基于壓電效應的智能發電路面的應用研究

趙迎賓，孫哲雍東北大學秦皇島分校

基于壓電效應的智能發電路面的應用研究

趙迎賓，孫哲雍
東北大學秦皇島分校

近年來，全球多個國家都開始研究壓電效應技術和其應用場景，壓電效應在我國多個行業中都有廣泛的應用，本文主要介紹了壓電效應在路面材料中的應用，智能發電路面的發電原理、特點、社會價值；著重分析了智能發電路面的應用前景，為智能發電路面在我國的研究及推廣應用提供了支持。

壓電效應；發電路面

一、引言

國內外普遍使用的發電式路面主要有三種：太陽能發電路面、風能發電路面和壓電發電路面，其中最為可靠且效率最高的是壓電發電[1]。隨著我國工業化城市的快速建設，我國的不可再生能源短缺現象也日益嚴重。如何尋求新能源逐漸受到我國各領域學者的關注。其中基于壓電效應的微能量收集技術成為新材料能源學者們的重點研究方向。該種技術是基于壓電效應原理與能量守恒定律，通過施加外力使得壓電陶瓷材料產生形變，將微弱變化的勢能轉換為電能，從而實現了能量的相互轉換、儲存與輸出。道路作為城市交通系統中的重要設施，同時也蘊含著豐富的潛在能量。將壓電效應運用到路面中，通過一定的制造合成工藝，可以將傳統路面改造為智能發電路面，這樣不僅保證了傳統路面的基本功能，還可以使得路面具備很好的發電效益。

二、智能壓電發電路面簡介

智能壓電發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電路面，通過壓電效應，使得路面產生電能并進行儲存、輸出的系統[3]。智能發電路面的一般使用壽命在25-30年，其特點是在發電過程中，無污染、零碳排放，并且壓電轉換效率高，電能整體輸出效益高。

智能發電路面不僅可以將產生的電能應用于交通系統中的耗能設施，比如紅綠燈、公交站牌、廣告顯示屏等，還可以通過城市的供電網絡將電能應用于周邊居民用戶。如果在城市中鋪設足量的智能發電路面，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，從而大大節省了城市供電系統的電能使用，在一定程度上也減少了城市的碳排放量，為建設節能環保型城市作出貢獻。

智能發電路面的價值不僅在于發電方面，更在于構建智慧城市交通系統。由于壓電效應的電能產生與所受的壓力是一種正相關關系，而智能發電路面內部的壓電陶瓷材料（多為PZT壓電陶瓷），因此，智能發電路面可以通過瞬時輸出電壓的大小，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，從而可以依據反向推算的壓力數值得知在某一時刻通過路面的是什么類型的車輛。這就獲取了第一手的實時交通車流量信息，為智慧交通的構建提供了原始大數據。如果智能發電路面的鋪設可以形成一定規模，則有望建設成基于智能壓電發電路面的智慧城市交通系統。從而解決了我國交通的效率問題。此外，將由智能發電路面檢測到的實時交通路況數據信息，和紅綠燈系統進行有效結合，通過數學模型分析，使得紅綠燈的秒數依據實時的路況車流量信息而確定出最佳的秒數值，則可以大大緩解城市中的交通擁堵問題。使得“互聯網+智能發電路面+紅綠燈”的基于車流量的交叉口信號燈控制系統變成可能，甚至可以成為治理交通擁堵的利器。

三、智能壓電發電路面的應用前景分析

3.1 智能壓電發電路面應用于火車站

在火車站進出口，由于高密度的人流量，可以將智能壓電發電路面鋪設于檢票口、售票窗口、進出站口等，從而收集大量的勢能，轉換為電能，將電能輸出于火車站的LED顯示屏、廣告位等耗能設備。

3.2 智能壓電發電路面應用于大型商場

我國很多大型商場每天均會有很多的人流量，將智能壓電發電路面運用到大型商場的門口，可以依據密集行走的人自身的重力，使得智能壓電發電路面產生微弱的形變，從而產生電能。

3.3 智能壓電發電路面應用于大型停車場

如果將智能壓電發電路面應用于大型停車場，由于城市的私家車日益增多，在停車場每天都會有許多私家車進出，在停車場的出口處安放智能壓電發電路面，則可以以汽車重力為原動力，產生穩定的電能，供給與停車場的ETC等設備使用。

3.4 智能壓電發電路面應用于迪廳

在迪廳場所，在人跳舞的過程中，由于其自身的勢能會稍微變大，相比普通人行走在智能壓電發電路面的過程中，可以使得發電效益更高。并且迪廳場所耗電嚴重，將智能壓電發電路面應用于迪廳場所，可以使得其耗電量明顯降低。

3.5 智能壓電發電路面和汽車輪胎相結合

將智能壓電發電路面發電技術和汽車的輪胎進行有效結合，使得汽車的輪胎變為可以依據汽車行駛過程中進行發電的新型發電輪胎，就可以為汽車內部的供電系統提供一部分電能，實現了汽車自身微弱變化的重力勢能轉換為電能進行收集，并且重新加以利用。

四、結語

我國當下的智能壓電發電路面研究仍舊處于起步階段。筆者認為，智能壓電發電路面不僅具備傳統路面的基本功能屬性，還具備了很好的發電效益以及交通數據價值，雖然在國內的研究處于萌芽階段，但是在未來的應用和在構建智能物聯網交通的環節中將會起到很大的作用。此外，智能壓電發電路面在未來將被用于不同需求的場合與環境，為路面的安全性、舒適性及更高的服務質量做出更顯著的貢獻[4]，筆者相信智能發電路面一定會得到人們廣泛的關注及應用。

[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,2014.

[2]李彥偉,陳森,王朝輝,劉志勝,封棟杰.智能發電路面技術現狀及發展[J].材料導報，2015（07）

[3]趙鴻鐸,梁穎慧,凌建明.基于壓電效應的路面能量收集技術[J].上海交通大學學報，2011（S1）

[4]段利利,邢健.淺談壓電材料研究現狀及發展趨勢[J].山東工業技術，2015（22）

趙迎賓（1995-），男，河南安陽人，東北大學秦皇島分校，專業：測控技術與儀器專業；

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