺寸為300 mm×300 mm×50 mm的小型發(fā)電路面測(cè)試試件，制作過(guò)程中應(yīng)注意電極不被人為因素破壞或大幅挪移位置。

2.7 智能發(fā)電路面瀝青壓電混凝土電性能測(cè)試方法與指標(biāo)

按照《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗(yàn)規(guī)程》（JTGE20—2011）要求的方法分別成型d31，d33型智能發(fā)電路面試件，通過(guò)車轍試驗(yàn)儀膠輪對(duì)其施加0.7 MPa的直接往復(fù)碾壓作用力

（21次/min，15 Hz），采用RIGOL示波器測(cè)試其能量輸出狀況。為更精確地進(jìn)行壓電性能測(cè)試，考慮輸出電壓較為微小，故采用信號(hào)放大裝置對(duì)輸出電壓進(jìn)行放大處理，并通過(guò)示波器記錄測(cè)試結(jié)果。在無(wú)絕緣狀態(tài)下進(jìn)行電性能檢測(cè)時(shí)，示波器檢測(cè)出較高電壓，頻率約為50 Hz，連接的LED燈珠（工作電壓為1.8～

2.2 V）未出現(xiàn)毀壞、點(diǎn)亮等現(xiàn)象。究其原因，試驗(yàn)設(shè)備為大型用電儀器，易受環(huán)境感應(yīng)電場(chǎng)的影響，導(dǎo)致測(cè)試結(jié)果出現(xiàn)偏差。因此，在試件四周底部增設(shè)絕緣耐高溫塑膠隔離層后采用上述解決方案檢測(cè)d33壓電發(fā)電瀝青混凝土的壓電性能，調(diào)節(jié)信號(hào)放大器進(jìn)行10倍放大以觀測(cè)結(jié)果，經(jīng)換算后記錄真實(shí)測(cè)試結(jié)果見表3所列。

從表3中可以看出，絕緣處理發(fā)電路面電壓實(shí)測(cè)數(shù)值較小，表明該處理措施能夠有效隔絕車轍儀周圍感應(yīng)電場(chǎng)的影響，使壓電性能得以真實(shí)表露。發(fā)電路面試件內(nèi)部壓電材料分散，與瀝青以瀝青膠漿的形式存在，在路面結(jié)構(gòu)中起到填充集料孔隙的作用，僅受拉應(yīng)力或很小的壓應(yīng)力作用，相關(guān)激勵(lì)微弱導(dǎo)致產(chǎn)生電荷量較少，同時(shí)石墨粉僅能使部分電子流動(dòng)，加之瀝青混凝土內(nèi)阻較大，因此呈現(xiàn)低電壓現(xiàn)象。另外，壓電輸出頻率為17～20 Hz，與民用交流電工頻出現(xiàn)了較大差距，試驗(yàn)時(shí)已排除各種干擾因素，測(cè)試結(jié)果即為智能發(fā)電路面壓電發(fā)電瀝青混凝土產(chǎn)品的電壓頻率，表明絕緣處理下的壓電發(fā)電瀝青混凝土能夠產(chǎn)生電荷。

2.8 壓電纖維發(fā)電路面瀝青混凝土壓電性能

壓電粉體材料由于所受應(yīng)力、應(yīng)變較小，產(chǎn)生電荷較少。而纖維在瀝青混合料中可形成三維網(wǎng)狀體，在較小的壓應(yīng)力作用下可產(chǎn)生較大的應(yīng)變，故壓電材料以纖維狀態(tài)存在時(shí)，更有利于其壓電性能的發(fā)揮。

壓電纖維是以壓電礦物A為基體，通過(guò)摻加一定提高力學(xué)特性的輔助材料，基于溶膠-凝膠法制備得到連續(xù)、均勻的壓電纖維。以發(fā)電路面壓電瀝青混凝土配合比設(shè)計(jì)及制備方案為基礎(chǔ)，將少量壓電纖維通過(guò)外摻投入方式拌和制備得到壓電纖維發(fā)電路面瀝青混凝土，檢測(cè)混凝土壓電性能結(jié)果見表4所列。

從表5可以看出，加入壓電纖維材料的d33型壓電發(fā)電路面瀝青混凝土在荷載作用下的壓電性能可達(dá)到1.5 V，相比普通壓電材料壓電發(fā)電瀝青混凝土的壓電效果提高約1.4 V，同時(shí)輸出頻率保持在17.2～20.4 Hz，表明該瀝青混凝土具備壓電發(fā)電功能，同時(shí)壓電材料纖維化處置措施能夠一定程度提高輸出效果。

2.9 極化處理壓電發(fā)電路面壓電性能

極化工藝對(duì)壓電材料壓電性能的表征有著重要的影響，合理的極化工藝需采用較優(yōu)的極化條件，即選擇合適的極化電場(chǎng)強(qiáng)（E）、極化溫度（T）和極化時(shí)間（t），三者之間緊密聯(lián)系，若極化電場(chǎng)弱，則可通過(guò)提高溫度和延長(zhǎng)極化時(shí)間來(lái)彌補(bǔ);若電場(chǎng)較強(qiáng)、溫度較高，則可適當(dāng)縮短極化時(shí)間。由于壓電材料A，B，C具有自發(fā)極化效應(yīng)，壓電發(fā)電瀝青混凝土極化與普通壓電材料極化的目的不同，僅需將壓電發(fā)電瀝青混凝土中紊亂的自發(fā)極化方向調(diào)整一致即可，因此所需能量較少，故所選極化電壓為220 V，極化溫度為50 ℃，為提高極化程度，合理延長(zhǎng)極化時(shí)間，設(shè)定為6 h。

加入壓電材料A纖維的壓電發(fā)電瀝青混凝土輸出電壓最高可達(dá)24 V，B和C兩種壓電材料瀝青混凝土試件壓電性能明顯提升，相較之前的處置措施具備3～4倍的提升功效，保持在可采集利用的范圍內(nèi);同時(shí)其輸出頻率保持在16.3～19.7 Hz范圍內(nèi)，接近路面的固有振動(dòng)頻率15 Hz，與理論分析保持較高的一致性，表現(xiàn)出更為顯著的壓電性能，表明極化處理對(duì)于有效改善壓電發(fā)電瀝青混凝土電能輸出效果至關(guān)重要。

3 智能壓電發(fā)電路面的力電分析

壓電材料具有優(yōu)良的力電耦合特性，在現(xiàn)代工業(yè)、交通、醫(yī)療和航空航天等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。近年來(lái)，壓電發(fā)電、無(wú)線供能以及無(wú)損檢測(cè)技術(shù)成為該領(lǐng)域新的研究熱點(diǎn)。基于制備的智能壓電發(fā)電路面建立其力電耦合模型。

3.1 智能壓電發(fā)電路面力電耦合模型

埋入瀝青混凝土內(nèi)部的壓電陶瓷元件的上下表面有一定的應(yīng)變，因此力學(xué)邊界條件屬于機(jī)械自由;電學(xué)邊界條件屬于電學(xué)開路。集總參數(shù)模型首先假設(shè)系統(tǒng)的物理尺寸遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于電學(xué)、力學(xué)以及聲學(xué)的尺寸特性。同時(shí)，系統(tǒng)的空間與時(shí)間變化被解耦分離。如圖5所示，智能壓電發(fā)電路面可以看做是包含壓電元件的振動(dòng)機(jī)械結(jié)構(gòu)，如果該結(jié)構(gòu)被其諧振頻率所激勵(lì)而產(chǎn)生線性微小位移，那么埋有壓電元件的瀝青混凝土可以被模擬為一個(gè)含有質(zhì)量塊、彈簧、阻尼、壓電元件的系統(tǒng)。

圖5 智能壓電發(fā)電路面等效振動(dòng)機(jī)械結(jié)構(gòu)

在該模型中，機(jī)械結(jié)構(gòu)包含質(zhì)量塊M，相當(dāng)于機(jī)械結(jié)構(gòu)剛度的彈簧K，相當(dāng)于結(jié)構(gòu)機(jī)械損失的阻尼D，以及具有一定厚度t和面積A的壓電元件。質(zhì)量塊M受施加到系統(tǒng)上的外力F與系統(tǒng)內(nèi)力的同時(shí)作用。外力F是作用于機(jī)械結(jié)構(gòu)的外部機(jī)械激勵(lì)，內(nèi)力可分解為壓電陶瓷對(duì)質(zhì)量塊的作用力FP、彈簧的彈性力、阻尼器的粘性阻力。

假設(shè)質(zhì)量塊M的位移為x，壓電陶瓷輸出的電壓和電流分別為UP和I，質(zhì)量塊M在壓電陶瓷上的作用力FP可以分解為一個(gè)彈性系數(shù)為KP的彈簧彈性力和一個(gè)電壓控制力αUP。KP為壓電陶瓷短路彈性系數(shù)、C0為受火電容、α為應(yīng)力因子。

3.2 埋入式壓電元件力電特性實(shí)驗(yàn)研究

如果把瀝青混凝土路面結(jié)構(gòu)看成是一個(gè)振動(dòng)系統(tǒng)，則行車荷載的沖擊作用是振動(dòng)系統(tǒng)的激勵(lì)或輸入，路面產(chǎn)生的響應(yīng)，如位移、應(yīng)力、形變等為振動(dòng)系統(tǒng)的響應(yīng)或輸出。

在長(zhǎng)安大學(xué)測(cè)試中心，應(yīng)用材料測(cè)試機(jī)MTS810（MaterialTestSystem，MTSCo.U.S.A.）對(duì)8片×3 mm，6片×

4 mm的壓電元件施加1 000～5 000 N，頻率為10 Hz的正弦波荷載，通過(guò)萬(wàn)用表對(duì)電元件的開路電壓進(jìn)行觀察，記錄其峰值電壓并與計(jì)算值進(jìn)行比較。測(cè)試結(jié)果如圖6所示。

從圖6可以看出，在10 Hz頻率條件下，壓電元件的開路峰值電壓隨著壓應(yīng)力的增加而增加。由斜率可知，單片厚度大的元件的開路峰值電壓比較高，且增加趨勢(shì)更快。

從圖中可以看出，施加荷載的頻率對(duì)壓電元件的峰值電壓輸出影響不大，是因?yàn)閴弘娫哂凶陨淼闹C振頻率，壓電元件在諧振頻率處阻抗最小，輸出功率最大。一般壓電元件的諧振頻率在幾千Hz左右，而瀝青路面行車荷載的簡(jiǎn)諧振動(dòng)頻率遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于該頻率，因此施加應(yīng)力的頻率對(duì)壓電元件的電壓輸出影響極小。1 000 N正弦波荷載不同頻率作用下不同厚度片數(shù)壓電元件的峰值電壓如圖7所示。

4 智能壓電發(fā)電路面的電學(xué)輸出研究計(jì)算

目前，利用道路進(jìn)行發(fā)電主要采用壓電技術(shù)，將壓電換能器鋪設(shè)于路面的減振層中，將經(jīng)過(guò)車輛的振動(dòng)能量進(jìn)行收集并通過(guò)電力裝置轉(zhuǎn)換為電能，由控制系統(tǒng)將電能存儲(chǔ)并利用。考慮將智能壓電發(fā)電路面置于車轍試驗(yàn)儀及成型儀中，利用Keithley2700多通道數(shù)據(jù)采集儀，測(cè)試不同的埋鋪深度、不同厚度、不同荷載、不同數(shù)量元件并聯(lián)所產(chǎn)生的開路電壓及電流。

4.1 試驗(yàn)系統(tǒng)

車轍試驗(yàn)儀為今谷神箭型QCZ-6型自動(dòng)車轍試驗(yàn)儀，各項(xiàng)參數(shù)見表6所列。車轍試驗(yàn)儀主要用于瀝青混合料的高溫抗車轍能力，也可用于瀝青混合料配合比的設(shè)計(jì)和輔助檢驗(yàn)。

4.2 智能壓電發(fā)電路面的豎向應(yīng)力分析利用Bisar3.0軟件模擬車轍試驗(yàn)情況，車轍試驗(yàn)時(shí)將32 mm（8片×4 mm）壓電元件埋入筋青混合料中，埋鋪深度為16 mm，測(cè)試其在輪載壓力0.7 MPa下的豎向應(yīng)力分布。選擇壓應(yīng)力與半徑模式;將車轍試驗(yàn)儀的碾壓面積20 mm×50 mm換算成當(dāng)量直徑的圓面積，半徑約17.8 mm。

智能壓電發(fā)電路面不同豎向深度的壓應(yīng)力明顯高于普通的瀝青混合料，原因在于瀝青混合料的楊氏模量較小，而壓電陶瓷元件的楊氏模量較大。

埋入式壓電瀝青混合料中，第1片壓電陶瓷元件表面所受的壓應(yīng)力為0.566 4 MPa，第8片元件表面所受的壓應(yīng)力僅為0.194 3 MPa，表明每一片壓電陶瓷元件的豎向受壓應(yīng)力不同，隨著深度的加深逐漸減小，并具有一定的線性關(guān)系，置信度為0.979 5。

4.3 智能壓電發(fā)電路面的電學(xué)輸出考慮將智能壓電發(fā)電路面置于車轍試驗(yàn)儀及成型儀中，利用Keith1ey2700多通道數(shù)據(jù)采集儀采集、測(cè)試埋有32 mm（8片×4 mm）壓電元件，埋鋪深度為16 mm的埋入式壓電瀝青混合料的開路電壓及電流，測(cè)試的輪載壓力為0.7 MPa，并以此為對(duì)比對(duì)象測(cè)試在不同埋鋪深度、不同厚度、不同荷載條件下由不同數(shù)量元件并聯(lián)所產(chǎn)生的開路電壓及電流。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，智能壓電發(fā)電路面的開路電壓輸出具有一定的脈沖性質(zhì)，其峰峰值可達(dá)32 V。將開路電壓波形與智能壓電發(fā)電路面的電壓計(jì)算值進(jìn)行對(duì)比發(fā)現(xiàn)，開路電壓的實(shí)測(cè)值略低于計(jì)算值，原因在于埋入式壓電元件中的壓電片是以物理串聯(lián)、電學(xué)并聯(lián)的形式相連接，而每一片的壓電元件所受的豎向壓應(yīng)力并不相同，使得每個(gè)壓電片所產(chǎn)生的電能也不相同。因此，將若干個(gè)高電壓、低電流、高內(nèi)阻的壓電片電學(xué)并聯(lián)使電壓輸出趨于平衡。采用BISAR3.0軟件模擬車轍試件存在一定的誤差，且計(jì)算時(shí)取鐵電極表明豎向壓應(yīng)力，導(dǎo)致開路電壓的實(shí)測(cè)值與計(jì)算值存在微小誤差。

4.3.1 不同埋鋪深度下的電學(xué)輸出將32 mm（8片×4 mm）的壓電元件埋入瀝青混合料中，埋鋪深度為10 mm，測(cè)試其在輪載壓力0.7 MPa下的開路電壓并與前文中智能壓電發(fā)電路面的對(duì)比試樣進(jìn)行對(duì)比。

利用Bisar3.0軟件重新計(jì)算理鋪深度為10 mm的埋入式壓電瀝青混合料的豎向應(yīng)力變化，結(jié)果見表8所列;計(jì)算該深度下埋入式壓電發(fā)電路面的開路電壓輸出值;在壓電元件埋鋪位置預(yù)先鋪設(shè)一些粒徑小于4.75 mm的瀝青混合料，厚度約為7 mm（松鋪系數(shù)約為1.15），以保證壓電元件的埋鋪深度為10 mm;將壓電元件埋入并碾壓成型。埋鋪深度為10 mm的埋入式壓電瀝青混合料的豎向應(yīng)力見表7所列。

4.3.2 不同總厚度壓電材料的電學(xué)輸出目前，我國(guó)新通車的公路中，約80%以上的路面采用瀝青混凝土路面，且已成為我國(guó)公路發(fā)展建設(shè)過(guò)程中所采用的主要路面結(jié)構(gòu)形式。

瀝青混凝土路面的厚度對(duì)路面強(qiáng)度、穩(wěn)定度、平整度等都具有較大的影響。按規(guī)定要求，瀝青混凝上（AC類型級(jí)配的瀝青混凝土）每層的壓實(shí)厚度不宜小于集料公稱最大粒徑的2.5～3倍。根據(jù)壓電元件相容性的試驗(yàn)結(jié)果可知，AC-10型瀝青混合料的壓實(shí)厚度不低于30 mm。目前，瀝青混凝土路面的上面層厚度一般為40 mm。因此，將最佳單片尺寸的壓電陶瓷元件封裝成不同厚度的壓電元件，厚度分別為24 mm（6片

4 mm），16 mm（4片4 mm）。將上述單個(gè)壓電元件埋入瀝青混合料之中，埋鋪深度為16 mm，輪載壓力為0.7 MPa，測(cè)試其開路電壓并與智能壓電發(fā)電路面對(duì)比試樣進(jìn)行對(duì)比研究。不同總厚度的埋入式壓電瀝青混凝土的豎向應(yīng)力見表9所列。

在24 mm（6片4 mm）壓電元件埋鋪位置預(yù)先鋪設(shè)一些粒徑小于4.75 mm的瀝青混合料，厚度約為9 mm（松鋪系數(shù)約為1.15）;在16 mm（4片4 mm）壓電元件埋鋪位置預(yù)先鋪設(shè)一些粒徑小于4.75 mm的瀝青混合料，厚度約為18 mm（松鋪系數(shù)約為1.15），以保證壓電元件的埋鋪深度為16 mm;將壓電元件埋入并碾壓成型;利用Bisar3.0軟件重新計(jì)算埋入式壓電瀝青混合料各監(jiān)測(cè)點(diǎn)的豎向應(yīng)力變化，結(jié)果如圖8所示;計(jì)算該深度下埋入式壓電瀝青混合料的開路電壓輸出值，試驗(yàn)結(jié)果如圖9、圖10所示。

隨著壓電元件豎向深度的增加，埋入式瀝青混凝土內(nèi)部的豎向壓應(yīng)力隨之減小，并呈現(xiàn)出一定的線性關(guān)系。同時(shí)，壓電元件在相同的豎向深度時(shí)，總厚度大的壓電元件所受的壓應(yīng)力較大。由于車轍試件有所限制，當(dāng)總厚度為32 mm時(shí)，壓電元件剛好與模具的底部鋼板接觸;總厚度為16 mm時(shí)，壓電元件埋入的底部預(yù)置了粒徑小于4.75 mm的瀝青混合料。豎向壓應(yīng)力的不同正是由于瀝青混合料與鋼板彈性模量的差異造成的。埋入的壓電元件的總厚度為24 mm時(shí)，智能壓電發(fā)電路面的開路電壓波形與對(duì)比試樣的波形一致，同樣具有脈沖性質(zhì)，且峰值可以達(dá)到30 V左右。埋入的壓電元件的總厚度為

16 mm時(shí)，智能壓電發(fā)電路面的開路電壓波形與對(duì)比試樣的波形一致，同樣具有脈沖性質(zhì)，且峰值可達(dá)29 V左右。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，埋入式瀝青混凝土的開路電壓隨著壓電元件總厚度的增加而增加。盡管理想條件下的理入式壓電瀝青混凝土的開路電壓方程與壓電元件的總厚度無(wú)關(guān)，但由于總厚度不同，導(dǎo)致埋入的壓電元件所受壓應(yīng)力也有所不同，所以埋入式壓電發(fā)電路面產(chǎn)生的開路電壓不同。

4.4 智能壓電發(fā)電路面的能量采集

標(biāo)準(zhǔn)的能量采集電路一般由全橋整流電路和一個(gè)電容以及負(fù)載組成。該電路對(duì)負(fù)載的要求較高，且能量采集的效率一般。為此，將標(biāo)準(zhǔn)能量采集電路接上DC-DC轉(zhuǎn)換電路以提高能量采集效率。此外，還有三種由微芯片處理控制的能量采集電路，包括并聯(lián)同步電荷存儲(chǔ)技術(shù)、電感同步開關(guān)能量存儲(chǔ)技術(shù)、串聯(lián)同步開關(guān)電感能量存儲(chǔ)技術(shù)，能量效率提高明顯，因此采用兩種不同的采集電路。

4.4.1 基于標(biāo)準(zhǔn)能量采集電路的充電研究

智能壓電發(fā)電路面將振動(dòng)能轉(zhuǎn)化為電能后，屬于交流電能，需要將交流電能通過(guò)整流、濾波等手段將其變換為穩(wěn)定的直流電源輸出，通過(guò)能量捕獲電路將這部分電能儲(chǔ)存在存儲(chǔ)元件中。橋式整流濾波示意如圖11所示。

本文選擇的整流二極管為1N4148，其最高反向工作電壓為75 V，最大正向壓降為0.72 V，最大反向電流為50 μA，極間電容為4 pF，反向恢復(fù)時(shí)間為8 ns。橋式整流濾波電路的輸出電壓很固定，但不同電子器件的供電電壓不同，因此需要將傳統(tǒng)能量捕獲電路的固定直流電壓輸出轉(zhuǎn)換為需要的電壓，故選用DC-DC轉(zhuǎn)換芯片將橋式整流濾波電路的輸出電壓轉(zhuǎn)換為應(yīng)用系統(tǒng)所需電壓。

本文將埋有一個(gè)壓電元件的瀝青混凝土與橋式整流濾波電路及DC-DC連接到一起，試驗(yàn)條件為0.7 MPa荷載，碾壓頻率為42 次/min。

4.4.2 兩種能量采集電路對(duì)比

將兩種采集電路進(jìn)行對(duì)比，5#鎳氫電池的充電結(jié)果如圖12所示，IF鉭電解超級(jí)電容充電的結(jié)果如圖13所示。

試驗(yàn)結(jié)果表明，基于5#鎳氫電池及1F鉭電解的超級(jí)電容，使用LTC3588-1芯片進(jìn)行電能儲(chǔ)存和采集的效果要明顯高于采用整流濾波+MA×666型DC-DC單元的采集電路。

5 智能壓電發(fā)電路面的節(jié)能減排效益分析

截至2016年底，我國(guó)機(jī)動(dòng)車保有量為3.5億輛，其中汽車保有量為2.27億輛，這預(yù)示著我國(guó)已正式進(jìn)入汽車時(shí)代。如此巨大的機(jī)動(dòng)車保有量意味著在我國(guó)范圍內(nèi)道路將承受幾十億次的車輛荷載，道路在行車荷載的反復(fù)作用下發(fā)生振動(dòng)、形變等一系列狀態(tài)變化，將行車荷載所帶來(lái)的能量轉(zhuǎn)化為動(dòng)能和應(yīng)變能，這些能量最終轉(zhuǎn)換成路面的熱能或其他能量，耗散在道路環(huán)境之中。據(jù)相關(guān)機(jī)構(gòu)報(bào)道，普通城市主干道每天的交通量為15 000～20 000，相當(dāng)于每條干路每天至少浪費(fèi)30 000～40 000噸有機(jī)能源。如若將這部分能量收集與應(yīng)用，開發(fā)發(fā)電路面不僅在道路工程方面實(shí)現(xiàn)學(xué)術(shù)性突破，更會(huì)為我國(guó)的經(jīng)濟(jì)和社會(huì)帶來(lái)無(wú)可估量的效益。

壓電發(fā)電路面是指將具有能量轉(zhuǎn)化能力的壓電元件植入瀝青路面內(nèi)部或表面，汽車在路面上行駛時(shí)，車輪擠壓壓電元件，其內(nèi)部的微晶體使其產(chǎn)生電荷，當(dāng)數(shù)千個(gè)壓電元件被植入瀝青面內(nèi)部后，將在行車荷載的作用下產(chǎn)生巨大的電量。汽車在這種植入儲(chǔ)能材料的瀝青路面上行駛1.6 km便可產(chǎn)生640 kW·h的電量，可供1個(gè)200 W的燈泡連續(xù)照明7天。

目前，國(guó)內(nèi)外關(guān)于發(fā)電路面的研究仍處于起步階段，現(xiàn)有針對(duì)壓電換能器的能量輸出計(jì)算方法通常將壓電換能器放置于可提供一定振動(dòng)加速度的定頻動(dòng)力源（振動(dòng)臺(tái)）上，借助振動(dòng)狀態(tài)下的粘彈性微分方程從理論角度計(jì)算壓電換能器的電能輸出效果。

5.1 計(jì)算方法

（1）由行車交通時(shí)間分布特性可知，同時(shí)間段內(nèi)交通荷載通過(guò)的次數(shù)、速度均不相同，粘彈性模型中的荷載以某一固定頻率作用于路面，無(wú)法客觀反應(yīng)行車荷載作用的次數(shù)以及荷載作用時(shí)間間隔等。

（2）道路系統(tǒng)中，交通量、軸載構(gòu)成復(fù)雜導(dǎo)致粘彈性模型中的F（t）不能很好地模擬真實(shí)的道路行車荷載對(duì)發(fā)電路面的作用效果。

（3）路用壓電元件在路面中應(yīng)用時(shí)會(huì)破壞路面結(jié)構(gòu)的連續(xù)性，造成路面路用性能的應(yīng)力性損傷甚至斷裂性破壞，模型中的彈塑性無(wú)法完全模擬路面內(nèi)部的受力狀況。

針對(duì)傳統(tǒng)壓電元件的壓電能量輸出計(jì)算方法在壓電發(fā)電路面應(yīng)用中存在的不適用問(wèn)題，團(tuán)隊(duì)采用一種可信度高的壓電發(fā)電路面能量累積計(jì)算方法，該方法避免了傳統(tǒng)壓電元件的能量輸出研究方法在壓電發(fā)電路面使用中帶來(lái)的各種問(wèn)題。

本研究報(bào)告針對(duì)傳統(tǒng)壓電發(fā)電能量計(jì)算方法在路面中應(yīng)用存在的問(wèn)題，采用國(guó)際壓電換能輸出計(jì)算方法，與國(guó)內(nèi)現(xiàn)有方法相比，具有如下效果：

（1）公式簡(jiǎn)單，無(wú)需采用大型有限元軟件進(jìn)行建模計(jì)算，只需借助小型軟件進(jìn)行簡(jiǎn)單應(yīng)力分析就可計(jì)算，使用方便快捷;

（2）避免傳統(tǒng)能量輸出研究方法在發(fā)電路面中帶來(lái)的各種問(wèn)題，有效考慮了行車荷載的隨機(jī)作用，消除了實(shí)際工程應(yīng)用中行車荷載作用的次數(shù)及荷載作用時(shí)間間隔等工作狀態(tài)對(duì)計(jì)算的影響;

（3）適用于不同軸載、不同交通環(huán)境下的發(fā)電路面的電能輸出計(jì)算方法可用于不同時(shí)間段、不同交通參數(shù)道路中發(fā)電路面電能模型。

5.2 模型假設(shè)與構(gòu)建

傳統(tǒng)化石能源如煤炭、天然氣、石油等發(fā)電產(chǎn)生的污染物主要有SO2，NOx，CO2，煙塵等廢氣排放物及廢水、灰渣等，這些污染物對(duì)環(huán)境造成了嚴(yán)重污染。與此同時(shí)，以水力和核物質(zhì)等能源為原料的電力開發(fā)也造成了氣候異常、放射性廢物處理等環(huán)境負(fù)擔(dān)。與之相比，壓電發(fā)電實(shí)現(xiàn)了污染物的零排放，極大程度上減少了環(huán)境污染，因此風(fēng)電環(huán)境效益顯著。根據(jù)國(guó)家電網(wǎng)公布的數(shù)據(jù)可知，近年來(lái)我國(guó)其他節(jié)能式發(fā)電效益見表10所列。

由表9可以看出，2010年我國(guó)節(jié)煤量、CO2減排量、SO2減排量、NOx減排量和煙塵減排量總計(jì)達(dá)到559.18萬(wàn)噸，2011年總計(jì)達(dá)1 118.53萬(wàn)噸。2011—2016年，節(jié)能減排量每年都以2倍的速度增加。到2016年，我國(guó)風(fēng)電節(jié)能減排總量已達(dá)11 769.64萬(wàn)噸。可以預(yù)見，未來(lái)我國(guó)發(fā)電方式的節(jié)能減排效益將以更大幅度提升，從而更好地推進(jìn)我國(guó)環(huán)境友好型社會(huì)的建設(shè)進(jìn)程。

通過(guò)測(cè)試發(fā)電路面的基本參數(shù)，經(jīng)過(guò)簡(jiǎn)單計(jì)算，假設(shè)當(dāng)下的全部路面為壓電發(fā)電路面，車流量與車重量為2016年的平均水平，按照20%的保守增長(zhǎng)比例，在不同厚度下，壓電發(fā)電路面每年節(jié)能減排效益見表11所列。

相比定性分析，定量評(píng)估計(jì)算壓電發(fā)電路面效益可以更直觀地說(shuō)明壓電發(fā)電路面的節(jié)能減排效益，對(duì)于新能源產(chǎn)業(yè)決策及我國(guó)實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展等有重要意義。而與傳統(tǒng)能源相比，壓電發(fā)電的環(huán)境效益主要體現(xiàn)在污染物排放上，以產(chǎn)出同等電量，節(jié)約燃煤火電的能耗及減少污染物排放量值作為壓電發(fā)電的環(huán)境效益指標(biāo)。目前燃煤火電在我國(guó)能源結(jié)構(gòu)中占據(jù)絕對(duì)的主導(dǎo)地位，由此需要將風(fēng)電和火電的污染物排放進(jìn)行比較。燃煤火電所消耗的能源主要是煤炭和水，所產(chǎn)生的污染物主要包括SO2，NOx，CO2，煙塵等大氣排放物及廢水、灰渣等，其大氣綜合排放量約占全國(guó)大氣污染物總量的1/3。

5.3 軟件模型計(jì)算結(jié)果

模擬軟件計(jì)算數(shù)據(jù)見表12所列，污染物排放（減排）量相對(duì)誤差見表13所列，功率輸出曲線如圖14所示。

6 交通控制系統(tǒng)

6.1 背景

現(xiàn)行的交通燈控制系統(tǒng)一般為開環(huán)控制系統(tǒng)，其紅綠燈相對(duì)固定，不會(huì)因交通實(shí)況而進(jìn)行自我調(diào)整。為了讓交通系統(tǒng)更加人性化，讓交通更加和諧，實(shí)現(xiàn)交通流的實(shí)時(shí)檢測(cè)和反饋，從而實(shí)現(xiàn)閉環(huán)控制，目前主要采用兩類交通流檢測(cè)方法。

（1）接觸式測(cè)量主要為壓電檢測(cè)、壓力管檢測(cè)、環(huán)形線圈檢測(cè)和磁力式探測(cè)，當(dāng)汽車經(jīng)過(guò)采集裝置上方時(shí)會(huì)引起相應(yīng)的壓力、電場(chǎng)或磁場(chǎng)變化，采集裝置將這些力或場(chǎng)的變化轉(zhuǎn)換為所需的交通信息。接觸式測(cè)量的優(yōu)點(diǎn)在于原理簡(jiǎn)單，收集數(shù)據(jù)方便，而且技術(shù)成熟，但采用接觸式測(cè)量設(shè)備需要重新修改路面，工程量巨大，且我國(guó)目前不支持城市道路改造，加入電源后，安全性較低，壽命較短。

（2）非接觸式測(cè)量主要分為波頻探測(cè)和視頻探測(cè)兩大類，波頻探測(cè)安裝簡(jiǎn)便但工作現(xiàn)場(chǎng)極易受到現(xiàn)場(chǎng)灰塵、冰霧等影響;視頻探測(cè)不僅可以檢測(cè)實(shí)時(shí)車流量，還可以對(duì)異常交通流信息進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，成本較低，但易受惡劣天氣、燈光、陰影等環(huán)境因素的影響，同時(shí)汽車的動(dòng)態(tài)陰影也會(huì)帶來(lái)干擾，而且在實(shí)際的圖像處理系統(tǒng)中，背景處理是一個(gè)復(fù)雜而棘手的問(wèn)題。隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，城市交通問(wèn)題越來(lái)越引起人們的關(guān)注。

人、車、路三者關(guān)系的協(xié)調(diào)越來(lái)越受到交通部門的重視，也越來(lái)越成為衡量一個(gè)城市基礎(chǔ)建設(shè)的基本硬件指標(biāo)。除了通過(guò)修路改善交通外，對(duì)交通信號(hào)燈的控制已成為現(xiàn)代城市交通監(jiān)控指揮系統(tǒng)的重要組成部分和技術(shù)手段。傳統(tǒng)交通信號(hào)燈控制方法往往以路口的狀態(tài)，按丁字、十字與多路口分時(shí)段通過(guò)紅綠黃燈控制各路口車輛依次通行，往往存在車多的路口綠燈通行時(shí)間短、無(wú)車或少車的路口卻亮著綠燈，而且路口在何時(shí)間段車輛多少又比較隨機(jī)，對(duì)交通信號(hào)燈的控制難以人為預(yù)設(shè)，為解決少車路口綠燈時(shí)無(wú)車通行或多車路口綠燈通行時(shí)間短而堵車等問(wèn)題，智能交通燈控制系統(tǒng)應(yīng)運(yùn)而生。

本設(shè)計(jì)是一個(gè)以車流量為核心的智能交通燈自動(dòng)控制系統(tǒng)，通過(guò)使用壓電發(fā)電路面磚檢測(cè)車流量，實(shí)現(xiàn)了十字路口交通燈的智能控制。隨著數(shù)字化城市建設(shè)的進(jìn)程，對(duì)城市交通的要求不僅是智能化，更是網(wǎng)絡(luò)化、信息化。

6.2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

系統(tǒng)主控制器選用西門子S7-300系列PLC，車流量檢測(cè)裝置采用基于傳感器形變?cè)淼膲弘姲l(fā)電路面磚，系統(tǒng)由PLC控制器、信號(hào)檢測(cè)裝置、信號(hào)轉(zhuǎn)換裝置、緊急按鈕、交通燈組和以太網(wǎng)接口等組成。

每個(gè)路口均放置兩組壓電發(fā)電路面磚，前一組緊挨停車線，檢測(cè)駛離該車道的車輛數(shù)，后一組埋設(shè)在距停車道5～10 m處，考慮埋設(shè)在預(yù)計(jì)可正常停車數(shù)量所占位置的1～2倍處，檢測(cè)駛?cè)朐撥嚨赖能囕v數(shù)，當(dāng)壓電發(fā)電路面磚感應(yīng)到車輛通過(guò)的信號(hào)后，該信號(hào)將通過(guò)信號(hào)轉(zhuǎn)換裝置轉(zhuǎn)換為0～10 V的標(biāo)準(zhǔn)電壓信號(hào)并輸入PLC（系統(tǒng)選用的西門子S7-300系列PLC主要包括1個(gè)CPU314IFM模塊、1個(gè)SM332開關(guān)量模塊、1個(gè)SM334模擬量模塊、1個(gè)電源模塊、1個(gè)通信模塊，PLC為24 V供電，系統(tǒng)共有36點(diǎn)開關(guān)量輸入信號(hào)、32點(diǎn)開關(guān)量輸出信號(hào)、6路模擬量輸入信號(hào)、4路模擬量輸出信號(hào)的容量，可滿足1個(gè)3～4車道的十字路口交通燈的控制要求）。PLC控制系統(tǒng)通過(guò)判斷該信號(hào)的狀態(tài)，經(jīng)過(guò)數(shù)據(jù)處理和計(jì)算得到各路口的實(shí)際車流量數(shù)據(jù)，自動(dòng)控制系統(tǒng)將根據(jù)各路口的實(shí)際車流量自動(dòng)調(diào)節(jié)其所在路口的信號(hào)燈通行狀態(tài)。同時(shí)，系統(tǒng)在各人行路口設(shè)置了緊急按鈕，按動(dòng)此按鈕也會(huì)起到干預(yù)路口交通信號(hào)燈狀態(tài)的作用。該系統(tǒng)所設(shè)置的以太網(wǎng)接口為實(shí)現(xiàn)多個(gè)路口之間的交通燈連鎖控制、交通燈的遠(yuǎn)程計(jì)算機(jī)監(jiān)控和交通系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)化、信息化管理奠定了基礎(chǔ)。壓電發(fā)電路面磚是智能交通自控系統(tǒng)中的主要檢測(cè)元件。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖15所示。

6.3 創(chuàng)新點(diǎn)

智能化，即根據(jù)路口車流量的大小自動(dòng)調(diào)節(jié)路口信號(hào)燈的通行時(shí)間，在傳統(tǒng)十字路口交通燈控制的基礎(chǔ)上，解決了傳統(tǒng)系統(tǒng)少車路口綠燈無(wú)車通行或多車路口綠燈時(shí)間短而堵車等問(wèn)題，提高了車輛通行效率，減輕了交通堵塞壓力。

網(wǎng)絡(luò)化，即通過(guò)系統(tǒng)的以太網(wǎng)接口實(shí)現(xiàn)多個(gè)路口間交通燈的連鎖自動(dòng)控制，實(shí)現(xiàn)對(duì)交通狀況的遠(yuǎn)程監(jiān)控，同時(shí)也為城市交通的數(shù)字化、信息化奠定了基礎(chǔ)。

人性化，即系統(tǒng)在各路口都設(shè)有人行通道的緊急通行按鈕，能靈活控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)、延時(shí)切換，并具有一定的優(yōu)先權(quán)，方便處于緊急事故中的人、車通行。

7 結(jié) 論

本文研究了智能壓電發(fā)電路面的制備、力電特性及其電學(xué)輸出性能，可以得到以下結(jié)論：

（1）利用ANSYS12.0軟件優(yōu)化后的壓電元件尺寸外徑為18 mm，內(nèi)徑為10 mm，厚度為4 mm。經(jīng)過(guò)仿真分析，施加0.7 MPa的瞬間壓應(yīng)力可以產(chǎn)生63.146 V的電壓。

（2）采用傳統(tǒng)氧化物固相反應(yīng)的方法預(yù)合成摻雜0.45 wt% Fe2O3的PMnS-PZN-PZT粉體，制備出的埋入式壓電元件具有良好的壓電性能及耐久性能。

（3）制備的智能壓電發(fā)電路面的體積性能、高溫穩(wěn)定性能、水穩(wěn)定性能均能滿足我國(guó)的瀝青混合料技術(shù)規(guī)范，具有良好的路用性能。

（4）以壓電方程為基礎(chǔ)，建立智能壓電發(fā)電路面的力電耦合模型，推導(dǎo)埋入式瀝青混凝土的開路電壓方程，且智能壓電發(fā)電路面的開路電壓計(jì)算值與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)基本吻合。

（5）壓電元件的開路峰值電壓隨著壓應(yīng)力的增加而增加，且單片厚度大的元件的開路峰值電壓比較高，增加的趨勢(shì)更快，但施加較低的頻率對(duì)壓電元件的電壓輸出影響非常小。

（6）智能壓電發(fā)電路面的開路電壓與壓電元件總厚度變化無(wú)關(guān)，隨著埋鋪深度的增加而減小，隨著車輪荷載的增加而增加;開路電流隨著壓電元件并聯(lián)數(shù)量的增加而增加。

（7）芯片的電能采集效果和效率均優(yōu)于橋式整流電路+MA×666型DC-DC單元的采集電路。