談智能壓電發電路面技術的發展

杜玲玲

摘要：創新改變世界，智能壓電發電路面技術對道路建設和城市發展均有著重要的作用。本文就將分析該技術的主要形式以及未來智能壓電發電路面技術的發展前景，以供參考。

關鍵詞：智能壓電發電路面;道路建設;發展前景;

壓電路面能夠借助壓電效應實現機械能向動能轉化，其是一種清潔的可再生能源。現如今，科技的發展促進了壓電技術在道路工程中的應用，由此也產生了不同類型的路面壓電發電技術，但是不同技術的輸出效果有所不同，技術研究有待深入。

1智能壓電發電路面概述

智能壓電發電路面是在壓電陶瓷和瀝青一體化的基礎上，合理利用路面所承受的重力產生壓電效應，進而產生并儲存電能，實現電能順利輸出的綜合性系統。智能發電路面的壽命較長，通常為25-30年，該路面發電是無污染，碳排放量較低，且壓電轉化效果較為理想，電能輸出所產生的綜合效益較高。

2壓電發電路面技術分析

2.1壓電材料與路面材料一體化技術

該路面主要采用路用壓電復合材料鋪筑形成的壓電發電路面，復合材料對一體化發電路面能量輸出效果具有顯著影響。復合材料主要由路面材料和壓電材料經特殊的材料成型工藝加工而成。一體化材料能夠給予筑路材料壓電性能，為后期的壓電發電路面鋪筑應用提供諸多的便利。但是壓電復合材料的制作是該技術的重點問題，很多因素都會影響制作過程。

研究人員使用插排澆筑法制備了水泥壓電復合材料，試驗發現材料受到錘擊作用后，產生了微弱的電信號。另外，研究人員也制備了瀝青壓電復合材料，受到動態荷載的影響后，其能夠產生7.2V電壓。研究人員使用PZT和石墨制備了d31和d33兩種壓電瀝青混凝土材料，制備過程中使用了絕緣措施、壓電材料纖維化和極化處理三種方式，其可輸出2.4V電壓。當前受到材料和工藝的限制，壓電復合材料能量輸出并未取得理想的效果，電壓值不足10V，輸出功率較小。所以，在日后的發展中，應投入更多的精力研發新型壓電材料、極化方法和制備工藝，以期優化路用壓電復合材料的應用性能。

2.2壓電換能元件埋入式路面發電技術

該技術主要是在路面內部埋入具有發電功能的壓電換能元件，受車輛荷載作用后便可產生應力應變實現能量轉換。與一體化發電技術相比，該技術的輸出量等級較高，具有理想的可控性，而且操作更為方便快捷，優勢十分顯著。

現階段，國內外對該技術的路面振動能量采集效果進行了全面的研究。其中，堆疊式、薄片和鈸式壓電換能結構的效果較好，其也受到了人們的高度關注。堆疊式壓電環能元件主要由若干層壓電陶瓷片構成，壓電陶瓷片主要由串聯和并聯方式組成，能量轉換率以及結構剛度的優勢較為明顯，從理論的角度來看，其主要應用于行車載荷作用下的高壓環境。

薄片式壓電環能元件主要由單層壓電陶瓷片及金屬基板組成，其環能效率較堆疊式稍差，結構承載力較小，該結構應用于路面時，需設置保護措施。

鈸式壓電換能元件主要由2片鈸式金屬端帽和1層圓形壓電陶瓷片組成。其換能效率最低，結構剛度處于中等水平，在特定的條件下可滿足應用要求。該技術輸出的電能較大，但是輸出功率較低。

結合上述內容，壓電環能元件埋入式路面盡管在能量采集上優勢明顯，但是能量輸出依然是未來需要攻克的重點問題。因此，在研究中需在充分了解道路特性的基礎上，完善壓電換能元件設計，一方面提高能量輸出的效率，另一方面增強道路結構耦合度。

研究人員調整了堆疊式換能元件，并采取當前的標準化生產模式生產出了不同形式的堆疊式換能元件，顯著提高了能量輸出的效率。但是受到單個換能元件能量輸出的限制，若要保證路面壓電發電元件輸出的效果，就必須結合路面實際選擇若干壓電元件，按照合理的方式將其設置在路面結構中。如采用單獨敷設電能元件的方式，作業的復雜性明顯增強，對工作人員的技術水平也提出了較高的要求，同時發電性能無法取得理想的效果，結構也容易受到外部因素的影響而損壞。因此，在未來的研究中，要以換能元件集成壓電裝置開發為重點。

2.3基于集成式壓電裝置的路面發電技術

該技術主要是為了徹底解決路面存在的問題而研發的新技術。國外對此已經進行了較為深入的研究。盡管其壓電發電效果較好，但是應用并不廣泛，沒有公開其設計和處理的方法。我國對該技術的研究時間較短，且并未形成系統化的研究，該技術只是在某些專利中得以應用。研究人員將提高壓電裝置能量輸出效率，優化路面結構和改良交通荷載條件的耦合度，作為既定的研究目標和任務，研發制作了多種不同的壓電裝置，模擬標準軸載能夠輸出36mW的電能。在未來的研究中需高度重視高效率路用壓電裝置研發工作，并且關注裝置自身的鋪設方式和綜合性能。

3智能壓電發電路面的應用

3.1火車站中的應用

火車站進出口的人流較多，因此可在檢票口、售票窗口和進出站口設置智能壓電發電路面，用來收集勢能，實現能量的轉化，并將電能應用于車站的LED顯示牌和廣告位等方面。

3.2大型商場中的應用

大型商場每天要接待大量顧客，而在商場門口應用智能壓電發電路面，能夠根據顧客的重力引導智能壓電發電路面形成微弱的形變，進而產生電能。

3.3大型停車場中的應用

當前，城市私家車數量明顯增多，且停車場中需要接收很多私家車，停車場出口處設置智能壓電發電路面，能夠在汽車重力的影響下產生電能，進而為停車場的ETC設備提供穩定的電能。

3.4迪廳中的應用

人體在跳舞時，身體的勢能也會隨之改變，故而在迪廳中應用智能壓電發電路面，能夠提高發電效率。而且迪廳需要消耗較多的電能，該技術的應用能夠有效減少電能消耗。

3.5域汽車輪胎的融合

智能壓電路面發電技術與汽車輪胎的融合，能夠根據汽車行駛中的狀態發電，從而為汽車的供電系統提供電能，真正實現電能收集和循環利用，增大能量輸出和利用率，順應了汽車行業的綠色節能發展趨勢。

4結語

現階段，我國的智能壓電發電路面研究依然不夠深入，處于初級階段。智能壓電發電路面一方面能夠保留傳統路面的功能，另一方面還可提供更加全面的交通數據，增大路面發電效益。盡管我國研究深度明顯不足，但是我們有理由相信，其在智能物聯網交通建設和發展的過程中，必然會發揮出極為關鍵的作用，加快現代化城市進程。

參考文獻：

[1]王朝輝，趙建雄.智能壓電發電路面技術的發展與展望[J].筑路機械與施工機械化，2017（5）.