陶瓷壓電式石墨烯除冰系統(tǒng)設計方法研究

楊纖婷，鄔學斌，周 迪，閔天潤

（武漢科技大學城市建設學院，湖北 武漢 430000）

中國地域遼闊，湖泊眾多，據(jù)統(tǒng)計，截至2019 年，我國公路橋梁數(shù)量已超過80 萬座，高鐵橋梁累積長度超過1 萬公里。然而冬季降雪后，由于高架橋懸空、空氣流通量大導致橋體溫度比地面溫度高，橋面溫差比地面溫差變化大，遇到冷空氣后就會結(jié)冰。所以，橋面在雪天氣溫低時要比其他路面更容易結(jié)冰。而冬季，即使沒有降雪，因通行的車輛較多，在輪胎的摩擦等作用下，橋面也易產(chǎn)生霜凍現(xiàn)象。流量較大的橋梁遇到冰雪天氣時，極易發(fā)生剮蹭和追尾事故。

在實際中，常見的除冰方式有三種，分別是人工除冰、機械除冰以及撒鹽除冰。但這三種方式都存在極大的弊端。人工除冰耗時長、人力消耗大，且響應不及時、效率低，很難快速解決結(jié)冰問題；機械除冰也存在局限性，大型的除冰器械難以移動，而小型的機器效率不夠高，同時還需要投入大量的人力物力；撒鹽除冰通常是指使用氯鹽降低雪水凝固點起到除冰作用的方法，這種方法經(jīng)濟、簡單、高效、快捷，但鹽水對橋梁結(jié)構(gòu)存在極大危害，鹽水透過橋面板縫隙侵入混凝土，氯鹽（離子）濃度升高會加快鋼筋的的腐蝕破壞，促使混凝土的凍融破壞和鹽的結(jié)晶破壞，同時促進混凝土中氫氧化鈣的析出，導致混凝土層開裂脫落，鋼筋銹蝕，結(jié)構(gòu)承載力下降，存在極大的安全隱患[1]。同時，以上三種方法都存在難以及時發(fā)現(xiàn)結(jié)冰地點和位置且響應速度慢的問題。

本設計采用電熱轉(zhuǎn)化方法，以石墨烯薄膜作為發(fā)熱體，利用車輛駛過陶瓷壓電片儲存的電能，達到除冰目的。

1 陶瓷壓電式石墨烯除冰系統(tǒng)設計

1.1 系統(tǒng)整體設計

本設計通過壓電效應產(chǎn)生能量提供給石墨烯層加熱橋面，從而達到橋面除冰的效果。整體效果圖及流程圖如圖1所示，系統(tǒng)主要由三部分組成，即發(fā)電模塊、蓄電及自動控制模塊、發(fā)熱模塊。

圖1 整體效果圖及流程圖

發(fā)電模塊由減速帶以及PZT 壓電陶瓷片組成。當汽車行駛過楔形減速帶后給減速帶一個向下的壓力，通過殼體傳遞給彈簧片，彈簧片向下將壓力傳遞給PZT 陶瓷壓電片，壓電片即產(chǎn)生正向壓電效應，通過正向壓電效應將所產(chǎn)生的電能儲存在蓄電單元中[2]，當溫度傳感器感應到溫度低于結(jié)冰溫度時，便會打開蓄電裝置向發(fā)電裝置的開關(guān)，將電能提供給石墨烯發(fā)熱使用。

發(fā)熱模塊即石墨烯發(fā)熱膜單元由導電接口、聚酯外殼、石墨烯薄膜三部分組成。石墨烯薄膜有高達12MPa 的拉伸強度和良好的柔韌性，以及室溫下20μm 的薄膜超高導電率（6000S/m）。作為一種優(yōu)良的發(fā)熱體，在融雪化冰研究中具有良好的表現(xiàn)和應用前景[3]。當室外溫度低于橋面結(jié)冰溫度后自動控制裝置將打開連接在蓄電池以及石墨烯層的開關(guān)，電流通過導電接口進入嵌入在聚酯外殼中的石墨烯薄膜，使得石墨烯電阻率大幅增大[4]，從而產(chǎn)生較多熱量。

1.2 設計方法優(yōu)勢分析

該設計方法將減速帶作為壓電陶瓷片的壓力來源，通過在橋路面上設置減速帶，利用車輛經(jīng)過減速帶的壓力來獲取壓力，既保證車輛行駛的速度要求，不額外增加車輛行駛障礙，同時也可獲得壓力源；設計采用石墨烯薄膜作為發(fā)熱元件，其熱導性能優(yōu)于常用金屬發(fā)熱元件，發(fā)熱性能高，拉伸性和柔韌性好，熱疲勞性好，不易被損壞，且發(fā)熱元件埋藏在路面層以下，在保持熱導性的基礎上避免了發(fā)熱元件受車輛碾壓損壞，很好地保護了發(fā)熱膜，延長了使用壽命；設計采用壓電陶瓷片作為發(fā)電裝置，不用額外供給能源，實現(xiàn)對車輛行駛過程中能耗的有效收集利用。

1.3 設計可行性分析

1.3.1 陶瓷壓電片發(fā)電量計算

本設計方案采用的壓電振子結(jié)構(gòu)單元為：長80mm，寬30mm，厚0.1mm。

相關(guān)參數(shù)：振源振動加速度為1.3g 時，對應的最大輸出電壓為4.8V，最大負載為30kΩ，最大輸出功率為0.24mW。

1.3.2 石墨烯發(fā)熱膜熱電轉(zhuǎn)換效率

石墨烯作為二維片面結(jié)構(gòu)的發(fā)熱材料，其電阻率比銅和銀更低，只有約10-6Ω·cm[5]。其熱電轉(zhuǎn)換率極高。以尺寸為100*100*1（cm）的石墨烯為例，其電阻為10-6Ω。其中石墨烯單元參數(shù)如表1 所示。

表1 石墨烯薄膜單元參數(shù)

1.3.3 復合傳導模型及可行性分析

圖2 為復合傳導層一維熱傳導理論模型，考慮路面結(jié)構(gòu)完整性，首層鋪設普通瀝青混凝土AC-13（2）。冰層比熱Cp=2.1KJ/（kg·°C），冰層導熱系數(shù)λ=2.22W/（m·℃），冰層對流傳熱系數(shù)h=0.02kw/m℃，冰層密度ρ=0.92g/cm3。

圖2 復合傳導層一維熱傳導理論模型

鋪設瀝青傳導層厚度為H2=10cm，由于4 為絕熱層，則可將傳熱過程視為一維向上的傳熱過程。

以南京市為例計算。南京市冬季平均溫度在2～11°C，冬季夜間平均溫度為2℃，則初始溫度t0=-2℃，末端溫度t冬=2℃，取橋面結(jié)冰厚度l=30mm。

壓電陶瓷片輸出電壓為4.8V，可得石墨烯發(fā)熱功率為

石墨烯發(fā)熱密度為2.03×106kW/m2>>68.188kW/m2，故壓電模塊產(chǎn)生的電能足夠供給冰面除冰所需的熱量。

2 結(jié)束語

本文針對傳統(tǒng)除冰方法的缺陷提出了一種基于陶瓷壓電式石墨烯的橋面發(fā)熱的除冰裝置，該裝置有效利用了汽車行駛中的機械能，未消耗額外的能量驅(qū)動裝置，綠色環(huán)保，節(jié)約能源；壓電裝置和減速帶結(jié)合安裝布置，結(jié)構(gòu)緊湊簡單，對路面車輛行駛過程幾乎沒有影響，且易于維修安裝和大力推廣投入應用；壓電裝置設置在減速帶內(nèi)，不受汽車直接碾壓，磨損量小，可使用壽命長；采用物理加熱方式除冰，相比傳統(tǒng)除冰方式，不會對橋體路面產(chǎn)生損壞；裝置能源來源為汽車行駛過減速帶產(chǎn)生的壓力，不受陽光、溫度、氣候的影響，運行干擾量小，運行情況穩(wěn)定；溫控傳感器實時檢查橋面溫度，全過程無需人工參與，自動性強；最后通過能量模型對于可行性的計算證明該裝置可行。