用于路表机械能量回收之压电换能机研究

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1、用于路表机械能量回收之压电换能机研究第1章绪论1.1课题背景及研究的目的和意义近年来，我国汽车保有量迅速发展，截至2012年6月底，全国机动车总保有量达2.33亿辆，其中汽车1.14亿辆。我国已成为汽车大国，仅次于美国；同时公路建设发展迅猛，截至2011年底，全国公路网总里程达到410.64万公里，其中高速公路通车里程达到7.4　　用于路表机械能量回收之压电换能机研究第1章绪论1.1课题背景及研究的目的和意义近年来，我国汽车保有量迅速发展，截至2012年6月底，全国机动车总保有量达2.33亿辆，其中汽车1.14亿辆。我国已成为汽车大国，仅次于美国；同时公路建设发展迅猛，截至2

2、011年底，全国公路网总里程达到410.64万公里，其中高速公路通车里程达到7.4万公里[1]。此外随着城市规模及城市交通的快速发展，各种交通工具引起的路面振动和变形越来越多，路面具有可广泛利用的机械能[2,3,4]。如果将路面机械能转换为电能，不但可以产出清洁的电能，还可以减小路面的振动和变形，减少路面结构损伤，降低结构维护成本以及减少噪音污染等，具有良好的应用前景[5]。另一方面，利用路面的振动和变形可以实现高效、清洁能源的生产，在满足交通功能的基础上进行发电，用于道路交通标志、警示牌或路面附属设施供电，既环保又节能，尤其是用于边远地区和长途道路、危险路段、特大型桥梁隧道

3、的信号标识和信号灯等的供电，具有显著的经济效益和社会价值。压电材料是一类能够实现机械能与电能相互转换的功能材料。如何利用压电效应将环境中的机械能转化为电能已成为一个热点[6,7]。国内外压电材料在各个领域的电能收集的研究已有很多，如大气气流振动发电[8]、海洋洋流振动发电[9,10]、人流密集区踩踏发电、机械振动发电[11]等众多方面，是一种具有长远发展潜力的电能获取方式。最近，国内外也开展利用压电材料收集路面的机械能量的研究。如赵鸿铎等[12]对基于压电效应的沥青路面能量收集技术的可行性和效率进行探讨，验证了压电式路面能量收集技术的可行性，路面压电换能器的换能效率约为5%~

4、30%。黄如宝等[13]对目前压电发电路面的关键技术进行了总结，对比分析了车辆荷载作用下沥青路面及水泥混凝土路面中不同的压电换能器的压电转换效率，并在路面压电发电关键技术方面提出了对未来研究方向的展望，证明了利用压电发电技术收集水泥沥青路面中的机械能是可行的。1.2国内外研究概况压电能量收集技术应用于道路工程中用以收集人行步踏及车辆对路面产生的机械能是一个新的研究领域。基于压电效应的能量回收技术的研究主要是从压电材料的性能、影响发电能力以及能量回收的因素等方面的基础研究展开的，这些基础研究为压电材料在实际应用中的提供了理论基础，并决定了压电能量回收进一步的发展趋势，也为压电能

5、量回收技术在更广阔范围的应用打下了坚实基础。近年来，基于压电发电装置的能量回收技术越来越受到国内外众多学者的关注。到目前为止，国内外已经设计了几种不同的压电发电装置并进行了初步试验，结果表明，利用压电材料的压电效应可实现由于冲击和振动产生的机械能向电能的转化，并且输出功率能够满足某些使用要求，但在实际应用中还有许多关键问题需要解决，目前基于压电效应的能量回收技术研究主要集中在结构和材料、接口电路和储存元件、应用3个方面[16]，具体的说，主要包括压电材料研究与应用、高效机电耦合模态的研究、压电换能结构设计以及高效的电荷提取电路设计等方面[17]。这些关键技术的研究为压电换能器

6、的研究及基于机械能量回收技术的运用提供了技术基础。第2章压电基本理论及路用压电换能结构分析2.1压电效应与电发电机理利用压电材料的压电效应可实现由于冲击和振动产生的机械能向电能的转化，压电材料能够通过正压电效应完成从机械能到电能的转换，是压电发电装置的核心功能，具有力电耦合性，属于供能材料。压电陶瓷是人工制造的多晶体铁电材料。压电晶体中，正负离子排列的不对称和晶胞正负电荷重心的不重合形成电偶极矩，方向一致的电偶极矩在某些区域内有序排列成为电畴结构。电畴杂乱分布，轴方向完全是随机的，其极化效应被相互抵消，材料的极化强度为零；被直流电场极化后的电畴极化方向趋于同一方向，当外力作用

7、到压电材料上引起变形，材料内部正负束缚电荷的间距变小，极化强度也变小，原来吸附在电极上的自由电荷有部分被释放，出现放电现象称为正压电效应；在压电材料两极加一定场强度的电场，电场内的正负电荷间距变大，极化强度也变大，电极上又吸附部分自由电荷而出现充电现象，电荷在电路中移动可对外输出机械能，称为逆压电效应；正压电效应和逆压电效应统称为压电效应（Piezoelectric），具有压电效应的材料就叫压电材料[52]。事实上，正压电效应反映了压电元件将机械能转变为电能的能力，逆压电效应则反映了压电元件将电能转变为