智能压电发电路面技术的发展与展望

王朝辉，赵建雄 长安大学 公路学院，西安 710064

智能压电发电路面技术的发展与展望

王朝辉，赵建雄 长安大学 公路学院，西安 710064

导语：

新发明在某种程度上可能会像电灯一样改变这个世界，当前，一种智能压电发电路面技术对路面建设领域的贡献就有可能达到电灯点亮黑夜的“成就”。本期独家视角将全面梳理当前国内外智能压电发电路面的研究成果，从压电发电路面实现的技术途径、能量采集存储及应用环境等方面进行全面调查评价，并尝试指明未来压电发电路面的研究及发展方向。

传统一次性能源连续开发利用，不仅会伴随环境污染、生态破坏问题，而且还将面临能源短缺、枯竭的困状，寻求清洁发电技术、优化能源结构是目前全社会正为之努力的方向。

压电发电路面可通过压电效应将行车荷载下路面产生的部分机械振动能量转换为电能[1-2]，因而作为一种新型可再生清洁能源技术而备受国内外的广泛关注。近年来，伴随材料学和制造技术的进步，各国学者尝试采用不同手段将压电技术应用于道路工程，多种路面压电发电技术应运而生，但实际能量输出效果参差不齐，高效率压电发电路面系统及其功能性拓展等方面的研究还不够深入，远未形成一套可推广应用的压电发电路面技术。本期让我们全面梳理一下当前国内外智能压电发电路面的研究成果，从压电发电路面的技术实现途径、能量采集存储及应用环境等方面进行全面调查评价，并尝试指出未来压电发电路面的研究及发展方向，以期为中国压电发电路面的发展应用提供借鉴与指导。

压电发电路面技术途径

路面压电发电本质上是借助压电材料的正压电效应实现行车机械振动能量到电能转换的过程，按工作模式及技术性能的不同可分为压电材料与路面材料一体化技术、压电换能元件埋入式路面发电技术和基于集成式压电装置的路面发电技术3种。

压电材料与路面材料一体化技术

基于压电材料与路面材料一体化的发电路面是一种利用路用压电复合材料直接铺筑而成的压电发电路面形式，其中路用压电复合材料是决定一体化发电路面能量输出的关键因素，该复合材料由路面材料和压电材料复配后经一定材料成型工艺制备而成[3]。

通过一体化技术可直接赋予筑路材料压电性能，极大方便了后期压电发电路面的铺筑应用，但在制备高效率路用压电复合材料时存在技术难度大、干扰因素多等问题，现阶段针对该技术的研究工作还较少。哈尔滨工业大学关新春等采用插排-浇筑法制备了以PZT为压电相的1-3型水泥基压电复合材料制品，试验验证该制品在锤击作用下具有了微弱的电信号；哈尔滨工业大学谭忆秋等采用热压成型法制备了0-3型PZT/沥青压电复合材料，在动态荷载响应下能够输出7.2 V的电压；笔者课题组以Tourmaline、PZT和石墨等材料为基体制备了d31、d33两种形式的压电沥青混凝土，在绝缘处理、压电材料纤维化、极化处理3种措施的综合处置下输出电压达到了2.4 V[4-7]。由此可见，现阶段囿于材料属性和制备工艺，制备得到的压电复合材料能量输出效果欠佳，电压输出仅在10 V以下，输出功率更为微弱，同时还面临路用性能难以保证的难题。因此，在未来还需融合多学科知识从压电新材料研发、极化方法与制备工艺优化及路用性能提高等多方面开展重点研究，以提高路用压电复合材料的综合应用性能。

压电换能元件埋入式路面发电技术

压电换能元件埋入式路面发电技术是将具有发电能力的压电换能元件埋设于路面结构内部，在车辆荷载作用下发生应力应变进而实现能量转换的发电路面形式。相比于一体化发电技术它具有能量输出量级高、可控性强、实施相对简单等优点，更有可能在未来实现路面压电发电。

近年来，国内外已对现有压电换能结构用于路面振动能量采集的效果进行了大量研究，其中堆叠式、薄片式和钹式压电换能结构由于力电特性与道路环境比较契合而受到广泛关注。堆叠式压电换能元件由多层压电陶瓷片以电学并联或串联方式堆叠而成（图1），具有最高的换能效率和结构刚度，理论上最适合行车荷载下的高应力工作环境；薄片式压电换能元件是由单层压电陶瓷片和金属基板组成的层状结构（图2），换能效率次之，但结构承载力很小，需加设保护措施后才能应用于路面结构中；钹式压电换能元件由2片钹式金属端帽夹持1层圆形压电陶瓷片构成（图3），换能效率相对偏低，结构刚度中等，在一定限度内可满足路用要求[6-7]。整体分析相关研究的能量输出效果可知[8-10]，此种技术的电压输出较大，可达几十乃至上百伏，但输出功率不够理想，大多局限在2 mW以内。

图1 堆叠式压电换能元件

由此可见，压电换能元件埋入式路面虽已初具能量采集的前景，但其能量输出仍相对较小，未来研究中需进一步结合道路特性对压电换能元件结构设计进行匹配优化，以提高其能量输出效果及与道路结构的耦合度。针对这种情况，笔者课题组优化改进了堆叠式换能元件，并采用标准化的生产工艺制备了不同规格的路用堆叠式换能元件（图4），初步实现了能量输出的提升。同时，囿于单个换能元件能量输出有限，要实现路面压电发电能量的可观输出必须将一定数量的压电元件按特定阵列铺设于路面结构中，若采取换能元件逐个埋置的方式，则面临施工作业复杂、发电性能弱和结构易损坏等问题，故基于换能元件集成的压电装置开发将是未来的研究重点。

图2 薄片式压电换能元件

图3 钹式压电换能元件

基于集成式压电装置的路面发电技术

集成式压电装置是针对埋入式压电发电路面存在的诸多问题进行的改进与发展，目前在国外已有部分研究成果见诸报道，如表1所示[11-20]。报道中，国外相关研究虽然已具有较好的压电发电效果，但并未见被推广应用，且未有公开的设计与实施方法。此外，美国德克萨斯大学将多个3层PZT棱柱串联封装组成压电装置，测得10 Hz模拟行车荷载作用下其能量输出功率为3.5 mW[21]。由于国内起步较晚，目前鲜有实质性的研究，仅在部分专利中有所涉及。基于对材料一体化技术和埋入式路面发电技术的研究探索，笔者课题组以提高压电装置能量输出效果及与路面结构、交通荷载条件的耦合度为目标，研发并制作了几种不同规格的压电装置（图5、6），模拟标准轴载下能实现36 mW的电能输出。

与一体化技术和换能元件埋入式路面发电技术相比，集成式压电装置发电技术发电效果显著，是未来实现路面压电发电的主流技术。因此，应重点致力于高效率路用压电发电装置的研发，同时还应从工作耐久性、维修便捷性及成本等诸多方面考虑，深入开展压电装置铺设方式及长期综合性能等方面的研究。

图4 标准化生产的堆叠式压电换能元件

表1 国外压电发电路面报道案例

图5 路面压电发电装置1

图6 路面压电发电装置2

压电发电路面能量采集存储技术

压电发电路面输出的电信号紊乱交变，必须借助相匹配的能量采集电路才能转化为稳定的直流输出[20]，进而通过储能装置予以累积存储方可应用。然而，现有关于压电能量采集电路的研究多是基于无线传感器节点的能量采集电路设计，主要适用于悬臂梁结构压电振子连续、均匀正弦交流能量的采集[21-23]，如结构简单但输出功率较低的经典能量采集电路、输出功率稳定但实现复杂的同步电荷提取电路以及仅在最佳负载下可实现最大功率采集的串并联同步开关电感电路等，尚未开发出能高效匹配于道路压电微能量特性的能量采集电路。笔者课题组针对上述现有能量采集电路存在的问题，基于最优功率点跟踪理论，以降低电路本身功耗、提高输出电压稳定性以及控制负载输出功率为出发点，开发出由整流滤波电路、DC-DC变换电路、LC滤波电路和PWM方波开关控制电路组合而成的压电微能量采集电路，如图7所示。经试验验证，该电路相比经典能量采集电路的输出效果有了较大提升。从长远、整体角度看，如何解决能量采集存储系统的适应性与高效性问题十分重要，因此设计和完善与路面压电发电特性相匹配的能量采集存储系统仍是未来重点研究方向。

智能压电发电路面系统应用环境设计

路面压电发电作为一种新型可再生清洁能源发电技术，能实现道路蕴藏丰富机械振动能量到电能的绿色转换，整个过程安全无污染，工作稳定，受环境干扰小，在中国道路交通网络日趋完善、交通量持续增长的现状下具有十分广阔的应用前景。一方面，压电发电路面可根据不同应用环境机电系统的用电需求直接为道路沿线的交通设施供能，如公路和隧道沿线的照明、监控设施等，同时还可有效解决偏远地区供电不便的问题，如图8所示；另一方面，基于压电发电路面可衍生出一系列智能交通系统，如压电发光型道路警示导引系统（图9）、压电发热型道面融雪化冰系统（图10）、压电供能型充电桩系统及压电供能型不停车充电系统（图11）等。由此可见，压电发电路面对于发展绿色交通、智慧交通具有十分积极的引导作用，而智能压电发电路面系统的应用也势必改变传统道路的建设方式；故在研发智能压电发电路面系统的同时，还应跟进相关配套技术的研究，以在尽量减少对正常道路建设及其供配电系统铺设影响的前提下，将压电发电路面技术更好地融入常规道路交通环境中。

图7 自主设计的压电能量采集电路

图8 压电供电型道路照明系统

图9 压电发光型道路警示导引系统

展望

国内外对路面压电发电技术的探索研究已证明了压电发电路面技术可行且前景广阔，压电材料与路面材料一体化技术和基于集成式压电装置的发电路面技术将是未来实现压电发电路面技术的主流形式。压电材料与路面材料一体化技术如若可以突破材料属性和制备工艺的限制，未来将大有可为；而基于集成式压电装置的发电路面技术则有望在现阶段取得突破性进展，其研究重点应在于提高压电装置能量输出效果、提升与道路交通环境的耦合度及降低制作成本等方面。与此同时，压电发电路面能量采集电路研究及储供能自动智能化管理系统的开发等也需在未来加大力度，为压电发电路面系统及其衍生智能交通产品的应用提供良好的孵化环境，以期早日实现智能压电发电路面系统的推广应用，促进绿色交通、智慧交通的良性发展。

图10 压电发热型道面融雪化冰系统

图11 压电供能型不停车充电系统

[1] 黄如宝,牛衍亮,赵鸿铎,等.道路压电能量收集技术途径与研究展望[J].中国公路学报,2012, 25(6):1-8.

[2] 李彦伟,陈 森,王朝辉,等.智能发电路面技术现状及发展[J].材料导报,2015,29(7):100-106.

[3] 王朝辉,王海梁,李彦伟,等.压电材料与路面材料一体化发电路面技术研究[J].公路交通科技,2016,33(11):14-19.

[4] 关新春,刘彦昌,李 惠,等.1-3型水泥基压电复合材料的制备与性能研究[J].防灾减灾工程学报,2010,30(S1):345-347.

[5] 谭忆秋,钟 勇,吕建福,等.路面用PZT/沥青压电复合材料的制备及性能[J].建筑材料学报,2013, 16(6):975-980.

[6] 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,2011,45(S):62-66.

[7] 王朝辉,陈 森,李彦伟,等.智能发电路面压电元件保护措施设计及能量输出[J].中国公路学报,2016,29(5):41-49.

[8] 赵晓康.压电发电技术在道路应用中的可行性研究[D].西安:长安大学,2013.

[9] 钟 勇.用于路面机械能量回收的压电换能器研究[D].哈尔滨:哈尔滨工业大学,2013.

[10] 孙春华,杜建红,汪红兵,等.路面振动压电俘能器的性能分析[J].压电与声光,2013,35(4):556-560.

[15] 臧 曦.压电装置的机电转换性能有限元分析[D].武汉:武汉理工大学,2012.

[19] 黄 斌,魏 亚,路凯冀,等.堆栈式压电换能器在路面振动环境中的输出效能研究[J].公路交通科技,2016,33(8):37-43.

[20] 李彦伟,殷卫永,王朝辉,等.道路压电微能量采集电路开发及应用效果研究[J].中国科技论文, 2016,11(8):880-885.

[21] 刘 超.振动微能量收集管理系统的研究[D].成都:电子科技大学, 2014.

[22] 郭抗抗,曹树谦.压电发电悬臂梁的非线性动力学建模及响应分析[J].动力学与控制学报, 2014,12(1):18-23.

[23] 李小强.悬臂梁压电陶瓷发电装置发电性能研究及结构优化[D].兰州:兰州理工大学,2016.