智能發(fā)電路面技術現狀及發(fā)展課件

匯報人：張智豪（0616139）智能發(fā)電路面技術現狀及發(fā)展匯報人：張智豪（0616139）智能發(fā)電路面技術現狀及發(fā)展1目錄1研究背景2國內外發(fā)電路面研究現狀3不同類型發(fā)電路面簡介及適用性評價4國內外發(fā)電路面存在問題5智能壓電發(fā)電路面新技術研究目錄1研究背景2國內外發(fā)電路面研究現狀3不同類型發(fā)電路面簡介2研究背景隨著氣候環(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設施，在承擔交通功能的同時還具有開發(fā)可再生能源的潛能。研究背景隨著氣候環(huán)境的變化和石油能源的短缺，尋求無污染、可再3近年來，隨著道路工程微能收集技術的發(fā)展，更多類型的先進技術被用于道路環(huán)境中，道路工程領域進行的能量收集研究主要包括光能、風能、熱能、勢能和壓電能等轉換為電能，國內外也針對不同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)電路面產生的電能可用于公路沿線交通設施的使用，確保交通設施正常運行，還可有效解決供電條件較差地區(qū)公路沿線交通設施供電難的問題。研究背景近年來，隨著道路工程微能收集技術的發(fā)展，更多類型的先進技術被4太陽能發(fā)電風能發(fā)電太陽能發(fā)電風能發(fā)電5勢能發(fā)電尾氣熱能發(fā)電勢能發(fā)電尾氣熱能發(fā)電6研究背景如若合理開發(fā)應用發(fā)電路面，不僅可解決能源問題，更會對我國的經濟和社會帶來不可估量的效益。但現有國內外發(fā)電路面研究成果與應用現狀不明確，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。研究背景如若合理開發(fā)應用發(fā)電路面，不僅可解決能源問題，更會對7國外發(fā)電路面研究現狀國外發(fā)電路面的研究主要立足于風能、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)工程實踐中應用了相關研究成果，為發(fā)電路面的發(fā)展提供指引性作用。發(fā)電路面研究國外發(fā)電路面研究現狀國外發(fā)電路面的研究主要立足于風能、太陽能8巴基斯坦研究人員應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)電葉輪旋轉切割磁感線產生電能。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裝置的活動構件中，完成機械能到電能的轉換。同時Yoshiyasu等研發(fā)了一種嵌入在人行鋪面內的能量收集裝置，對在地鐵入口鋪設的100m2發(fā)電地板電能收集效果進行測試，每天可產生約5000kw的電力。2009年以色列的Innowattech公司與海法理工學院共同將壓電能量收集系統(tǒng)（InnowattechPiezoelectric,IPEG）成功應用于道路工程中。國外發(fā)電路面研究現狀巴基斯坦研究人員應用了一種可以給路面照明系統(tǒng)供能的路面行車能9國外發(fā)電路面研究現狀設置在地鐵入口和人行道上的壓電裝置國外發(fā)電路面研究現狀設置在地鐵入口和人行道上的壓電裝置10在采用該能量采集系統(tǒng)時，發(fā)現交通量為600veh/h的一條雙車道道路上能產生0.4MW/km以上的電量。日本學者運用壓電換能效應成功研制出可利用壓力發(fā)電的室內地板，利用該地板可在乘客通過其表面時產生可使100W燈泡發(fā)光0.1S的電力。國外發(fā)電路面研究現狀在采用該能量采集系統(tǒng)時，發(fā)現交通量為60011關于發(fā)電路面裝置方面，內蒙古科技大學方桂花等為有效收集車輛對減速帶沖擊作用產生的能量，提出了基于液壓傳動技術的路面發(fā)電裝置。簡小娟將發(fā)電機構與液壓機構組合開發(fā)了一種發(fā)電道路結構，進行行車荷載下的路面能量收集。上海海事大學梅瀟對現有機械式路面發(fā)電裝置的動力傳動部分進行改進，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)電系統(tǒng)，將路面荷載機械能通過旋轉動能轉化為電能。國內發(fā)電路面研究現狀關于發(fā)電路面裝置方面，內蒙古科技大學方桂花等為有效收集車輛對12國內發(fā)電路面研究現狀利用減速帶發(fā)電減速帶發(fā)電裝置示意圖國內發(fā)電路面研究現狀利用減速帶發(fā)電減速帶發(fā)電裝置示意圖13關于磁能發(fā)電路面方面，湖南工程學院曾憲桃結合下坡路段行車安全性保護措施的特性，提出了收集下坡車輛對國內發(fā)電路面研究現狀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)電裝置中強磁鐵的上下切割磁感線運動產生感應電流。關于磁能發(fā)電路面方面，湖南工程學院曾憲桃結合下坡路段行車安全14國內發(fā)電路面研究現狀關于壓電路面材料應用方面，安徽省公路橋梁工程有限公司王遠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生的能量。國內發(fā)電路面研究現狀關于壓電路面材料應用方面，安徽省公路橋梁15關于壓電瀝青路面方面，同濟大學趙鴻鐸等提出了一種路面應力驅動和振動驅動能收集技術，并將鈸式壓電換能器以固定方式增設到瀝青混凝土層間結構中，對其能量收集效率進行了初步探討。武漢理工大學吳少鵬等在室內將PZT壓電換能器挖坑填補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性能。國內發(fā)電路面研究現狀關于壓電瀝青路面方面，同濟大學趙鴻鐸等提出了一種路面應力驅動16國內發(fā)電路面應用方面，2011年中國昆明新機場路面修筑過程中應用了綠色機場路面能量收集系統(tǒng)，成功地將行車荷載轉化為電能用于機場道路的照明與行車警示系統(tǒng)，該系統(tǒng)解決了機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應用到路面減速裝置中，實現了能量的轉換存儲再利用。國內發(fā)電路面研究現狀國內發(fā)電路面應用方面，2011年中國昆明新機場路面修筑過程中17國內發(fā)電路面研究現狀昆明長水國際機場國內發(fā)電路面研究現狀昆明長水國際機場18風能發(fā)電路面風能發(fā)電路面是在道路行車道的兩側安裝風能收集裝置，依靠車輛行駛產生的攜帶風使風能收集裝置的葉片組旋轉，其工作過程為：行車機械能轉化為風能，風能轉化為旋轉動能，旋轉動能轉化為電能。道路系統(tǒng)中的風能收集裝置發(fā)電原理較為簡單，風吹動葉片組帶動發(fā)電轉子工作，發(fā)電轉子內線圈切割磁感線而產生電能不同類型發(fā)電路面簡介及適用性評價風能發(fā)電路面不同類型發(fā)電路面簡介及適用性評價19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化設備，當機動車駛過勢能轉化設備時將行車荷載的動能轉化為勢能，最后通過勢能的變化而產生電能?；趧菽艿陌l(fā)電路面大致分為３種類型：不同類型發(fā)電路面簡介及適用性評價勢能發(fā)電路面不同類型發(fā)電路面簡介及適用性評價20道路結構內部布設勢能轉化器，勢能轉化器由可變形的構件和構件內部的液體組成。當機動車駛過勢能轉化設備時，可變形構件發(fā)生沖擊性形變，構件內部的液體按照預定的方向沖擊性流動，液體的流動帶動發(fā)電轉子轉動而發(fā)電。道路結構內部布設勢能轉化器，勢能轉化器內部的發(fā)電構件由彈性材料構成，當機動車駛過勢能轉化設備時，發(fā)電構件在行車荷載的作用下上下移動，發(fā)電構件內線圈上下方向切割磁感線而發(fā)電。道路結構內部布設勢能轉化器，勢能轉化器由可變形的構件和構件內部的帶電性離子液體組成。道路內部的液體可變形構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生電能。不同類型發(fā)電路面簡介及適用性評價道路結構內部布設勢能轉化器，勢能轉化器由可變形的構件和構件內21光能發(fā)電路面太陽能的使用讓光電轉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)電領域的應用也逐漸普及?；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：不同類型發(fā)電路面簡介及適用性評價光能發(fā)電路面不同類型發(fā)電路面簡介及適用性評價22不同類型發(fā)電路面簡介及適用性評價將太陽能板鋪筑在路面中不同類型發(fā)電路面簡介及適用性評價將太陽能板鋪筑在路面中23在道路表面層直接鋪筑光能采集構件，將收集到的光能通過光電轉化裝置轉化為電能進行利用。光電轉化裝置一般布置在鋪筑光能采集構件的路面外部。在道路表面設置透明材料層，保證光能最大限度地透射到透明材料之下的光能采集設備表面，將收集到的光能通過電轉化裝置轉化為電能進行利用。這種發(fā)電路面系統(tǒng)中，光電轉化裝置一般布置在光能采集設備下的路面內部。不同類型發(fā)電路面簡介及適用性評價在道路表面層直接鋪筑光能采集構件，將收集到的光能通過光電轉化24熱能發(fā)電路面熱電材料是一種利用熱電效應將熱量差轉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，借助路面內部的熱電材料利用溫度差將熱能轉化為電能，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。不同類型發(fā)電路面簡介及適用性評價熱能發(fā)電路面不同類型發(fā)電路面簡介及適用性評價25不同類型發(fā)電路面簡介及適用性評價不同類型發(fā)電路面簡介及適用性評價26壓電發(fā)電路面壓電材料主要依靠材料的壓電效應將機械作用力轉換為電能，將其應用到道路工程中可以實現將行車荷載帶來的機械能轉化為電能?；趬弘娔艿陌l(fā)電路面的研究開辟了壓電材料在道路領域的應用，利用壓電材料將行車荷載帶來的機械能轉化為電能具有不可預估的經濟、社會效益。不同類型發(fā)電路面簡介及適用性評價壓電發(fā)電路面不同類型發(fā)電路面簡介及適用性評價27不同類型發(fā)電路面簡介及適用性評價不同類型發(fā)電路面簡介及適用性評價28目前，發(fā)電路面主要存在以下問題：國內外發(fā)電路面存在問題發(fā)電路面體系尚未建立發(fā)電路面完整的體系應包括：發(fā)電材料和構件設計理論、發(fā)電路面設計理論、發(fā)電路面能量收集理論、發(fā)電路面施工技術及發(fā)電路面運營管理、發(fā)電路面經濟性評價等。現有針對發(fā)電路面的研究成果中，只對發(fā)電路面的應用前景進行宏觀描述，只對發(fā)電理論和收集理論進行深入研究，這種對發(fā)電路面研究的局限，導致現有發(fā)電路面出現發(fā)電性能差，耐久性差等問題。目前，發(fā)電路面主要存在以下問題：國內外發(fā)電路面存在問題發(fā)電路29國內外發(fā)電路面存在問題換能材料與路面材料研究尚未一體化現有研究中一般將換能材料直接用于制備換能元件后進行使用。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。國內外發(fā)電路面存在問題換能材料與路面材料研究尚未一體化30國內外發(fā)電路面存在問題缺乏換能元件優(yōu)選與保護措施設計相關研究現有發(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部發(fā)揮換能效應，換能元件主要發(fā)揮將道路系統(tǒng)能量轉化為電能的作用，各類型換能元件電能轉換效率不同；現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生應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。國內外發(fā)電路面存在問題缺乏換能元件優(yōu)選與保護措施設計相關研究31國內外發(fā)電路面存在問題發(fā)電路面匹配性差現有發(fā)電中壓電換能器的價格昂貴，其大規(guī)模的應用不利于建設的經濟性。故應針對發(fā)電路面的應用環(huán)境開發(fā)多種應用方式，使其適合于所有道路的推廣應用。而現有針對發(fā)電路面的研究成果，都是采用將壓電換能器置入路面內部的方式。壓電換能器在路面內部的存在方式、與路面的整體耦合性、耐久性都沒有經過實踐證明，發(fā)電路面各構件與多功能的匹配應用有待深入研究。國內外發(fā)電路面存在問題發(fā)電路面匹配性差32國內外發(fā)電路面存在問題缺乏換能元件結構保護層系統(tǒng)研究路面結構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構內部的應力分布，在車輛荷載的作用下，發(fā)電路面內部極易由道路材料和換能元件的粘結性、耦合性不足而發(fā)生破壞。缺乏新型能量收集系統(tǒng)現有發(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，導致發(fā)電路面只能收集到極為微弱的電能。國內外發(fā)電路面存在問題缺乏換能元件結構保護層系統(tǒng)研究現有發(fā)電33智能壓電發(fā)電路面新技術研究基于壓電瀝青混凝土的發(fā)電路面結構是通過將電極在壓電瀝青混凝土層中的布設，對發(fā)電路面結構進行優(yōu)化的設計。壓電路面有兩種電能產生形式，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生電荷，并對電荷進行收集。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生電荷，并對電荷進行收集?；趬弘姙r青混凝土的發(fā)電路面研究智能壓電發(fā)電路面新技術研究基于壓電瀝青混凝土的34智能壓電發(fā)電路面新技術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試驗機上表現的壓電性能較好，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要求的標準，說明其對試件的極化處理產生了作用和效果。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。智能壓電發(fā)電路面新技術研究壓電瀝青混凝土發(fā)電35智能壓電發(fā)電路面新技術研究根據試驗的結果，將壓電材料和導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應用在其中能夠取得一定的效果，具有可行性和科學性。新型材料與路用原材料有著良好的相容性，對壓電材料的應用不會使得施工變得復雜，也不用進行額外的精細化處理，對比普通瀝青材料僅有小幅的成本增加，而獲得的收益遠遠大于所增加的成本，經濟效益良好，具有推行的可行性。智能壓電發(fā)電路面新技術研究根據試驗的結果，將36智能壓電發(fā)電路面新技術研究根據試驗的結果，將壓電材料和導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應用在其中能夠取得一定的效果，具有可行性和科學性。新型材料與路用原材料有著良好的相容性，對壓電材料的應用不會使得施工變得復雜，也不用進行額外的精細化處理，對比普通瀝青材料僅有小幅的成本增加，而獲得的收益遠遠大于所增加的成本，經濟效益良好，具有推行的可行性。智能壓電發(fā)電路面新技術研究根據試驗的結果，將37智能壓電發(fā)電路面新技術研究結合現有壓電元件結構類型，充分考慮壓電元件的能量轉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。保護材料應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材料?；趬弘娫陌l(fā)電路面性能研究智能壓電發(fā)電路面新技術研究結合現有壓電元件結構38智能壓電發(fā)電路面新技術研究選用材質為壓電陶瓷，緩沖材料選為橡膠墊智能壓電發(fā)電路面新技術研究選用材質為壓電陶瓷，緩沖材料選為橡39智能壓電發(fā)電路面新技術研究

基于上述壓電元件和保護材料，采用單面和全面覆蓋式保護措施，將壓電元件埋入到瀝青混凝土內，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，在碾壓輪經過時2個二極管交替閃光，這表明在不同的時間段內有不同方向的電流產生，結合示波器測試的波形分析壓電元件作為電源產生的是交流電。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受行車荷載時產生的電能大于壓電元件在恢復形變時產生的電能。智能壓電發(fā)電路面新技術研究基于上述壓電元件和保40智能壓電發(fā)電路面新技術研究膠輪儀示波器智能壓電發(fā)電路面新技術研究