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作者：邱龙盐城工学院

学位级别：硕士

为加快落实交通强国,发展智慧路面,倡导绿色交通,利用压电陶瓷力电耦合特性,将蕴含庞大的道路振动能量转化成电能,是顺应新时代低碳、环保、节能的发展需求。然而路面发电技术仍然面临着能量转换效率低下、复杂交通载荷变化等挑战,制约... 详细信息

为加快落实交通强国,发展智慧路面,倡导绿色交通,利用压电陶瓷力电耦合特性,将蕴含庞大的道路振动能量转化成电能,是顺应新时代低碳、环保、节能的发展需求。然而路面发电技术仍然面临着能量转换效率低下、复杂交通载荷变化等挑战,制约着压电陶瓷在路面发电中的应用。本文从压电陶瓷材料和俘能器结构两方面入手,开发高换能系数的压电陶瓷材料,并基于理论分析和有限元仿真手段对俘能器发电效率等进行研究,最后结合试验对设计的路面俘能器在车速、负载和电路影响下的能量回收特性,为道路沿线提供一种潜在新型的可再生能源。采用传统固相法在1400℃制备了(BaCa)(ZrTi)O(BCZT)无铅压电陶瓷,分别通过改变Ca和Zr含量分析组分对陶瓷微结构和电学性能的影响。在此基础上,添加Cu O作为掺杂剂和助烧剂到(BaCa)(ZrTi)O,利用固相法在1250℃下烧结成型。在少量Cu O掺杂下,其介电性能和压电性能均随Cu O含量的增加而增加。BCZT-x Cu在x=1 wt%时具有最佳性能:d=315 p C/N,k=34%,ε=3213,tanδ=2.71%。制备了新四元铅基压电陶瓷x Pb(FeNb)O-(0.57-x)Pb(NiNb)O-0.43Pb(ZrTi)O(xPFN-PNN-PZT),研究了微观结构和电性能之间的变化规律,利用组分调控手段,诱导陶瓷的相结构在准同型相界(MPB)附近,从而获得高压电常数的压电陶瓷材料。结果表明,在PFN含量为0.045时,观察到相结构处于R-T相共存的MPB附近,获得了最佳性能:d=961 p C/N,k=0.716,ε=6298和tanδ=3.1%。对比了无铅BCZT和铅基PFN-PNN-PZT压电陶瓷的d×g值,铅基PFN-PNN-PZT压电陶瓷的换能系数远高于无铅BCZT体系陶瓷,xPFN-PNN-PZT更适合在能量回收领域应用。进一步利用有限元软件进行数值建模,分别探究结构参数对悬臂梁压电俘能器的振动特性及力电特性的影响规律,包括压电陶瓷的粘贴位置、悬臂梁长宽比和厚度等。基于仿真结果,通过搭建振动俘能平台,将xPFN-PNN-PZT压电陶瓷制作成悬臂梁俘能器并进行测试。结果表明,开路电压随激励加速度的增加而增加,0.045PFN-PNN-PZT在5g加速度下获得28.4V的最高电压。测得0.045PFN-PNN-PZT压电陶瓷能量密度高达3.95μW/mm。设计了一种新型路面压电俘能器,利用磁力避免压电陶瓷损坏,通过基于路面车载发电理论的研究结果,通过不同的车速、不同的负载和不同的接口电路对新型路面压电俘能器展开实验。实验结果表明,随着车速的增大,整流前后的峰值电压也随着增大,但是电压的干扰变多,稳定性降低;随着负载的增加,收集到的能量先增后减,标准能量回收电路(SEH)中10 km/h车速下的最佳负载下获得了2.73 m J的最大能量;10 km/h的车速和20 kΩ电阻时,电容同步开关采集电路(SSHC)的输出能量对比SEH电路最高可提升66.3%。在最佳负载40 kΩ时,峰值能量输出SSHC相比SEH提升了11.3%。

关键词：压电陶瓷 BCZT PFN-PNN-PZT 能量回收压电俘能器压电路面

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悬臂梁压电俘能器结构设计与电学性能有限元分析

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长安大学学报（自然科学版） 2023年第6期43卷 25-36页

作者：李辉许龙舟毛鹏谢正阳赵信博王振军长安大学材料科学与工程学院陕西西安710064

为探明压电俘能器结构参数和不同压电材料对其电学输出性能的影响,基于压电效应,运用有限元仿真分析方法,采用COMSOL Multiphysics软件中的结构力学模块和AC/DC模块,建立悬臂梁压电俘能器初始结构模型,并对使用不同压电材料的俘能器进... 详细信息

为探明压电俘能器结构参数和不同压电材料对其电学输出性能的影响,基于压电效应,运用有限元仿真分析方法,采用COMSOL Multiphysics软件中的结构力学模块和AC/DC模块,建立悬臂梁压电俘能器初始结构模型,并对使用不同压电材料的俘能器进行电学输出性能分析。研究结果表明:根据汽车在路面行驶的速度,得出路面振动频率为6.67~13.33 Hz,不超过20 Hz。路面振动频率为0~18 Hz时使用PZT-5H的俘能器电学输出性能较高,路面振动频率为19~20 Hz时使用PZT-5A的俘能器电学输出性能较好,根据路面实际振动频率范围建议选用PZT-5H;根据电学性能输出效果,对初始俘能器进行结构优化,得到优化后的结构参数[支撑结构尺寸(长×宽×高)为(1×20×1)mm^(3)、压电材料尺寸为(30×20×0.06)mm^(3)、金属基板尺寸为(30×20×0.1)mm^(3)、质量块尺寸为(4×20×1)mm^(3)];振动频率为10 Hz、振动加速度为1g条件下,计算得到悬臂梁压电俘能器的最佳外接负载为35 kΩ,对应的输出电压为0.30 V、输出功率为1.24×10^(-6)W,相对于优化前的俘能器输出电压(0.19 V)和输出功率(0.22×10^(-6)W)分别提升了58%和463%;对悬臂梁压电俘能器进行特征频率分析,计算得到其1阶特征频率为76.9 Hz;而悬臂梁压电俘能器在频率为0~20 Hz工作时,输出电压和输出功率均随着路面振动频率增加而增加;此时路面振动频率远离1阶特征频率,不会对使用寿命产生影响,证明所设计的俘能器模型在路面振动频率范围内使用是合理的。

关键词：道路工程压电俘能器有限元方法悬臂梁压电路面

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路面压电能量收集的研究与应用

路面压电能量收集的研究与应用

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作者：徐啸尘交通运输部公路科学研究所

学位级别：硕士

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... 详细信息

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。

关键词：压电换能器能量收集压电路面模块化封装

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