基于壓電發電原理的校園路面的可行性探究

靳霄微?朱銘?陳涵康?李曉?陳凱江

摘 要：在社會和經濟不斷發展的同時，我們也迎來了資源短缺，環境污染等問題，開發可利用的綠色新型能源，成為當今時代的熱點。本文通過分析學校特點和壓電效應的適用條件，算其作用下可以產生的效益，探究壓電發電路面在校園中的可行性，順應當今時代節能環保的主題。

關鍵詞：壓電效應;校園路面;電能

我們科技不斷進步的同時，也遇到了各種各樣的問題：交通事故數量的增加，資源短缺等等。為了實現國家可持續發展，我們國家在不斷向著綠色環保型方向發展。為了緩解我們的資源壓力，順應國家的可持續發展戰略，本文研究了一種在學校的路面發電的裝置系統，將該系統用于人流量和車流量較大的路段，在不影響路面使用狀況的同時還可以產生電能并儲存起來，供給學校的用電設施。

1 壓電效應

由于電介質在某些方向上受力內部產生極化現象從而產生電荷運動的現象稱為壓電效應，壓電效應的主要原理就是將機械能轉換為電能。受到壓力時，材料的兩端產生電荷生成電壓的材料稱之為壓電材料，根據給壓電材料施加不同的條件可以將壓電效應分為正壓電效應和負壓電效應：當對壓電材料施加壓力時，壓電材料為抵抗外力產生相反相等的電荷來保持壓電材料之前的狀態。當外力去掉之后，又恢復到不帶電的狀態，這就是正壓電效應;而逆壓電效應則是，在壓電材料極化的方向上施加外力產生變形的過程的同時再給其施加電場，壓電材料隨之發生變形，當電場去掉后，壓電材料的變形隨之消失。正壓電效應和逆壓電效應的原理圖如下圖所示：

考慮到不同的性能需求，可以將壓電材料按照串聯和并聯連接。兩種連接方式下產生的總電能是一樣的，但是在串聯方式下產生的輸出電流更大，而并聯方式下產生的輸出電壓更大，可以在為不同的電器供能的時候根據需要選擇不同的連接方式，不論是串聯還是并聯都可以產生很大的效益。而且學校的可用道路面積也很大，可以根據不同的用電裝置按照不同的連接方式安裝一定數量的壓電陶瓷，來達到我們的用電需求。

2 校園特點

以華北理工大學為例，校園路面大多以瀝青路面為主，有少量的磚石路面且具有很大面積的范圍。瀝青路面具有抗車轍，抗老化，耐候性好等特點會很好的保護壓電材料的不被損壞。當瀝青和不同的礦料混合料結合會產生不同的效能和作用。而且學校的路基很密實，穩定且均勻，具有很好的排水系統。另外學校的路面大都是很平整的路面，施工方面可以很方便。

在人流量方面，學校在校學生有三萬多人，每天上課的人流量更可以達到幾萬人次，尤其在一些人流量較大的路段，會產生很大的經濟效益。在車流量方面，學校在職員工六千人次，每天的上下班的電動車，私家車和班車不計其數，每輛車平均產生的壓力有40000牛，那每天產生的壓力就可達24×107N，再轉換為電力也會是一個可觀的數據。還有操場這種運動的場地，產生的壓力會更大，我們再將這些轉換的電力儲存起來，會有更加可觀的效益。所以，將壓電路面設在校園里具有很大的可行性。

3 產生發電量的效益分析

根據以往的計算和研究得出，不同重量的汽車和不同速度的汽車在輸出電能方面和獲得的電壓方面也是不同的，一般來說速度越快，重量越大的車輸出的電壓更高。

涉及到的公式有：

其中 F——豎向力Cp——壓電等效電容U——開路電壓 H——厚度Y——彈性模量A——橫截面積η——轉換功率

我們假設開路電壓為300V，每個壓電陶瓷的電容為4nF，一個盒子里面有12組電換能結構。，根據公式可以計算出產生的電能E=2.160mg。

那汽車對路面的做功：假設某普通轎車，單輪荷載為4KN，H盒子高度為8cm，E為彈性模量取盒子的整體模量為2GPa，盒子的橫截面積A=0.3×0.3=0.09m2，可以計算出小轎車單輪對盒子的做功：W=3.56mg

經計算，在每天一萬次碾壓路面的情況下，該壓電路段可轉換出電能大約為0.3kW·h，那一年產生的電量大概為109kW·h。若學校的路燈每年需要110W的電量，那每小時可以供990個路燈使用一年。而且，隨著技術的進步和發展，電能的轉換功率只會越來越高，儲存下來可用的電量會更多，那我們可以利用的資源就越來越多了，而這些的成本卻是微乎其微的。

4 結語

21世紀的今天，綠色能源越來越受人重視，更多的可持續發展的能源被發現并應用。壓電發電路面作為一種新型的可再生的綠色能源，具有巨大的經濟效益和廣闊的發展前景，同時也順應時代發展的腳步，符合我國的可持續發展政策。

參考文獻：

[1]張宇飛. 瀝青混凝土路面壓電微能量收集技術研究[D].長安大學，2018.

[2]周浩，許有熊，陳佩嘉.基于人體踏走的壓電發電裝置設計與分析[J].綠色科技，2017（06）：161-163.

[3]田野. 基于埋入式壓電陶瓷傳感器的車輛動態稱重研究[D].大連理工大學，2016.

[4]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，2015，29（07）：100-106.

[5]趙曉康. 壓電發電技術在道路應用中的可行性研究[D].長安大學，2013.

[6]方桂花，劉進峰，王興春.新型路面發電裝置的設計與初步研究[J].液壓與氣動，2011（11）：14-15.

指導老師：陳凱江

作者簡介：靳霄微，女，漢族，本科，華北理工大學建筑工程學院。