李彥偉， 王朝輝， 石 鑫， 陳 森， 封棟杰

(1. 同濟(jì)大學(xué) 道路與交通工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海 201804；2. 長(zhǎng)安大學(xué) 公路學(xué)院，西安 710064；3. 石家莊市交通運(yùn)輸局，石家莊 050051)

在當(dāng)前能源緊缺和氣候變暖的嚴(yán)峻形勢(shì)下，尋求清潔能源發(fā)電技術(shù)、優(yōu)化能源結(jié)構(gòu)已成為社會(huì)可持續(xù)發(fā)展的迫切要求，開發(fā)壓電發(fā)電路面將道路行車機(jī)械能進(jìn)行收集利用將帶來(lái)巨大的經(jīng)濟(jì)與社會(huì)效益。目前，壓電發(fā)電路面主要通過(guò)在路面結(jié)構(gòu)內(nèi)埋置壓電換能器實(shí)現(xiàn)能量的轉(zhuǎn)化[1-3]，以色列Innowattech公司基于壓電材料鋪筑了一條發(fā)電路面試驗(yàn)路，據(jù)測(cè)算1 km可產(chǎn)生約100～500 kW·h[4-5]，但建設(shè)費(fèi)用昂貴，尚未見諸應(yīng)用；Moure等[6]研究了鈸式換能器用于道路機(jī)械能量采集的效果，并通過(guò)室內(nèi)試驗(yàn)對(duì)部分結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行了優(yōu)化改進(jìn)；Najini等[7]優(yōu)選了適用于道路機(jī)械能采集的壓電陶瓷類型，對(duì)現(xiàn)有壓電換能器用于發(fā)電路面的可行性進(jìn)行了理論研究；Sun等[8]利用有限元軟件分析了鈸式換能器材料組成、結(jié)構(gòu)尺寸和埋設(shè)深度對(duì)瀝青路面俘能效果的影響規(guī)律；王朝輝等[9]從道路耦合性、能量收集等角度對(duì)薄片式壓電元件進(jìn)行了結(jié)構(gòu)改進(jìn)和保護(hù)措施設(shè)計(jì)，并對(duì)能量采集電路進(jìn)行了初步研究。然而，現(xiàn)階段所做研究多是直接利用現(xiàn)有壓電換能器或是對(duì)其簡(jiǎn)單改進(jìn)后的基礎(chǔ)性探索試驗(yàn)，且試驗(yàn)條件較簡(jiǎn)單、溫和，能量輸出量級(jí)較小，而缺乏針對(duì)復(fù)雜道路工作環(huán)境的換能結(jié)構(gòu)優(yōu)化及制備，尚未有可以高效匹配于路面發(fā)電的壓電換能器。

本文針對(duì)上述問(wèn)題，優(yōu)選出適用于道路發(fā)電的壓電俘能單元結(jié)構(gòu)形式并優(yōu)化結(jié)構(gòu)尺寸，改進(jìn)壓電陶瓷片層間印膠工藝，形成路用堆疊式俘能單元成套制作工藝，制備出8種不同規(guī)格的壓電俘能單元，借助力學(xué)性能試驗(yàn)評(píng)估結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，自主開發(fā)壓電俘能單元測(cè)試夾具并搭建發(fā)電性能模擬測(cè)試系統(tǒng)，全面研究不同規(guī)格壓電俘能單元在不同荷載工況下的發(fā)電能力，制作典型結(jié)構(gòu)發(fā)電路面小尺寸試件，探究壓電俘能單元的實(shí)際應(yīng)用效果，以期為實(shí)現(xiàn)壓電發(fā)電路面的應(yīng)用奠定基礎(chǔ)。

1 路用壓電俘能單元結(jié)構(gòu)優(yōu)選與參數(shù)優(yōu)化

不同結(jié)構(gòu)形態(tài)壓電俘能單元的發(fā)電性能和力學(xué)性質(zhì)差異明顯，應(yīng)根據(jù)道路環(huán)境特點(diǎn)優(yōu)選出適用于路面發(fā)電的俘能單元結(jié)構(gòu)形式，以實(shí)現(xiàn)壓電發(fā)電技術(shù)與道路工程的有效結(jié)合。

1.1 壓電俘能單元結(jié)構(gòu)優(yōu)選

壓電俘能單元埋設(shè)于路面結(jié)構(gòu)內(nèi)部，在車輛荷載作用下發(fā)生應(yīng)力變形實(shí)現(xiàn)能量轉(zhuǎn)換，將長(zhǎng)期處于高應(yīng)力、低頻振動(dòng)的復(fù)雜工作環(huán)境中，同時(shí)在發(fā)電路面施工時(shí)還面臨更大沖擊力作用，故要求壓電俘能單元結(jié)構(gòu)在保證良好發(fā)電性能的同時(shí)兼具有足夠的力學(xué)強(qiáng)度。

在道路領(lǐng)域，相關(guān)學(xué)者已對(duì)Cymbal(鈸型)、Bridge(橋型)、Thunder(拱型)、Moonie(月牙型)、Multilayer(多層型)、MFC(纖維板型)和Bimorph(懸臂梁型)等現(xiàn)有換能器類型用于路面發(fā)電的可行性進(jìn)行了較多研究，梳理其主要技術(shù)性質(zhì)如表1所示[10-13]。

表1 現(xiàn)有壓電換能器技術(shù)性質(zhì)

由表1可知，現(xiàn)有壓電換能器應(yīng)用于道路工程時(shí)均存在不同技術(shù)缺陷：拱型、纖維板型和懸臂梁型壓電換能器剛度較低，難以滿足道路發(fā)電的力學(xué)要求；鈸型、橋型和月牙型換能器整體表現(xiàn)為不規(guī)則立體形狀，應(yīng)用于道路結(jié)構(gòu)時(shí)難以有效固定且承載能力有限，同時(shí)制作工藝復(fù)雜、成本較高；多層型換能器雖然具有力電轉(zhuǎn)換效率高、剛度大、結(jié)構(gòu)規(guī)整等優(yōu)點(diǎn)，但由于自身剛度和PZT(Lead Zirconate Titanate)厚度的限制，在道路環(huán)境中使用時(shí)輸出電壓十分微小，力電轉(zhuǎn)換獲得的能量較少。

由上述分析可知，若能解決現(xiàn)有多層型壓電換能器電壓輸出較小、能量轉(zhuǎn)化量較低的問(wèn)題，則可實(shí)現(xiàn)其在道路環(huán)境中的有效應(yīng)用。而電壓輸出與單層壓電陶瓷片的厚度直接相關(guān)，故可考慮通過(guò)增加單片壓電陶瓷厚度，提升結(jié)構(gòu)的整體輸出電壓，從而有效提升其輸出能量量級(jí)，此種結(jié)構(gòu)基于多層型壓電換能器演變而來(lái)，常稱之為堆疊式壓電結(jié)構(gòu)。由于堆疊式壓電結(jié)構(gòu)可在保有多層型換能器結(jié)構(gòu)優(yōu)點(diǎn)的基礎(chǔ)上，有效提高電壓輸出效果，同時(shí)還可通過(guò)內(nèi)部電路連接改變自身電容和內(nèi)部阻抗，進(jìn)而提升低頻狀態(tài)下的能量轉(zhuǎn)換效率[14-15]，因此綜合考慮結(jié)構(gòu)剛度、規(guī)整性與輸出電壓、發(fā)電量及匹配電阻等方面，堆疊式壓電俘能結(jié)構(gòu)更契合于高應(yīng)力、低頻振動(dòng)的道路壓電發(fā)電工作環(huán)境。但目前鮮有其應(yīng)用于道路發(fā)電的研究，故本文采用了堆疊式壓電結(jié)構(gòu)開展相關(guān)研究，其中各層壓電陶瓷間采用并聯(lián)連接，如圖1所示。

1.2 堆疊式壓電俘能單元結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化

壓電俘能單元作為埋設(shè)在路面內(nèi)部的能量轉(zhuǎn)換構(gòu)件，其結(jié)構(gòu)參數(shù)不僅對(duì)能量轉(zhuǎn)換效率影響顯著，還直接影響著路面的路用性能，若尺寸過(guò)大則易破壞路面結(jié)構(gòu)的完整性，故應(yīng)綜合考慮力-電轉(zhuǎn)換效率、工作耐久性及與道路結(jié)構(gòu)的一體性等方面進(jìn)行結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化。

圖1 堆疊式壓電發(fā)電結(jié)構(gòu)

1.2.1 堆疊式壓電俘能單元的力電轉(zhuǎn)換公式

壓電俘能單元在路面結(jié)構(gòu)內(nèi)受與壓電陶瓷極化方向一致的道路壓應(yīng)力作用而輸出電能，其力電轉(zhuǎn)換模式為d33型，依據(jù)壓電方程推導(dǎo)出并聯(lián)堆疊式壓電俘能單元在交變荷載F下激發(fā)的理論電荷量Q為

Q=nd33F

(1)

式中：n為并聯(lián)壓電陶瓷的片數(shù)；d33為壓電應(yīng)變常數(shù)。

壓電俘能單元的固有電容C0為

(2)

壓電俘能單元產(chǎn)生的電壓U0為

(3)

則壓電俘能單元通過(guò)壓電效應(yīng)轉(zhuǎn)換的電能E0為

(4)

式中：T為F作用在壓電俘能單元上的垂向應(yīng)力。

從能量收集角度出發(fā)，壓電俘能單元轉(zhuǎn)換得到的能量需要通過(guò)外接電容C1進(jìn)行電荷收集，此時(shí)俘能單元產(chǎn)生的電荷Q將在固有電容C0和外接電容C1上重新分配，匹配外接電容的大小則會(huì)直接影響到俘能單元的能量輸出效果，設(shè)充電結(jié)束達(dá)到平衡狀態(tài)時(shí)的電壓為U1，則由電荷守恒計(jì)算可得

(5)

結(jié)合式(4)計(jì)算壓電俘能單元的能量輸出效率β為

(6)

由式(6)可知，當(dāng)外接電容C1和固有電容C0相等時(shí)，壓電俘能單元的能量輸出效率最大，而實(shí)際中限于陶瓷材料屬性限制，俘能單元的固有電容較為微小，故壓電俘能單元的結(jié)構(gòu)參數(shù)應(yīng)有利于增加其固有電容，以提高俘能單元的能量輸出效率。

1.2.2 壓電俘能單元直徑優(yōu)化

由上述力電轉(zhuǎn)換公式可知，保持其他變量不變時(shí)，俘能單元的固有電容、可轉(zhuǎn)換電能大小均與其直徑長(zhǎng)短成正比，但輸出電壓大小與直徑長(zhǎng)短成反比，從能量采集電路角度分析，不同類型能量采集電路的最小電壓輸入通常為幾伏[16]，這就要求俘能單元的輸出電壓不宜過(guò)小，因此俘能單元的直徑并不是越大越好，同時(shí)考慮到路面結(jié)構(gòu)完整性和工作耐久性還應(yīng)要求俘能單元直徑尺寸越小越好。由于以上因素，直徑確定時(shí)呈現(xiàn)出矛盾關(guān)系，而相關(guān)研究中多是通過(guò)軟件仿真對(duì)某一直徑俘能單元應(yīng)用效果的驗(yàn)證性試驗(yàn)，但由于材料類型、結(jié)構(gòu)形式及路面結(jié)構(gòu)參數(shù)復(fù)雜多變，目前尚未有明確的設(shè)計(jì)原則，為此本文廣泛調(diào)查了目前已有壓電發(fā)電路面的研究成果，以期為直徑確定提供一定參考，調(diào)查結(jié)果匯總?cè)绫?所示[17-21]。

表2 已有壓電發(fā)電路面研究成果調(diào)查匯總

由表2可知，目前用于發(fā)電路面的壓電陶瓷片直徑約為30 mm，不過(guò)由于采用的材料類型、換能器結(jié)構(gòu)及試驗(yàn)條件不同，能量輸出效果差異較大，但基本都具備了能量采集的前景，故為與現(xiàn)有研究成果形成對(duì)比，本文將壓電陶瓷片的直徑尺寸初定為30 mm。

1.2.3 壓電俘能單元結(jié)構(gòu)厚度優(yōu)化

發(fā)電路面施工時(shí)壓電陶瓷必然會(huì)與石料直接接觸，石料棱角產(chǎn)生的應(yīng)力集中現(xiàn)象極易造成壓電陶瓷損壞，故應(yīng)在俘能單元上下表面加設(shè)一層剛性金屬保護(hù)基板。因此，俘能單元的厚度組成主要來(lái)自保護(hù)層厚度和壓電陶瓷片厚度，忽略黏結(jié)劑的影響，堆疊式壓電俘能單元的總厚度H為

H=2h1+nh

(7)

式中：h1為保護(hù)基板厚度，多采用剛性銅板，可在0.2～0.5 mm內(nèi)取值，本文選用的厚度為0.2 mm。

若允許壓電俘能單元的最大安裝高度為L(zhǎng)(考慮到俘能單元厚度對(duì)路面結(jié)構(gòu)完整性的影響，取L=10 mm)，則H≤L，由式(7)可得

(8)

由式(4)可知，在壓電俘能單元總厚度一定時(shí)，其總電能轉(zhuǎn)換量與單層壓電陶瓷的片數(shù)和厚度無(wú)關(guān)，而由式(2)可知，俘能單元固有電容隨厚度與其橫截面面積比值的增加而減少，即面積一定時(shí)單片壓電陶瓷的厚度越小儲(chǔ)能越多，可認(rèn)為俘能單元存儲(chǔ)的電荷量與壓電陶瓷層數(shù)成正比，故在面積已確定前提下，壓電陶瓷片厚度h應(yīng)取較小值，以使n取較大值，但h值過(guò)小時(shí)，壓電陶瓷輸出電壓較弱且結(jié)構(gòu)強(qiáng)度小，制作及應(yīng)用過(guò)程中易破壞，同時(shí)厚度h與經(jīng)濟(jì)成本成正比。因此，綜合考慮以上因素可將壓電片厚度h控制在0.5～1.0 mm，本文采用0.5 mm和1.0 mm兩種規(guī)格進(jìn)行試驗(yàn)。

綜上所述，本文采用的路用堆疊式壓電俘能單元結(jié)構(gòu)參數(shù)如下：壓電陶瓷片直徑為30 mm，厚度為0.5 mm或1.0 mm；金屬保護(hù)基板直徑為30 mm，厚度為0.2 mm。

2 路用堆疊式壓電俘能單元制備

堆疊式壓電俘能單元的發(fā)電性能和力學(xué)強(qiáng)度受壓電陶瓷類型、層間黏結(jié)強(qiáng)度及電學(xué)導(dǎo)通性等因素影響顯著，與原材料選擇和制備工藝直接相關(guān)。

2.1 壓電陶瓷與輔助材料選擇

壓電陶瓷類型選擇應(yīng)以力-電轉(zhuǎn)換效率為基本出發(fā)點(diǎn)，選擇具有高機(jī)電耦合系數(shù)和高壓電常數(shù)的類型[22]，基于此并結(jié)合表2已有研究成果定制了涂布有銀電極的PZT-5H壓電陶瓷片，其具體技術(shù)指標(biāo)如表3所示。

表3 PZT-5H壓電陶瓷材料技術(shù)指標(biāo)

壓電俘能單元應(yīng)用時(shí)面臨復(fù)雜的道路工作環(huán)境，在瀝青路面施工時(shí)需承受高溫高壓作用，使用期間則需長(zhǎng)期經(jīng)受不同軸載車輛的復(fù)雜應(yīng)力作用，故要求壓電俘能單元具備優(yōu)異力學(xué)性能的同時(shí)還應(yīng)具備出色的耐高溫、耐久性能，而層間黏結(jié)劑和外部封裝材料則是形成俘能單元整體結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的關(guān)鍵因素。因此，選擇層間黏結(jié)劑和封裝材料時(shí)應(yīng)兼顧黏結(jié)強(qiáng)度、耐高溫性能、凝固時(shí)間等因素，綜合比選后確定層間黏結(jié)劑為3M-DP460環(huán)氧樹脂膠，封裝材料為618#環(huán)氧樹脂膠。此外，本文采用了0.03 mm厚的紫銅箔作為層間電極層，采用了0.2 mm厚的鈹青銅板作為壓電俘能單元的上下剛性保護(hù)板。

2.2 路用堆疊式壓電俘能單元制備

堆疊式壓電結(jié)構(gòu)可采用兩種工藝制作：黏結(jié)法和燒結(jié)法，燒結(jié)法是將壓電陶瓷粉體與電極層疊加后一次燒結(jié)成型，整體結(jié)構(gòu)性能優(yōu)異，但加工技術(shù)苛刻且成本高昂，一般用于工業(yè)化大規(guī)模生產(chǎn)；黏結(jié)法則是通過(guò)制作已涂電極層的成品壓電陶瓷片，繼而在其表面粘貼電極層，焊接并引出導(dǎo)線，按照所需層數(shù)疊加黏結(jié)而成，技術(shù)要求和制作成本相對(duì)較低。本文采用優(yōu)化了的黏結(jié)法制備路用堆疊式壓電俘能單元，主要工藝如下：

① 表面處理。黏結(jié)前將電極層及保護(hù)銅板用壓板夾緊以保證平整性，先將其置于320 °C環(huán)境中加熱2 h，冷卻至室溫后用砂紙打磨除去紫銅箔電極的表面氧化層，并使用丙酮溶液擦拭電極層、保護(hù)銅板和壓電陶瓷電極表面，保證表面潔凈、無(wú)雜質(zhì)。

② 層間絲網(wǎng)印膠。傳統(tǒng)涂膠方式易出現(xiàn)上膠不均勻等問(wèn)題而導(dǎo)致層間出現(xiàn)氣泡，降低了層間黏結(jié)強(qiáng)度和電學(xué)導(dǎo)通性，為此本文引進(jìn)絲網(wǎng)印刷技術(shù)涂抹層間黏結(jié)劑，其技術(shù)原理為：定制印版(根據(jù)實(shí)際需求在基板上制作出可通過(guò)膠水的孔眼，其余部分封堵)，如圖2所示，借助外界壓力使膠水通過(guò)印版孔眼轉(zhuǎn)移到陶瓷片上，形成一層厚度薄、均勻性好、無(wú)氣泡的膠層，膠層厚度可控制在0.01～0.015 mm，印膠前后對(duì)比效果如圖3所示。

圖2 絲網(wǎng)印版

③ 壓電陶瓷黏結(jié)及固結(jié)。黏結(jié)時(shí)按照壓電陶瓷正極接正極、負(fù)極接負(fù)極的原則，將金屬電極與壓電陶瓷上下對(duì)齊迅速貼合，疊加完成后在表面放置500 g砝碼，并置于90 ℃恒溫條件下加壓固化。

圖3 印膠前后對(duì)比效果

④焊接導(dǎo)線及封裝。將層間電極分別進(jìn)行正、負(fù)極搭接，在正、負(fù)極總輸出端分別焊接細(xì)導(dǎo)線，放入定制的固封結(jié)構(gòu)中，在壓電堆疊側(cè)面灌封618#環(huán)氧樹脂黏稠體進(jìn)行壓電堆疊單元的封裝，封裝完成前后的堆疊式壓電俘能單元，如圖4所示。

(a)封裝前(b)封裝后

圖4 堆疊式壓電俘能單元

Fig.4 Piezoelectric stack harvesting unit

基于上述制作工藝，本文制備了8種不同規(guī)格的路用堆疊式壓電俘能單元，具體尺寸規(guī)格如表4所示。

表4 堆疊式壓電俘能單元的規(guī)格尺寸表

3 路用堆疊式壓電俘能單元應(yīng)用結(jié)構(gòu)強(qiáng)度研究

堆疊式壓電俘能單元作為實(shí)現(xiàn)道路機(jī)械振動(dòng)能量到電能轉(zhuǎn)換的核心元件，在發(fā)電路面施工及應(yīng)用過(guò)程中承受著復(fù)雜的應(yīng)力作用，可靠的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度是實(shí)現(xiàn)功能效果發(fā)揮的重要前提。

3.1 堆疊式壓電俘能單元力學(xué)性能測(cè)試

行車荷載產(chǎn)生的道路壓應(yīng)力是促使壓電堆疊俘能單元產(chǎn)生電能的直接激勵(lì)因素，俘能單元在受壓過(guò)程中首先產(chǎn)生彈性變形，此時(shí)俘能單元可正常工作，而當(dāng)壓應(yīng)力超過(guò)一定限值時(shí)俘能單元將發(fā)生塑性變形，導(dǎo)致工作狀態(tài)失效，故借助MTS萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)測(cè)試俘能單元抗壓屈服強(qiáng)度，以明確堆疊式壓電俘能單元是否可滿足道路內(nèi)部工作環(huán)境的要求，試驗(yàn)測(cè)試結(jié)果如圖5所示。

由試驗(yàn)測(cè)試結(jié)果可知，試驗(yàn)前半段壓應(yīng)力與俘能單元壓縮量呈現(xiàn)出非線性變化趨勢(shì)，分析原因?yàn)閷娱g黏結(jié)劑和層間電極的存在改變了整個(gè)結(jié)構(gòu)的力學(xué)特性，而隨著力值的增加，兩者呈現(xiàn)出線性變化趨勢(shì)。在達(dá)到儀器可提供的最大加載荷載80 kN時(shí)，測(cè)試結(jié)果仍然呈現(xiàn)出非常規(guī)律的線性增長(zhǎng)趨勢(shì)，此時(shí)依據(jù)俘能單元受壓面積換算得壓應(yīng)力值為88 MPa，遠(yuǎn)超路面結(jié)構(gòu)內(nèi)部可能存在的豎向壓應(yīng)力范圍，表明堆疊式俘能單元具備十分優(yōu)異的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，能夠滿足道路大荷載狀況下的強(qiáng)度要求。

(a) 壓電俘能單元抗壓性能測(cè)試

(b) 壓應(yīng)力與位移關(guān)系曲線

3.2 基于振動(dòng)加載成型的俘能單元應(yīng)用結(jié)構(gòu)強(qiáng)度研究

壓電俘能單元在發(fā)電路面實(shí)際應(yīng)用中面臨更復(fù)雜的荷載作用條件，特別是施工時(shí)高荷載壓路機(jī)的振動(dòng)碾壓作用，若經(jīng)歷該環(huán)節(jié)后俘能單元仍能保持結(jié)構(gòu)完整，則可滿足道路施工、應(yīng)用中的絕大部分強(qiáng)度考驗(yàn)。因此，參照我國(guó)現(xiàn)行瀝青路面施工規(guī)范，借助振動(dòng)壓實(shí)成型設(shè)備制作發(fā)電路面小尺寸試件以模擬振動(dòng)壓路機(jī)的作業(yè)狀況，設(shè)置激振力為10 kN、激振頻率40 Hz、振動(dòng)時(shí)間200 s，將俘能單元埋置于約40 mm深度處分層鋪筑成型試件，試驗(yàn)過(guò)程如圖6(a)所示。由于壓電陶瓷具有有限的安全工作溫度范圍(應(yīng)小于居里溫度的一半)，當(dāng)壓電陶瓷達(dá)到居里溫度點(diǎn)時(shí)將發(fā)生熱退極化而喪失壓電性能，本文采用壓電陶瓷的居里溫度點(diǎn)為200 ℃，而瀝青路面在鋪筑時(shí)溫度會(huì)達(dá)到150 ℃，存在熱退極化的風(fēng)險(xiǎn)，故本文在試驗(yàn)前為俘能單元表面涂刷了一層高溫隔熱涂料(導(dǎo)熱系數(shù)為0.032 W/m·K)。將成型完成的試件放置于烘箱中烘至軟化松散，剝離混合料并取出俘能單元，觀察其結(jié)構(gòu)完整性，俘能單元狀態(tài)如圖6(b)所示。

(a)振動(dòng)成型發(fā)電路面試件(b)取出后的俘能單元

圖6 基于振動(dòng)加載成型的俘能單元結(jié)構(gòu)強(qiáng)度測(cè)試

Fig.6 The structure strength test of harvesting unit based on the vibration loading forming

由圖6(b)可知，經(jīng)歷高頻高壓振動(dòng)壓實(shí)工序的俘能單元結(jié)構(gòu)整體基本完好，僅是封裝材料在高溫作用下出現(xiàn)一定形變，主體結(jié)構(gòu)無(wú)裂紋、錯(cuò)位等破壞跡象，同時(shí)采用萬(wàn)用表測(cè)得試驗(yàn)前后俘能單元的電容量分別為83.5 nF和79.6 nF，可見經(jīng)歷高溫作用后俘能單元未發(fā)生明顯熱退極化，表明堆疊式發(fā)電俘能單元能夠出色的經(jīng)受住高頻振動(dòng)壓實(shí)過(guò)程所施加的高溫大荷載作用，能夠滿足道路鋪筑施工及應(yīng)用階段的各項(xiàng)強(qiáng)度要求。

4 路用堆疊式壓電俘能單元發(fā)電性能研究

不同規(guī)格俘能單元在不同荷載工況下的發(fā)電性能必然存在差異，故有必要對(duì)壓電俘能單元的電學(xué)輸出效果進(jìn)行模擬測(cè)試，并探究小尺寸試件下壓電俘能單元的應(yīng)用效果，以為壓電發(fā)電路面的實(shí)際應(yīng)用及不同應(yīng)用環(huán)境下俘能單元規(guī)格選擇提供依據(jù)。

4.1 壓電俘能單元發(fā)電性能模擬測(cè)試系統(tǒng)搭建

壓電俘能單元需要借助面層分層鋪筑技術(shù)埋置于路面結(jié)構(gòu)內(nèi)部，標(biāo)準(zhǔn)軸載下不同埋置深度對(duì)應(yīng)的豎向應(yīng)力值多在0.3～0.5 MPa，依據(jù)壓電俘能單元尺寸換算成荷載大小為212～353 N；同時(shí)以前后軸距2.5 m、行駛速度80 km/h為典型行車特性，計(jì)算得車輛前后輪作用頻率約為10 Hz，而路面結(jié)構(gòu)在車輛荷載作用下也表現(xiàn)出一定的振動(dòng)頻率，約為15 Hz[23]。因此，本文選定212 N、353 N、10 Hz、15 Hz為荷載控制參數(shù)，排列組合出4種典型荷載工況(212 N-10 Hz、212 N-15 Hz、353 N-10 Hz、353 N-15 Hz)，并基于此搭建了壓電俘能單元發(fā)電性能的模擬測(cè)試系統(tǒng)。

信號(hào)發(fā)生器、功率放大器、高能激振器、數(shù)字存儲(chǔ)示波器、力學(xué)控制系統(tǒng)及測(cè)試夾具等共同組成了模擬測(cè)試系統(tǒng)，如圖7(a)所示。其中由信號(hào)發(fā)生器產(chǎn)生簡(jiǎn)諧信號(hào)，借助功率放大器進(jìn)行放大，從而驅(qū)動(dòng)激振器工作，為置于測(cè)試夾具中的俘能單元提供正弦激振力，并通過(guò)力學(xué)控制系統(tǒng)精確控制激振力輸出，由示波器對(duì)輸出的電信號(hào)進(jìn)行數(shù)值采集和存儲(chǔ)。

測(cè)試夾具系自主設(shè)計(jì)開發(fā)，能夠真實(shí)可靠的模擬俘能單元在路面內(nèi)部的工作狀態(tài)，整體結(jié)構(gòu)由四條豎直固定撐桿和上、下兩塊可移動(dòng)剛性固定夾板構(gòu)成，上、下夾板之間可固定車轍板試件，下夾板中央部位預(yù)留有俘能單元夾持裝置安裝孔，俘能單元夾持裝置由內(nèi)外兩層高強(qiáng)PVC(Polyvinyl Chloride)塑料波紋管通過(guò)螺紋內(nèi)嵌得到，如圖7(b)所示?？蓾M足不同規(guī)格俘能單元的測(cè)試需求，使用時(shí)通過(guò)調(diào)整內(nèi)層螺紋管使俘能單元上表面與車轍板表面緊密接觸，以模擬其在路面結(jié)構(gòu)中的真實(shí)受力面，同時(shí)在外波紋管一側(cè)開設(shè)有小孔，用于引出導(dǎo)線連接到示波器。

(a) 模擬系統(tǒng)組成

(b) 俘能單元夾持裝置

4.2 基于模擬測(cè)試系統(tǒng)的壓電俘能單元發(fā)電性能研究

4.2.1 壓電俘能單元輸出開路電壓

理論上壓電陶瓷材料參數(shù)及尺寸相同，同一荷載條件下壓電俘能單元的開路電壓僅與壓電陶瓷片的厚度成正比關(guān)系，而與堆疊層數(shù)無(wú)直接聯(lián)系，由兩種不同厚度壓電陶瓷片制作而成的俘能單元開路電壓應(yīng)互為倍數(shù)關(guān)系，而由同一厚度壓電陶瓷片制作而成的俘能單元輸出開路電壓應(yīng)表現(xiàn)出相近的關(guān)系。利用上文搭建的發(fā)電性能模擬測(cè)試系統(tǒng)，分別測(cè)試上文中4種荷載工況下各規(guī)格俘能單元的輸出開路電壓值，記錄測(cè)試結(jié)果如表5所示。

表5 不同荷載條件下各俘能單元輸出開路電壓

分析表5可知，不同荷載作用條件下各俘能單元均具有良好的電壓輸出特性，最大開路電壓輸出值可達(dá)37.80 V；212 N-15 Hz荷載條件下單片1.0 mm厚型壓電俘能單元的開路輸出電壓約為19.0 V，而單片0.5 mm厚型壓電俘能單元的開路輸出電壓約為9.0 V，二者呈現(xiàn)出較為明顯的2倍關(guān)系，其他荷載條件下多數(shù)約為1.8倍的關(guān)系，符合預(yù)期結(jié)果；不同堆疊層數(shù)俘能單元輸出電壓值基本在一個(gè)水平，表明堆疊層數(shù)的改變對(duì)于輸出開路電壓無(wú)直觀影響，但進(jìn)一步觀察可見，由同一厚度壓電陶瓷片堆疊而成的俘能單元輸出開路電壓隨著堆疊層數(shù)的增加出現(xiàn)了輕微的降低現(xiàn)象，分析原因?yàn)椋弘S著堆疊層數(shù)的增加，荷載應(yīng)力向下傳遞的過(guò)程中逐漸衰減，導(dǎo)致層數(shù)多的俘能單元輸出電壓出現(xiàn)一定程度降低現(xiàn)象。

4.2.2 不同負(fù)載阻值壓電俘能單元輸出電壓

壓電俘能單元應(yīng)用于道路發(fā)電時(shí)，其輸出端將連接能量采集存儲(chǔ)電路或是不同特點(diǎn)的用電設(shè)備，負(fù)載特性各不相同，為便于確定不同規(guī)格俘能單元能量輸出的最佳匹配負(fù)載，本文對(duì)不同負(fù)載阻值下的俘能單元輸出開路電壓變化規(guī)律進(jìn)行研究。試驗(yàn)時(shí)在俘能單元輸出端連接不同阻值電阻，示波器并聯(lián)于電阻兩端，記錄不同阻值電阻的端電壓，分別測(cè)試在不同工作條件下各規(guī)格俘能單元的變化曲線，其中212 N-10 Hz荷載工況下單片1.0 mm厚型壓電堆疊單元的輸出電壓與負(fù)載電阻關(guān)系，如圖8所示。

由圖8分析可知，壓電俘能單元輸出電壓隨負(fù)載阻值的增大呈現(xiàn)出增大趨勢(shì)，前期變化幅度明顯，后期較為平緩，最終趨于穩(wěn)定并無(wú)限接近于俘能單元的輸出開路電壓。同時(shí)，堆疊層數(shù)越多的壓電俘能單元，前段電壓隨阻值的變化趨勢(shì)越陡，間接表明其輸出功率更大。

4.2.3 壓電俘能單元輸出功率

由于壓電陶瓷能量輸出相對(duì)高電壓、低電流，輸出能量級(jí)微小，故不能僅以輸出電壓值大小評(píng)判俘能單元的發(fā)電效果，為更直觀地評(píng)價(jià)不同規(guī)格壓電俘能單元的發(fā)電能力，需計(jì)算出各規(guī)格俘能單元在不同工況下的輸出功率，其中212 N-10 Hz荷載工況下單片1.0 mm厚型壓電俘能單元的輸出功率與負(fù)載電阻關(guān)系，如圖9所示。

圖8 212 N-10 Hz荷載工況下單片1.0 mm厚型俘能單元輸出電壓與負(fù)載電阻關(guān)系曲線

Fig.8 Relationship curves of load voltage and the output voltage of harvesting unit with monolithic thickness of 1.0 mm under the load of 212 N-10 Hz

圖9 212 N-10 Hz荷載工況下單片1.0 mm厚型俘能單元輸出功率與負(fù)載阻值關(guān)系曲線

Fig.9 Relationship curves of load voltage and the output power of harvesting unit with monolithic thickness of 1.0 mm under the load of 212 N-10 Hz

由圖9可知，同一規(guī)格下壓電俘能單元的輸出功率與堆疊層數(shù)正相關(guān)，堆疊層數(shù)越多，輸出功率越大，212 N-10 Hz荷載工況下1層最大輸出功率為4.07 mW、2層為7.64 mW、4層為15.70 mW、6層為22.74 mW，大致與堆疊層數(shù)成倍數(shù)關(guān)系；輸出功率隨負(fù)載阻值的變化過(guò)程中存在一個(gè)最佳負(fù)載阻值，此時(shí)壓電俘能單元的輸出功率最大，同時(shí)隨著堆疊層數(shù)的增加，輸出功率曲線的峰值點(diǎn)逐漸左移，即對(duì)應(yīng)的最佳負(fù)載阻值在逐漸減小，表明堆疊層數(shù)的增加可有效減小負(fù)載電阻的匹配阻值。

試驗(yàn)研究表明其他荷載工況下壓電俘能單元的輸出功率情況亦符合上述規(guī)律，為更直觀地表示各壓電俘能單元的發(fā)電能力，匯總不同荷載工況下各壓電俘能單元的最大輸出功率并繪制成柱狀圖，如圖10所示。

圖10 不同荷載工況下各壓電俘能單元最大輸出功率

Fig.10 The maximum output power of harvesting units with different loads

由圖10可知，同一荷載工況、同一堆疊層數(shù)下單片1.0 mm厚型俘能單元的輸出功率明顯大于單片0.5 mm厚型俘能單元，表明單片壓電陶瓷厚度的提升有助于增大俘能單元的輸出功率；隨著荷載或頻率增大，同一規(guī)格俘能單元的輸出功率均有提高，表明在合理限度內(nèi)高行車速度下發(fā)電效果更優(yōu)，而俘能單元輸出功率值隨著激振力的增大出現(xiàn)了非線性的明顯增大過(guò)程，表明該技術(shù)應(yīng)用于重車較多的路段將獲得更為明顯的能量輸出效果；不同規(guī)格俘能單元的輸出功率多在幾十毫瓦之間，其中353 N-15 Hz荷載工況下，30-1.0-6型俘能單元的輸出功率最大可達(dá)183.2 mW，相較于已有壓電俘能結(jié)構(gòu)，能量輸出效果十分突出。

5 基于小尺寸試件的壓電俘能單元應(yīng)用性能研究

壓電俘能單元埋置于路面結(jié)構(gòu)內(nèi)部，自身承受著致密道路材料的各向約束作用，工作環(huán)境較模擬測(cè)試系統(tǒng)存在一定差異，同時(shí)考慮到行車荷載作用下路面結(jié)構(gòu)內(nèi)部還存在較大的剪應(yīng)力和彎矩，有破壞俘能單元結(jié)構(gòu)的可能，而上文結(jié)構(gòu)強(qiáng)度一節(jié)研究中由于測(cè)試儀器受限未能對(duì)此進(jìn)行評(píng)估，故本節(jié)綜合考慮上述因素通過(guò)預(yù)制小尺寸試件進(jìn)一步評(píng)估俘能單元在真實(shí)路面結(jié)構(gòu)中的能量輸出效果及其工作穩(wěn)定性。

5.1 能量輸出效果

選用上文模擬發(fā)電性能更好的30-1.0-6型壓電俘能單元制作發(fā)電路面小尺寸試件，以6 cmAC-16+4 cmAC-13典型路面結(jié)構(gòu)分層成型車轍板試件，壓電俘能單元埋置于6 cmAC下面層上部，借助車轍儀施加0.7 MPa的標(biāo)準(zhǔn)軸載作用，測(cè)試小尺寸發(fā)電路面試件的輸出電壓并計(jì)算其最大輸出功率，試驗(yàn)過(guò)程如圖11所示。

(a)發(fā)電路面小尺寸試件(b)膠輪加載測(cè)試

圖11 發(fā)電路面小尺寸試件壓電性能試驗(yàn)

Fig.11 Piezoelectric property test of power pavement small specimen

通過(guò)試驗(yàn)可得小尺寸試件輸出開路電壓為8.72 V、最大輸出功率為11.06 mW，相較上文類似荷載條件下的模擬測(cè)試結(jié)果出現(xiàn)了明顯的降低，分析原因可能為：俘能單元在路面結(jié)構(gòu)內(nèi)部受到致密瀝青混合料的各向約束作用，沒有足夠的振動(dòng)空間，而模擬測(cè)試試驗(yàn)中由于采用的是中空夾持裝置僅實(shí)現(xiàn)了俘能單元下表面的受力狀況模擬，側(cè)面及頂面并沒有致密的約束介質(zhì)，同時(shí)瀝青混合料的力學(xué)傳遞特性不如激振器的力學(xué)加載方式直接、高效、均勻，故而造成了俘能單元能量輸出效率的降低。

因此，后續(xù)研究中可考慮改變發(fā)電路面的結(jié)構(gòu)組合形式及壓電俘能單元的埋置方式，以進(jìn)一步提高發(fā)電路面的能量輸出效果，而參考表2現(xiàn)有研究結(jié)果可知，相較已有俘能器多在微瓦和幾毫瓦的功率輸出，本文制備的堆疊式壓電俘能單元大幅提升了輸出功率，具備更優(yōu)異的發(fā)電性能，完全可以滿足道路機(jī)械能量采集的要求，若采用一定的陣列方案創(chuàng)建基于數(shù)十個(gè)壓電堆疊的并聯(lián)發(fā)電系統(tǒng)，其能量輸出量級(jí)將進(jìn)一步擴(kuò)大，應(yīng)用前景十分理想。

5.2 工作穩(wěn)定性

為驗(yàn)證壓電俘能單元在頻繁荷載作用下的工作穩(wěn)定性，并明確路面結(jié)構(gòu)內(nèi)部剪應(yīng)力和彎矩是否會(huì)對(duì)俘能單元產(chǎn)生破壞，本文采用車轍儀膠輪對(duì)小尺寸試件施加長(zhǎng)時(shí)間的往復(fù)荷載作用，每碾壓100次記錄一次結(jié)果，選定碾壓5 000次作為測(cè)試終止時(shí)間，記錄輸出開路電壓與碾壓次數(shù)的關(guān)系，如圖12所示。

由圖12可知，俘能單元輸出開路電壓隨碾壓次數(shù)的增多呈現(xiàn)出逐漸減小的趨勢(shì)，但降低幅度十分微小，5 000次荷載重復(fù)作用下并未出現(xiàn)明顯的壓電性能衰減現(xiàn)象，表明俘能單元具有良好的工作穩(wěn)定性，同時(shí)也說(shuō)明了路面剪應(yīng)力和彎矩基本不會(huì)對(duì)俘能單元結(jié)構(gòu)造成破壞，分析輸出開路電壓出現(xiàn)一定程度減小的原因?yàn)椋耗z輪重復(fù)作用加深了道路結(jié)構(gòu)材料的致密程度，使俘能單元受到了更為緊密的約束作用，導(dǎo)致其振動(dòng)空間減小，宏觀表現(xiàn)為輸出開路電壓出現(xiàn)了輕微的降低。

圖12 發(fā)電路面開路電壓與碾壓次數(shù)關(guān)系

Fig.12 Relationship curves between open circuit voltage and rolling times of power pavement

6 結(jié) 論

(1) 針對(duì)道路振動(dòng)能量采集對(duì)俘能結(jié)構(gòu)的性能要求，優(yōu)選出適用于道路發(fā)電的堆疊式壓電俘能單元結(jié)構(gòu)，并優(yōu)化設(shè)計(jì)了俘能單元結(jié)構(gòu)參數(shù)，選定直徑為30 mm、厚度為0.5 mm和1.0 mm的PZT-5H壓電陶瓷片作為研究對(duì)象。

(2) 優(yōu)化了壓電陶瓷片層間印膠工藝，形成堆疊式壓電俘能單元成套制作工藝，制備出8種不同規(guī)格的路用堆疊式壓電俘能單元。

(3) 借助MTS萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)和振動(dòng)壓實(shí)成型設(shè)備明確了堆疊式壓電俘能單元的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，壓電俘能單元在MTS施加最大荷載狀況下(80 kN)及激振力為10 kN、頻率為40 Hz的模擬振動(dòng)壓實(shí)工況下均能保持完好，表明壓電俘能單元結(jié)構(gòu)強(qiáng)度可滿足道路使用要求。

(4) 自主開發(fā)壓電俘能單元測(cè)試夾具并搭建發(fā)電性能模擬測(cè)試系統(tǒng)，測(cè)試了不同規(guī)格壓電俘能單元的能量輸出效果，結(jié)果表明：在試驗(yàn)研究范圍內(nèi)荷載大小、加載頻率、壓電陶瓷片厚度及堆疊層數(shù)均與俘能單元的發(fā)電性能正相關(guān)，其中在353 N-15 Hz荷載工況下，單片1.0 mm厚型壓電俘能單元的最大開路電壓可達(dá)37.8 V，最大輸出功率可達(dá)183.2 mW。

(5)選用30-1.0-6型壓電俘能單元制作了典型結(jié)構(gòu)發(fā)電路面小尺寸試件，在標(biāo)準(zhǔn)軸載作用下的輸出開路電壓為8.72 V、最大輸出功率為11.06 mW，后續(xù)可進(jìn)一步研究路面結(jié)構(gòu)及俘能單元埋置方式對(duì)發(fā)電路面能量輸出的影響規(guī)律，以提高發(fā)電路面的能量輸出效果。

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