智能發(fā)電路面技術(shù)現(xiàn)狀及發(fā)展

1、匯報人：張智豪（0616139）目錄1研究背景2國內(nèi)外發(fā)電路面研究現(xiàn)狀3不同類型發(fā)電路面簡介及適用性評價4國內(nèi)外發(fā)電路面存在問題5智能壓電發(fā)電路面新技術(shù)研究隨著氣候環(huán)境的變化和石油能源的短缺，尋求無污染、可再生的綠色能源已受到人們的高度關(guān)注。人們生活中廣泛存在著大量可再生的綠色能源，將綠色能源收集利用正符合我國社會可持續(xù)發(fā)展的要求。在尋求新能源過程中，道路作為重要的基礎(chǔ)設(shè)施，在承擔(dān)交通功能的同時還具有開發(fā)可再生能源的潛能。近年來，隨著道路工程微能收集技術(shù)的發(fā)展，更多類型的先進(jìn)技術(shù)被用于道路環(huán)境中，道路工程領(lǐng)域進(jìn)行的能量收集研究主要包括光能、風(fēng)能、熱能、勢能和壓電能等轉(zhuǎn)換為電能，國內(nèi)外也針對不同

2、種類能源的收集和利用開發(fā)出不同類型發(fā)電路面。發(fā)電路面產(chǎn)生的電能可用于公路沿線交通設(shè)施的使用，確保交通設(shè)施正常運行，還可有效解決供電條件較差地區(qū)公路沿線交通設(shè)施供電難的問題。太陽能發(fā)電風(fēng)能發(fā)電勢能發(fā)電尾氣熱能發(fā)電如若合理開發(fā)應(yīng)用發(fā)電路面，不僅可解決能源問題，更會對我國的經(jīng)濟(jì)和社會帶來不可估量的效益。但現(xiàn)有國內(nèi)外發(fā)電路面研究成果與應(yīng)用現(xiàn)狀不明確，缺少各類型發(fā)電路面的適用性評價，尚未提出發(fā)電路面存在的問題。國外發(fā)電路面的研究主要立足于風(fēng)能、太陽能、行車壓力能量的收集，主要集中于以色列、英國、美國、日本等國家，同時在部分地區(qū)工程實踐中應(yīng)用了相關(guān)研究成果，為發(fā)電路面的發(fā)展提供指引性作用。發(fā)電路面研究巴基

3、斯坦研究人員應(yīng)用了一種可以給路面照明系統(tǒng)供能的路面行車能量收集裝置，將行車荷載通過壓力承載板和傳力桿傳遞到發(fā)電葉輪，發(fā)電葉輪旋轉(zhuǎn)切割磁感線產(chǎn)生電能。美國某公司開發(fā)出一種RPG發(fā)電裝置,依靠運動車輛的摩擦力帶動RPG裝置的活動構(gòu)件中，完成機(jī)械能到電能的轉(zhuǎn)換。同時Yoshiyasu等研發(fā)了一種嵌入在人行鋪面內(nèi)的能量收集裝置，對在地鐵入口鋪設(shè)的100m2發(fā)電地板電能收集效果進(jìn)行測試，每天可產(chǎn)生約5000kw的電力。2009年以色列的Innowattech公司與海法理工學(xué)院共同將壓電能量收集系統(tǒng)（Innowattech Piezo electric,IPEG）成功應(yīng)用于道路工程中。設(shè)置在地鐵入口和人行

4、道上的壓電裝置 在采用該能量采集系統(tǒng)時，發(fā)現(xiàn)交通量為600veh/h的一條雙車道道路上能產(chǎn)生0.4MW/km以上的電量。日本學(xué)者運用壓電換能效應(yīng)成功研制出可利用壓力發(fā)電的室內(nèi)地板，利用該地板可在乘 客 通 過 其 表 面 時 產(chǎn) 生 可 使100W燈泡發(fā)光0.1S的電力。關(guān)于發(fā)電路面裝置方面，內(nèi)蒙古科技大學(xué)方桂花等為有效收集車輛對減速帶沖擊作用產(chǎn)生的能量，提出了基于液壓傳動技術(shù)的路面發(fā)電裝置。簡小娟將發(fā)電機(jī)構(gòu)與液壓機(jī)構(gòu)組合開發(fā)了一種發(fā)電道路結(jié)構(gòu)，進(jìn)行行車荷載下的路面能量收集。上海海事大學(xué)梅瀟對現(xiàn)有機(jī)械式路面發(fā)電裝置的動力傳動部分進(jìn)行改進(jìn)，提高了路面發(fā)電裝置的發(fā)電效率。曹愛平發(fā)明一種道路壓力發(fā)電

5、系統(tǒng)，將路面荷載機(jī)械能通過旋轉(zhuǎn)動能轉(zhuǎn)化為電能 。利用減速帶發(fā)電減速帶發(fā)電裝置示意圖關(guān)于磁能發(fā)電路面方面，湖南工程學(xué)院曾憲桃結(jié)合下坡路段行車安全性保護(hù)措施的特性，提出了收集下坡車輛對路面沖擊能量的方法。闞立東針對路面車輛荷載脈沖式作用，采用磁電轉(zhuǎn)化原理發(fā)明了一種路面發(fā)電系統(tǒng)，通過發(fā)電裝置中強(qiáng)磁鐵的上下切割磁感線運動產(chǎn)生感應(yīng)電流。關(guān)于壓電路面材料應(yīng)用方面，安徽省公路橋梁工程有限公司王遠(yuǎn)勝基于壓電材料研制出一種具有發(fā)電效果的智能路面磚，將該種發(fā)電瓷磚用于鋪筑路面，可有效收集行人重力作用產(chǎn)生的能量。關(guān)于壓電瀝青路面方面，同濟(jì)大學(xué)趙鴻鐸等提出了一種路面應(yīng)力驅(qū)動和振動驅(qū)動能收集技術(shù)，并將鈸式壓電換能器以固

6、定方式增設(shè)到瀝青混凝土層間結(jié)構(gòu)中，對其能量收集效率進(jìn)行了初步探討。武漢理工大學(xué)吳少鵬等在室內(nèi)將 PZT壓電換能器挖坑填補(bǔ)到瀝青混凝土路面中，從理論角度初步分析了壓電路面的相關(guān)性能 。國內(nèi)發(fā)電路面應(yīng)用方面，2011年中國昆明新機(jī)場路面修筑過程中應(yīng)用了綠色機(jī)場路面能量收集系統(tǒng)，成功地將行車荷載轉(zhuǎn)化為電能用于機(jī)場道路的照明與行車警示系統(tǒng)，該系統(tǒng)解決了機(jī)動車輛路過路面減速裝置時大量壓力能被消耗的問題，成功地將液壓傳動技術(shù)應(yīng)用到路面減速裝置中，實現(xiàn)了能量的轉(zhuǎn)換存儲再利用 。昆明長水國際機(jī)場風(fēng)能發(fā)電路面 風(fēng)能發(fā)電路面是在道路行車道的兩側(cè)安裝風(fēng)能收集裝置，依靠車輛行駛產(chǎn)生的攜帶風(fēng)使風(fēng)能收集裝置的葉片組旋轉(zhuǎn)，

7、其工作過程為：行車機(jī)械能轉(zhuǎn)化為風(fēng)能，風(fēng)能轉(zhuǎn)化為旋轉(zhuǎn)動能，旋轉(zhuǎn)動能轉(zhuǎn)化為電能 。道路系統(tǒng)中的風(fēng)能收集裝置發(fā)電原理較為簡單，風(fēng)吹動葉片組帶動發(fā)電轉(zhuǎn)子工作，發(fā)電轉(zhuǎn)子內(nèi)線圈切割磁感線而產(chǎn)生電能勢能發(fā)電路面 基于勢能發(fā)電路面系統(tǒng)都是采用一套可變形的勢能轉(zhuǎn)化設(shè)備，當(dāng)機(jī)動車駛過勢能轉(zhuǎn)化設(shè)備時將行車荷載的動能轉(zhuǎn)化為勢能，最后通過勢能的變化而產(chǎn)生電能 ?；趧菽艿陌l(fā)電路面大致分為種類型：u 道路結(jié)構(gòu)內(nèi)部布設(shè)勢能轉(zhuǎn)化器，勢能轉(zhuǎn)化器由可變形的構(gòu)件和構(gòu)件內(nèi)部的液體組成 。當(dāng)機(jī)動車駛過勢能轉(zhuǎn)化設(shè)備時，可變形構(gòu)件發(fā)生沖擊性形變，構(gòu)件內(nèi)部的液體按照預(yù)定的方向沖擊性流動，液體的流動帶動發(fā)電轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動而發(fā)電 。u 道路結(jié)構(gòu)內(nèi)部布

8、設(shè)勢能轉(zhuǎn)化器，勢能轉(zhuǎn)化器內(nèi)部的發(fā)電構(gòu)件由彈性材料構(gòu)成，當(dāng)機(jī)動車駛過勢能轉(zhuǎn)化設(shè)備時，發(fā)電構(gòu)件在行車荷載的作用下上下移動，發(fā)電構(gòu)件內(nèi)線圈上下方向切割磁感線而發(fā)電。u 道路結(jié)構(gòu)內(nèi)部布設(shè)勢能轉(zhuǎn)化器，勢能轉(zhuǎn)化器由可變形的構(gòu)件和構(gòu)件內(nèi)部的帶電性離子液體組成。道路內(nèi)部的液體可變形構(gòu)件在行車荷載的作用下發(fā)生形變，離子液體的定向運動產(chǎn)生電能。光能發(fā)電路面 太陽能的使用讓光電轉(zhuǎn)化效能在新型能源行業(yè)的研究逐漸趨于成熟，光電材料在光能發(fā)電領(lǐng)域的應(yīng)用也逐漸普及 ?；诠饽馨l(fā)電路面的基本思路來源于傳統(tǒng)的太陽能照明系統(tǒng)，目前將光電材料用于路面系統(tǒng)的思路主要有兩種：將太陽能板鋪筑在路面中u 在道路表面層直接鋪筑光能采集構(gòu)件，

9、將收集到的光能通過光電轉(zhuǎn)化裝置轉(zhuǎn)化為電能進(jìn)行利用。光電轉(zhuǎn)化裝置一般布置在鋪筑光能采集構(gòu)件的路面外部。u 在道路表面設(shè)置透明材料層，保證光能最大限度地透射到透明材料之下的光能采集設(shè)備表面，將收集到的光能通過電轉(zhuǎn)化裝置轉(zhuǎn)化為電能進(jìn)行利用。這種發(fā)電路面系統(tǒng)中，光電轉(zhuǎn)化裝置一般布置在光能采集設(shè)備下的路面內(nèi)部。熱能發(fā)電路面熱電材料是一種利用熱電效應(yīng)將熱量差轉(zhuǎn)化為電能的新型材料，具有環(huán)保低碳的功效。將熱電材料應(yīng)用到瀝青路面中，依靠路面上下持續(xù)的溫度差以及道路和周圍環(huán)境的溫度差，借助路面內(nèi)部的熱電材料利用溫度差將熱能轉(zhuǎn)化為電能，不僅滿足了道路系統(tǒng)用電的需要，還能起到路面熱電制冷的效果，提高路面的高溫穩(wěn)定性。

10、壓電發(fā)電路面 壓電材料主要依靠材料的壓電效應(yīng)將機(jī)械作用力轉(zhuǎn)換為電能，將其應(yīng)用到道路工程中可以實現(xiàn)將行車荷載帶來的機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電能?；趬弘娔艿陌l(fā)電路面的研究開辟了壓電材料在道路領(lǐng)域的應(yīng)用，利用壓電材料將行車荷載帶來的機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電能具有不可預(yù)估的經(jīng)濟(jì)、社會效益。目前，發(fā)電路面主要存在以下問題：u發(fā)電路面體系尚未建立發(fā)電路面完整的體系應(yīng)包括：發(fā)電材料和構(gòu)件設(shè)計理論、發(fā)電路面設(shè)計理論、發(fā)電路面能量收集理論、發(fā)電路面施工技術(shù)及發(fā)電路面運營管理、發(fā)電路面經(jīng)濟(jì)性評價等。現(xiàn)有針對發(fā)電路面的研究成果中，只對發(fā)電路面的應(yīng)用前景進(jìn)行宏觀描述，只對發(fā)電理論和收集理論進(jìn)行深入研究，這種對發(fā)電路面研究的局限，導(dǎo)致現(xiàn)有

11、發(fā)電路面出現(xiàn)發(fā)電性能差，耐久性差等問題。u換能材料與路面材料研究尚未一體化現(xiàn)有研究中一般將換能材料直接用于制備換能元件后進(jìn)行使用。部分換能材料滿足路面材料的要求，而部分路面材料又具備一定程度的換能特性，將換能材料和路面材料替代使用，或經(jīng)過某種特殊處理后使用，使其具備換能材料特性并滿足路面材料要求。基于換能材料與路面材料一體化的技術(shù)研究將充分發(fā)揮換能材料和路面材料的功能性和路用性能，不僅高效率的收集道路能量，又保證了道路的路用性能。u缺乏換能元件優(yōu)選與保護(hù)措施設(shè)計相關(guān)研究現(xiàn)有發(fā)電路面中多采用壓電能量換能器或壓電晶片布置于路面內(nèi)部發(fā)揮換能效應(yīng)，換能元件主要發(fā)揮將道路系統(tǒng)能量轉(zhuǎn)化為電能的作用，各類型

12、換能元件電能轉(zhuǎn)換效率不同；現(xiàn)有壓電元件多為薄層壓電材料加上下兩層較薄的金屬電極材料，在瀝青混凝土攤鋪碾壓時，壓電元件很容易被石料直接接觸，石料的棱角接觸到壓電元件時極易產(chǎn)生應(yīng)力集中而使壓電元件在路面施工壓實過程中被損壞甚至失效。u發(fā)電路面匹配性差現(xiàn)有發(fā)電中壓電換能器的價格昂貴，其大規(guī)模的應(yīng)用不利于建設(shè)的經(jīng)濟(jì)性。故應(yīng)針對發(fā)電路面的應(yīng)用環(huán)境開發(fā)多種應(yīng)用方式，使其適合于所有道路的推廣應(yīng)用。而現(xiàn)有針對發(fā)電路面的研究成果，都是采用將壓電換能器置入路面內(nèi)部的方式。壓電換能器在路面內(nèi)部的存在方式、與路面的整體耦合性、耐久性都沒有經(jīng)過實踐證明，發(fā)電路面各構(gòu)件與多功能的匹配應(yīng)用有待深入研究。u缺乏換能元件結(jié)構(gòu)保

13、護(hù)層系統(tǒng)研究路面結(jié)構(gòu)主要起到抵抗車輛荷載破壞作用，埋入換能元件改變了原有道路結(jié)構(gòu)內(nèi)部的應(yīng)力分布，在車輛荷載的作用下，發(fā)電路面內(nèi)部極易由道路材料和換能元件的粘結(jié)性、耦合性不足而發(fā)生破壞。u缺乏新型能量收集系統(tǒng)現(xiàn)有發(fā)電路面系統(tǒng)中的能量收集多借助傳統(tǒng)的壓電晶片在高頻振動下的能量收集系統(tǒng)來完成，導(dǎo)致發(fā)電路面只能收集到極為微弱的電能。 基于壓電瀝青混凝土的發(fā)電路面結(jié)構(gòu)是通過將電極在壓電瀝青混凝土層中的布設(shè)，對發(fā)電路面結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化的設(shè)計。壓電路面有兩種電能產(chǎn)生形式，一種形式是在壓電模型受到力時，電荷在受力方向的垂直方向產(chǎn)生電荷，并對電荷進(jìn)行收集。另一種形式是壓電模型受到力時，電荷在受力方向的水平方向產(chǎn)生電

14、荷，并對電荷進(jìn)行收集。u基于壓電瀝青混凝土的發(fā)電路面研究 壓電瀝青混凝土發(fā)電路面的試件在極化處理之后，在MTS試驗機(jī)上表現(xiàn)的壓電性能較好，在試驗中壓電瀝青混凝土發(fā)電路面的電能頻率符合技術(shù)要求的標(biāo)準(zhǔn)，說明其對試件的極化處理產(chǎn)生了作用和效果。但壓電瀝青混凝土試件仍然沒有發(fā)揮更好的作用，主要原因是由于極化電場的溫度不夠高、強(qiáng)度不夠大，使得試件的極化程度不高，沒有完全極化，使得壓電元件的壓電性能沒有完全發(fā)揮和顯示出來。 根據(jù)試驗的結(jié)果，將壓電材料和導(dǎo)電材料滲入瀝青混凝土中，可以使得路用的效果更好，說明可以電材料替代部分礦粉或瀝青混凝土技術(shù)應(yīng)用在其中能夠取得一定的效果，具有可行性和科學(xué)性。新型材料與路用

15、原材料有著良好的相容性，對壓電材料的應(yīng)用不會使得施工變得復(fù)雜，也不用進(jìn)行額外的精細(xì)化處理，對比普通瀝青材料僅有小幅的成本增加，而獲得的收益遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于所增加的成本，經(jīng)濟(jì)效益良好，具有推行的可行性。 根據(jù)試驗的結(jié)果，將壓電材料和導(dǎo)電材料滲入瀝青混凝土中，可以使得路用的效果更好，說明可以電材料替代部分礦粉或瀝青混凝土技術(shù)應(yīng)用在其中能夠取得一定的效果，具有可行性和科學(xué)性。新型材料與路用原材料有著良好的相容性，對壓電材料的應(yīng)用不會使得施工變得復(fù)雜，也不用進(jìn)行額外的精細(xì)化處理，對比普通瀝青材料僅有小幅的成本增加，而獲得的收益遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于所增加的成本，經(jīng)濟(jì)效益良好，具有推行的可行性。 結(jié)合現(xiàn)有壓電元件結(jié)構(gòu)類型，充

16、分考慮壓電元件的能量轉(zhuǎn)換性能以及對路面使用性能的影響，確定月牙型壓電元件為最適合類型。保護(hù)材料應(yīng)具有一定的緩沖作用，延遲、減緩力對壓電元件的直接作用，但保護(hù)材料柔性過度不利于壓電元件電性能的發(fā)揮，因此，聚氯乙烯硬質(zhì)塑料和彈性橡膠是最適合作為發(fā)電路面壓電元件的保護(hù)材料。u基于壓電元件的發(fā)電路面性能研究選用材質(zhì)為壓電陶瓷，緩沖材料選為橡膠墊 基于上述壓電元件和保護(hù)材料，采用單面和全面覆蓋式保護(hù)措施，將壓電元件埋入到瀝青混凝土內(nèi)，成型發(fā)電路面車轍試件。對其施加車轍儀膠輪荷載作用時，示波器呈現(xiàn)不同幅值的脈沖式波形。觀察所連接的指示二極管，在碾壓輪經(jīng)過時2個二極管交替閃光，這表明在不同的時間段內(nèi)有不同方

17、向的電流產(chǎn)生，結(jié)合示波器測試的波形分析壓電元件作為電源產(chǎn)生的是交流電。示波器平衡位置上的電壓大于平衡位置下的電壓，這表明壓電元件在經(jīng)受行車荷載時產(chǎn)生的電能大于壓電元件在恢復(fù)形變時產(chǎn)生的電能。 膠輪儀 示波器 基于上述壓電元件和保護(hù)材料，采用單面和全面覆蓋式保護(hù)措施，將壓電元件埋入到瀝青混凝土內(nèi)，成型發(fā)電路面車轍試件。對其施加車轍儀膠輪荷載作用時，示波器呈現(xiàn)不同幅值的脈沖式波形。觀察所連接的指示二極管，在碾壓輪經(jīng)過時2個二極管交替閃光，這表明在不同的時間段內(nèi)有不同方向的電流產(chǎn)生，結(jié)合示波器測試的波形分析壓電元件作為電源產(chǎn)生的是交流電。示波器平衡位置上的電壓大于平衡位置下的電壓，這表明壓電元件在經(jīng)受行車荷載時產(chǎn)生的電能大于壓電元件在恢復(fù)形變時產(chǎn)生的電能。 基于壓電元件發(fā)電路面能夠表征出明顯的電能輸出效果，驗證了其研究可行性；優(yōu)選