路面压电能量收集的研究与应用

作     者：徐啸尘 

作者单位：交通运输部公路科学研究所 

学位级别：硕士

导师姓名：曹东伟

授予年度：2017年

学科分类：08[工学] 0814[工学-土木工程] 

主      题：压电换能器 能量收集 压电路面 模块化封装 

摘      要：道路作为国家重要的基础设施,承担着人员、货物运输等重要功能,其在使用过程中,每年要承担数百万至千万次的车辆碾压,其产生的振动能是非常可观的。压电技术利用了压电材料的机电耦合特征,直接将机械振动能量转化为电能,为路面振动能量收集提供了可能。本文对压电技术国内外研究情况进行了调研,研究了路用压电换能器的结构与性能,设计了适用于路面的换能器封装盒,并对整套路用压电换能设备进行了能量收集测试。实验与应用结果证明该技术能够应用于路面工程中。文章的主要内容包括:（1）研究了三种形式的压电材料结构的工作原理和特性,并对压电材料进行了抗压强度测试,压电陶瓷抗压强度为197MPa,远大于路面车载;进行了发电能力测试,在1kN、10Hz荷载作用下,最高电压能够达到70V。设计了堆叠式压电换能器元件的加工工艺,进行了疲劳测试,在5kN荷载作用10万次后,退极化仅为2.95%。并制作了能够匹配路用封装盒的压电单元。对悬臂梁式压电换能器的不同压电片安装位置进行了测试,在悬臂梁固定端处附近安装压电陶瓷发电效率更高。并分析了不同形式压电换能器结构的适用范围。（2）对压电换能器封装盒进行了设计,从材料选择、结构设计、安装整合三个方面,叙述了压电元件与封装盒协同工作的原理和具体实现方式,并制作了可应用的工程样品。进行了压电换能器封装盒的室内振动台实验,在5~25Hz频率下,均能成功点亮36颗LED灯组。（3）试验了压电换能封装盒的两种施工埋设方式:在道路施工过程中埋设以及在成型的道路上埋设,对比两种埋设方式的优劣,经过分析,在成型道路上埋设是更优的方案,橡胶沥青的灌缝胶具有强度高、施工时间短等优点,是良好的灌缝材料。进行了路面车辆碾压测试,车辆在驶过压电封装盒时,至少能使36颗LED灯组闪亮一次,表明压电换能器封装盒在实际道路上使用是可行的。