基于压电效应的智能发电路面的应用研究

赵迎宾，孙哲雍东北大学秦皇岛分校

基于压电效应的智能发电路面的应用研究

赵迎宾，孙哲雍
东北大学秦皇岛分校

近年来，全球多个国家都开始研究压电效应技术和其应用场景，压电效应在我国多个行业中都有广泛的应用，本文主要介绍了压电效应在路面材料中的应用，智能发电路面的发电原理、特点、社会价值；着重分析了智能发电路面的应用前景，为智能发电路面在我国的研究及推广应用提供了支持。

压电效应；发电路面

一、引言

国内外普遍使用的发电式路面主要有三种：太阳能发电路面、风能发电路面和压电发电路面，其中最为可靠且效率最高的是压电发电[1]。随着我国工业化城市的快速建设，我国的不可再生能源短缺现象也日益严重。如何寻求新能源逐渐受到我国各领域学者的关注。其中基于压电效应的微能量收集技术成为新材料能源学者们的重点研究方向。该种技术是基于压电效应原理与能量守恒定律，通过施加外力使得压电陶瓷材料产生形变，将微弱变化的势能转换为电能，从而实现了能量的相互转换、储存与输出。道路作为城市交通系统中的重要设施，同时也蕴含着丰富的潜在能量。将压电效应运用到路面中，通过一定的制造合成工艺，可以将传统路面改造为智能发电路面，这样不仅保证了传统路面的基本功能，还可以使得路面具备很好的发电效益。

二、智能压电发电路面简介

智能压电发电路面是基于压电陶瓷和沥青一体化思想[2]，利用路面的车辆、行人等自身的重力作用在压电发电路面，通过压电效应，使得路面产生电能并进行储存、输出的系统[3]。智能发电路面的一般使用寿命在25-30年，其特点是在发电过程中，无污染、零碳排放，并且压电转换效率高，电能整体输出效益高。

智能发电路面不仅可以将产生的电能应用于交通系统中的耗能设施，比如红绿灯、公交站牌、广告显示屏等，还可以通过城市的供电网络将电能应用于周边居民用户。如果在城市中铺设足量的智能发电路面，在车流量、人流量足够的情况下，可以满足周边居民的日常耗电需求，从而大大节省了城市供电系统的电能使用，在一定程度上也减少了城市的碳排放量，为建设节能环保型城市作出贡献。

智能发电路面的价值不仅在于发电方面，更在于构建智慧城市交通系统。由于压电效应的电能产生与所受的压力是一种正相关关系，而智能发电路面内部的压电陶瓷材料（多为PZT压电陶瓷），因此，智能发电路面可以通过瞬时输出电压的大小，反向推算出所受压力的大致范围。由于路面的卡车、公交车、私家车等重力差别悬殊，从而可以依据反向推算的压力数值得知在某一时刻通过路面的是什么类型的车辆。这就获取了第一手的实时交通车流量信息，为智慧交通的构建提供了原始大数据。如果智能发电路面的铺设可以形成一定规模，则有望建设成基于智能压电发电路面的智慧城市交通系统。从而解决了我国交通的效率问题。此外，将由智能发电路面检测到的实时交通路况数据信息，和红绿灯系统进行有效结合，通过数学模型分析，使得红绿灯的秒数依据实时的路况车流量信息而确定出最佳的秒数值，则可以大大缓解城市中的交通拥堵问题。使得“互联网+智能发电路面+红绿灯”的基于车流量的交叉口信号灯控制系统变成可能，甚至可以成为治理交通拥堵的利器。

三、智能压电发电路面的应用前景分析

3.1 智能压电发电路面应用于火车站

在火车站进出口，由于高密度的人流量，可以将智能压电发电路面铺设于检票口、售票窗口、进出站口等，从而收集大量的势能，转换为电能，将电能输出于火车站的LED显示屏、广告位等耗能设备。

3.2 智能压电发电路面应用于大型商场

我国很多大型商场每天均会有很多的人流量，将智能压电发电路面运用到大型商场的门口，可以依据密集行走的人自身的重力，使得智能压电发电路面产生微弱的形变，从而产生电能。

3.3 智能压电发电路面应用于大型停车场

如果将智能压电发电路面应用于大型停车场，由于城市的私家车日益增多，在停车场每天都会有许多私家车进出，在停车场的出口处安放智能压电发电路面，则可以以汽车重力为原动力，产生稳定的电能，供给与停车场的ETC等设备使用。

3.4 智能压电发电路面应用于迪厅

在迪厅场所，在人跳舞的过程中，由于其自身的势能会稍微变大，相比普通人行走在智能压电发电路面的过程中，可以使得发电效益更高。并且迪厅场所耗电严重，将智能压电发电路面应用于迪厅场所，可以使得其耗电量明显降低。

3.5 智能压电发电路面和汽车轮胎相结合

将智能压电发电路面发电技术和汽车的轮胎进行有效结合，使得汽车的轮胎变为可以依据汽车行驶过程中进行发电的新型发电轮胎，就可以为汽车内部的供电系统提供一部分电能，实现了汽车自身微弱变化的重力势能转换为电能进行收集，并且重新加以利用。

四、结语

我国当下的智能压电发电路面研究仍旧处于起步阶段。笔者认为，智能压电发电路面不仅具备传统路面的基本功能属性，还具备了很好的发电效益以及交通数据价值，虽然在国内的研究处于萌芽阶段，但是在未来的应用和在构建智能物联网交通的环节中将会起到很大的作用。此外，智能压电发电路面在未来将被用于不同需求的场合与环境，为路面的安全性、舒适性及更高的服务质量做出更显著的贡献[4]，笔者相信智能发电路面一定会得到人们广泛的关注及应用。

[1]张之伟.车致路面变形能量收集研究[D].北京：北京交通大学,2014.

[2]李彦伟,陈森,王朝辉,刘志胜,封栋杰.智能发电路面技术现状及发展[J].材料导报，2015（07）

[3]赵鸿铎,梁颖慧,凌建明.基于压电效应的路面能量收集技术[J].上海交通大学学报，2011（S1）

[4]段利利,邢健.浅谈压电材料研究现状及发展趋势[J].山东工业技术，2015（22）

赵迎宾（1995-），男，河南安阳人，东北大学秦皇岛分校，专业：测控技术与仪器专业；

孙哲雍（1995-），男，山东青岛人，东北大学秦皇岛分校，专业：自动化专业。