王朝輝，趙建雄 長安大學(xué) 公路學(xué)院，西安 710064

智能壓電發(fā)電路面技術(shù)的發(fā)展與展望

王朝輝，趙建雄 長安大學(xué) 公路學(xué)院，西安 710064

導(dǎo)語：

新發(fā)明在某種程度上可能會(huì)像電燈一樣改變這個(gè)世界，當(dāng)前，一種智能壓電發(fā)電路面技術(shù)對路面建設(shè)領(lǐng)域的貢獻(xiàn)就有可能達(dá)到電燈點(diǎn)亮黑夜的“成就”。本期獨(dú)家視角將全面梳理當(dāng)前國內(nèi)外智能壓電發(fā)電路面的研究成果，從壓電發(fā)電路面實(shí)現(xiàn)的技術(shù)途徑、能量采集存儲(chǔ)及應(yīng)用環(huán)境等方面進(jìn)行全面調(diào)查評(píng)價(jià)，并嘗試指明未來壓電發(fā)電路面的研究及發(fā)展方向。

傳統(tǒng)一次性能源連續(xù)開發(fā)利用，不僅會(huì)伴隨環(huán)境污染、生態(tài)破壞問題，而且還將面臨能源短缺、枯竭的困狀，尋求清潔發(fā)電技術(shù)、優(yōu)化能源結(jié)構(gòu)是目前全社會(huì)正為之努力的方向。

壓電發(fā)電路面可通過壓電效應(yīng)將行車荷載下路面產(chǎn)生的部分機(jī)械振動(dòng)能量轉(zhuǎn)換為電能[1-2]，因而作為一種新型可再生清潔能源技術(shù)而備受國內(nèi)外的廣泛關(guān)注。近年來，伴隨材料學(xué)和制造技術(shù)的進(jìn)步，各國學(xué)者嘗試采用不同手段將壓電技術(shù)應(yīng)用于道路工程，多種路面壓電發(fā)電技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生，但實(shí)際能量輸出效果參差不齊，高效率壓電發(fā)電路面系統(tǒng)及其功能性拓展等方面的研究還不夠深入，遠(yuǎn)未形成一套可推廣應(yīng)用的壓電發(fā)電路面技術(shù)。本期讓我們?nèi)媸崂硪幌庐?dāng)前國內(nèi)外智能壓電發(fā)電路面的研究成果，從壓電發(fā)電路面的技術(shù)實(shí)現(xiàn)途徑、能量采集存儲(chǔ)及應(yīng)用環(huán)境等方面進(jìn)行全面調(diào)查評(píng)價(jià)，并嘗試指出未來壓電發(fā)電路面的研究及發(fā)展方向，以期為中國壓電發(fā)電路面的發(fā)展應(yīng)用提供借鑒與指導(dǎo)。

壓電發(fā)電路面技術(shù)途徑

路面壓電發(fā)電本質(zhì)上是借助壓電材料的正壓電效應(yīng)實(shí)現(xiàn)行車機(jī)械振動(dòng)能量到電能轉(zhuǎn)換的過程，按工作模式及技術(shù)性能的不同可分為壓電材料與路面材料一體化技術(shù)、壓電換能元件埋入式路面發(fā)電技術(shù)和基于集成式壓電裝置的路面發(fā)電技術(shù)3種。

壓電材料與路面材料一體化技術(shù)

基于壓電材料與路面材料一體化的發(fā)電路面是一種利用路用壓電復(fù)合材料直接鋪筑而成的壓電發(fā)電路面形式，其中路用壓電復(fù)合材料是決定一體化發(fā)電路面能量輸出的關(guān)鍵因素，該復(fù)合材料由路面材料和壓電材料復(fù)配后經(jīng)一定材料成型工藝制備而成[3]。

通過一體化技術(shù)可直接賦予筑路材料壓電性能，極大方便了后期壓電發(fā)電路面的鋪筑應(yīng)用，但在制備高效率路用壓電復(fù)合材料時(shí)存在技術(shù)難度大、干擾因素多等問題，現(xiàn)階段針對該技術(shù)的研究工作還較少。哈爾濱工業(yè)大學(xué)關(guān)新春等采用插排-澆筑法制備了以PZT為壓電相的1-3型水泥基壓電復(fù)合材料制品，試驗(yàn)驗(yàn)證該制品在錘擊作用下具有了微弱的電信號(hào)；哈爾濱工業(yè)大學(xué)譚憶秋等采用熱壓成型法制備了0-3型PZT/瀝青壓電復(fù)合材料，在動(dòng)態(tài)荷載響應(yīng)下能夠輸出7.2 V的電壓；筆者課題組以Tourmaline、PZT和石墨等材料為基體制備了d31、d33兩種形式的壓電瀝青混凝土，在絕緣處理、壓電材料纖維化、極化處理3種措施的綜合處置下輸出電壓達(dá)到了2.4 V[4-7]。由此可見，現(xiàn)階段囿于材料屬性和制備工藝，制備得到的壓電復(fù)合材料能量輸出效果欠佳，電壓輸出僅在10 V以下，輸出功率更為微弱，同時(shí)還面臨路用性能難以保證的難題。因此，在未來還需融合多學(xué)科知識(shí)從壓電新材料研發(fā)、極化方法與制備工藝優(yōu)化及路用性能提高等多方面開展重點(diǎn)研究，以提高路用壓電復(fù)合材料的綜合應(yīng)用性能。

壓電換能元件埋入式路面發(fā)電技術(shù)

壓電換能元件埋入式路面發(fā)電技術(shù)是將具有發(fā)電能力的壓電換能元件埋設(shè)于路面結(jié)構(gòu)內(nèi)部，在車輛荷載作用下發(fā)生應(yīng)力應(yīng)變進(jìn)而實(shí)現(xiàn)能量轉(zhuǎn)換的發(fā)電路面形式。相比于一體化發(fā)電技術(shù)它具有能量輸出量級(jí)高、可控性強(qiáng)、實(shí)施相對簡單等優(yōu)點(diǎn)，更有可能在未來實(shí)現(xiàn)路面壓電發(fā)電。

近年來，國內(nèi)外已對現(xiàn)有壓電換能結(jié)構(gòu)用于路面振動(dòng)能量采集的效果進(jìn)行了大量研究，其中堆疊式、薄片式和鈸式壓電換能結(jié)構(gòu)由于力電特性與道路環(huán)境比較契合而受到廣泛關(guān)注。堆疊式壓電換能元件由多層壓電陶瓷片以電學(xué)并聯(lián)或串聯(lián)方式堆疊而成（圖1），具有最高的換能效率和結(jié)構(gòu)剛度，理論上最適合行車荷載下的高應(yīng)力工作環(huán)境；薄片式壓電換能元件是由單層壓電陶瓷片和金屬基板組成的層狀結(jié)構(gòu)（圖2），換能效率次之，但結(jié)構(gòu)承載力很小，需加設(shè)保護(hù)措施后才能應(yīng)用于路面結(jié)構(gòu)中；鈸式壓電換能元件由2片鈸式金屬端帽夾持1層圓形壓電陶瓷片構(gòu)成（圖3），換能效率相對偏低，結(jié)構(gòu)剛度中等，在一定限度內(nèi)可滿足路用要求[6-7]。整體分析相關(guān)研究的能量輸出效果可知[8-10]，此種技術(shù)的電壓輸出較大，可達(dá)幾十乃至上百伏，但輸出功率不夠理想，大多局限在2 mW以內(nèi)。

圖1 堆疊式壓電換能元件

由此可見，壓電換能元件埋入式路面雖已初具能量采集的前景，但其能量輸出仍相對較小，未來研究中需進(jìn)一步結(jié)合道路特性對壓電換能元件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)進(jìn)行匹配優(yōu)化，以提高其能量輸出效果及與道路結(jié)構(gòu)的耦合度。針對這種情況，筆者課題組優(yōu)化改進(jìn)了堆疊式換能元件，并采用標(biāo)準(zhǔn)化的生產(chǎn)工藝制備了不同規(guī)格的路用堆疊式換能元件（圖4），初步實(shí)現(xiàn)了能量輸出的提升。同時(shí)，囿于單個(gè)換能元件能量輸出有限，要實(shí)現(xiàn)路面壓電發(fā)電能量的可觀輸出必須將一定數(shù)量的壓電元件按特定陣列鋪設(shè)于路面結(jié)構(gòu)中，若采取換能元件逐個(gè)埋置的方式，則面臨施工作業(yè)復(fù)雜、發(fā)電性能弱和結(jié)構(gòu)易損壞等問題，故基于換能元件集成的壓電裝置開發(fā)將是未來的研究重點(diǎn)。

圖2 薄片式壓電換能元件

圖3 鈸式壓電換能元件

基于集成式壓電裝置的路面發(fā)電技術(shù)

集成式壓電裝置是針對埋入式壓電發(fā)電路面存在的諸多問題進(jìn)行的改進(jìn)與發(fā)展，目前在國外已有部分研究成果見諸報(bào)道，如表1所示[11-20]。報(bào)道中，國外相關(guān)研究雖然已具有較好的壓電發(fā)電效果，但并未見被推廣應(yīng)用，且未有公開的設(shè)計(jì)與實(shí)施方法。此外，美國德克薩斯大學(xué)將多個(gè)3層PZT棱柱串聯(lián)封裝組成壓電裝置，測得10 Hz模擬行車荷載作用下其能量輸出功率為3.5 mW[21]。由于國內(nèi)起步較晚，目前鮮有實(shí)質(zhì)性的研究，僅在部分專利中有所涉及?；趯Σ牧弦惑w化技術(shù)和埋入式路面發(fā)電技術(shù)的研究探索，筆者課題組以提高壓電裝置能量輸出效果及與路面結(jié)構(gòu)、交通荷載條件的耦合度為目標(biāo)，研發(fā)并制作了幾種不同規(guī)格的壓電裝置（圖5、6），模擬標(biāo)準(zhǔn)軸載下能實(shí)現(xiàn)36 mW的電能輸出。

與一體化技術(shù)和換能元件埋入式路面發(fā)電技術(shù)相比，集成式壓電裝置發(fā)電技術(shù)發(fā)電效果顯著，是未來實(shí)現(xiàn)路面壓電發(fā)電的主流技術(shù)。因此，應(yīng)重點(diǎn)致力于高效率路用壓電發(fā)電裝置的研發(fā)，同時(shí)還應(yīng)從工作耐久性、維修便捷性及成本等諸多方面考慮，深入開展壓電裝置鋪設(shè)方式及長期綜合性能等方面的研究。

圖4 標(biāo)準(zhǔn)化生產(chǎn)的堆疊式壓電換能元件

表1 國外壓電發(fā)電路面報(bào)道案例

圖5 路面壓電發(fā)電裝置1

圖6 路面壓電發(fā)電裝置2

壓電發(fā)電路面能量采集存儲(chǔ)技術(shù)

壓電發(fā)電路面輸出的電信號(hào)紊亂交變，必須借助相匹配的能量采集電路才能轉(zhuǎn)化為穩(wěn)定的直流輸出[20]，進(jìn)而通過儲(chǔ)能裝置予以累積存儲(chǔ)方可應(yīng)用。然而，現(xiàn)有關(guān)于壓電能量采集電路的研究多是基于無線傳感器節(jié)點(diǎn)的能量采集電路設(shè)計(jì)，主要適用于懸臂梁結(jié)構(gòu)壓電振子連續(xù)、均勻正弦交流能量的采集[21-23]，如結(jié)構(gòu)簡單但輸出功率較低的經(jīng)典能量采集電路、輸出功率穩(wěn)定但實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的同步電荷提取電路以及僅在最佳負(fù)載下可實(shí)現(xiàn)最大功率采集的串并聯(lián)同步開關(guān)電感電路等，尚未開發(fā)出能高效匹配于道路壓電微能量特性的能量采集電路。筆者課題組針對上述現(xiàn)有能量采集電路存在的問題，基于最優(yōu)功率點(diǎn)跟蹤理論，以降低電路本身功耗、提高輸出電壓穩(wěn)定性以及控制負(fù)載輸出功率為出發(fā)點(diǎn)，開發(fā)出由整流濾波電路、DC-DC變換電路、LC濾波電路和PWM方波開關(guān)控制電路組合而成的壓電微能量采集電路，如圖7所示。經(jīng)試驗(yàn)驗(yàn)證，該電路相比經(jīng)典能量采集電路的輸出效果有了較大提升。從長遠(yuǎn)、整體角度看，如何解決能量采集存儲(chǔ)系統(tǒng)的適應(yīng)性與高效性問題十分重要，因此設(shè)計(jì)和完善與路面壓電發(fā)電特性相匹配的能量采集存儲(chǔ)系統(tǒng)仍是未來重點(diǎn)研究方向。

智能壓電發(fā)電路面系統(tǒng)應(yīng)用環(huán)境設(shè)計(jì)

路面壓電發(fā)電作為一種新型可再生清潔能源發(fā)電技術(shù)，能實(shí)現(xiàn)道路蘊(yùn)藏豐富機(jī)械振動(dòng)能量到電能的綠色轉(zhuǎn)換，整個(gè)過程安全無污染，工作穩(wěn)定，受環(huán)境干擾小，在中國道路交通網(wǎng)絡(luò)日趨完善、交通量持續(xù)增長的現(xiàn)狀下具有十分廣闊的應(yīng)用前景。一方面，壓電發(fā)電路面可根據(jù)不同應(yīng)用環(huán)境機(jī)電系統(tǒng)的用電需求直接為道路沿線的交通設(shè)施供能，如公路和隧道沿線的照明、監(jiān)控設(shè)施等，同時(shí)還可有效解決偏遠(yuǎn)地區(qū)供電不便的問題，如圖8所示；另一方面，基于壓電發(fā)電路面可衍生出一系列智能交通系統(tǒng)，如壓電發(fā)光型道路警示導(dǎo)引系統(tǒng)（圖9）、壓電發(fā)熱型道面融雪化冰系統(tǒng)（圖10）、壓電供能型充電樁系統(tǒng)及壓電供能型不停車充電系統(tǒng)（圖11）等。由此可見，壓電發(fā)電路面對于發(fā)展綠色交通、智慧交通具有十分積極的引導(dǎo)作用，而智能壓電發(fā)電路面系統(tǒng)的應(yīng)用也勢必改變傳統(tǒng)道路的建設(shè)方式；故在研發(fā)智能壓電發(fā)電路面系統(tǒng)的同時(shí)，還應(yīng)跟進(jìn)相關(guān)配套技術(shù)的研究，以在盡量減少對正常道路建設(shè)及其供配電系統(tǒng)鋪設(shè)影響的前提下，將壓電發(fā)電路面技術(shù)更好地融入常規(guī)道路交通環(huán)境中。

圖7 自主設(shè)計(jì)的壓電能量采集電路

圖8 壓電供電型道路照明系統(tǒng)

圖9 壓電發(fā)光型道路警示導(dǎo)引系統(tǒng)

展望

國內(nèi)外對路面壓電發(fā)電技術(shù)的探索研究已證明了壓電發(fā)電路面技術(shù)可行且前景廣闊，壓電材料與路面材料一體化技術(shù)和基于集成式壓電裝置的發(fā)電路面技術(shù)將是未來實(shí)現(xiàn)壓電發(fā)電路面技術(shù)的主流形式。壓電材料與路面材料一體化技術(shù)如若可以突破材料屬性和制備工藝的限制，未來將大有可為；而基于集成式壓電裝置的發(fā)電路面技術(shù)則有望在現(xiàn)階段取得突破性進(jìn)展，其研究重點(diǎn)應(yīng)在于提高壓電裝置能量輸出效果、提升與道路交通環(huán)境的耦合度及降低制作成本等方面。與此同時(shí)，壓電發(fā)電路面能量采集電路研究及儲(chǔ)供能自動(dòng)智能化管理系統(tǒng)的開發(fā)等也需在未來加大力度，為壓電發(fā)電路面系統(tǒng)及其衍生智能交通產(chǎn)品的應(yīng)用提供良好的孵化環(huán)境，以期早日實(shí)現(xiàn)智能壓電發(fā)電路面系統(tǒng)的推廣應(yīng)用，促進(jìn)綠色交通、智慧交通的良性發(fā)展。

圖10 壓電發(fā)熱型道面融雪化冰系統(tǒng)

圖11 壓電供能型不停車充電系統(tǒng)

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