談智能壓電發(fā)電路面技術(shù)的發(fā)展

杜玲玲

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

關(guān)鍵詞：智能壓電發(fā)電路面;道路建設(shè);發(fā)展前景;

壓電路面能夠借助壓電效應(yīng)實現(xiàn)機(jī)械能向動能轉(zhuǎn)化，其是一種清潔的可再生能源?，F(xiàn)如今，科技的發(fā)展促進(jìn)了壓電技術(shù)在道路工程中的應(yīng)用，由此也產(chǎn)生了不同類型的路面壓電發(fā)電技術(shù)，但是不同技術(shù)的輸出效果有所不同，技術(shù)研究有待深入。

1智能壓電發(fā)電路面概述

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

2壓電發(fā)電路面技術(shù)分析

2.1壓電材料與路面材料一體化技術(shù)

該路面主要采用路用壓電復(fù)合材料鋪筑形成的壓電發(fā)電路面，復(fù)合材料對一體化發(fā)電路面能量輸出效果具有顯著影響。復(fù)合材料主要由路面材料和壓電材料經(jīng)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(fā)電路面鋪筑應(yīng)用提供諸多的便利。但是壓電復(fù)合材料的制作是該技術(shù)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(fù)合材料，試驗發(fā)現(xiàn)材料受到錘擊作用后，產(chǎn)生了微弱的電信號。另外，研究人員也制備了瀝青壓電復(fù)合材料，受到動態(tài)荷載的影響后，其能夠產(chǎn)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(dāng)前受到材料和工藝的限制，壓電復(fù)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(fā)展中，應(yīng)投入更多的精力研發(fā)新型壓電材料、極化方法和制備工藝，以期優(yōu)化路用壓電復(fù)合材料的應(yīng)用性能。

2.2壓電換能元件埋入式路面發(fā)電技術(shù)

該技術(shù)主要是在路面內(nèi)部埋入具有發(fā)電功能的壓電換能元件，受車輛荷載作用后便可產(chǎn)生應(yīng)力應(yīng)變實現(xiàn)能量轉(zhuǎn)換。與一體化發(fā)電技術(shù)相比，該技術(shù)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(yōu)勢十分顯著。

現(xiàn)階段，國內(nèi)外對該技術(shù)的路面振動能量采集效果進(jìn)行了全面的研究。其中，堆疊式、薄片和鈸式壓電換能結(jié)構(gòu)的效果較好，其也受到了人們的高度關(guān)注。堆疊式壓電環(huán)能元件主要由若干層壓電陶瓷片構(gòu)成，壓電陶瓷片主要由串聯(lián)和并聯(lián)方式組成，能量轉(zhuǎn)換率以及結(jié)構(gòu)剛度的優(yōu)勢較為明顯，從理論的角度來看，其主要應(yīng)用于行車載荷作用下的高壓環(huán)境。

薄片式壓電環(huán)能元件主要由單層壓電陶瓷片及金屬基板組成，其環(huán)能效率較堆疊式稍差，結(jié)構(gòu)承載力較小，該結(jié)構(gòu)應(yīng)用于路面時，需設(shè)置保護(hù)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(jié)構(gòu)剛度處于中等水平，在特定的條件下可滿足應(yīng)用要求。該技術(shù)輸出的電能較大，但是輸出功率較低。

結(jié)合上述內(nèi)容，壓電環(huán)能元件埋入式路面盡管在能量采集上優(yōu)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(chǔ)上，完善壓電換能元件設(shè)計，一方面提高能量輸出的效率，另一方面增強道路結(jié)構(gòu)耦合度。

研究人員調(diào)整了堆疊式換能元件，并采取當(dāng)前的標(biāo)準(zhǔn)化生產(chǎn)模式生產(chǎn)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(fā)電元件輸出的效果，就必須結(jié)合路面實際選擇若干壓電元件，按照合理的方式將其設(shè)置在路面結(jié)構(gòu)中。如采用單獨敷設(shè)電能元件的方式，作業(yè)的復(fù)雜性明顯增強，對工作人員的技術(shù)水平也提出了較高的要求，同時發(fā)電性能無法取得理想的效果，結(jié)構(gòu)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(fā)為重點。

2.3基于集成式壓電裝置的路面發(fā)電技術(shù)

該技術(shù)主要是為了徹底解決路面存在的問題而研發(fā)的新技術(shù)。國外對此已經(jīng)進(jìn)行了較為深入的研究。盡管其壓電發(fā)電效果較好，但是應(yīng)用并不廣泛，沒有公開其設(shè)計和處理的方法。我國對該技術(shù)的研究時間較短，且并未形成系統(tǒng)化的研究，該技術(shù)只是在某些專利中得以應(yīng)用。研究人員將提高壓電裝置能量輸出效率，優(yōu)化路面結(jié)構(gòu)和改良交通荷載條件的耦合度，作為既定的研究目標(biāo)和任務(wù)，研發(fā)制作了多種不同的壓電裝置，模擬標(biāo)準(zhǔn)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(fā)工作，并且關(guān)注裝置自身的鋪設(shè)方式和綜合性能。

3智能壓電發(fā)電路面的應(yīng)用

3.1火車站中的應(yīng)用

火車站進(jìn)出口的人流較多，因此可在檢票口、售票窗口和進(jìn)出站口設(shè)置智能壓電發(fā)電路面，用來收集勢能，實現(xiàn)能量的轉(zhuǎn)化，并將電能應(yīng)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(yīng)用

大型商場每天要接待大量顧客，而在商場門口應(yīng)用智能壓電發(fā)電路面，能夠根據(jù)顧客的重力引導(dǎo)智能壓電發(fā)電路面形成微弱的形變，進(jìn)而產(chǎn)生電能。

3.3大型停車場中的應(yīng)用

當(dāng)前，城市私家車數(shù)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(shè)置智能壓電發(fā)電路面，能夠在汽車重力的影響下產(chǎn)生電能，進(jìn)而為停車場的ETC設(shè)備提供穩(wěn)定的電能。

3.4迪廳中的應(yīng)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(yīng)用智能壓電發(fā)電路面，能夠提高發(fā)電效率。而且迪廳需要消耗較多的電能，該技術(shù)的應(yīng)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(fā)電技術(shù)與汽車輪胎的融合，能夠根據(jù)汽車行駛中的狀態(tài)發(fā)電，從而為汽車的供電系統(tǒng)提供電能，真正實現(xiàn)電能收集和循環(huán)利用，增大能量輸出和利用率，順應(yīng)了汽車行業(yè)的綠色節(jié)能發(fā)展趨勢。

4結(jié)語

現(xiàn)階段，我國的智能壓電發(fā)電路面研究依然不夠深入，處于初級階段。智能壓電發(fā)電路面一方面能夠保留傳統(tǒng)路面的功能，另一方面還可提供更加全面的交通數(shù)據(jù)，增大路面發(fā)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(lián)網(wǎng)交通建設(shè)和發(fā)展的過程中，必然會發(fā)揮出極為關(guān)鍵的作用，加快現(xiàn)代化城市進(jìn)程。

參考文獻(xiàn)：

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