基于用于路面的堆叠式压电能量收集单元的发电装置的制造和性能外文翻译资料

能源转换与管理

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基于用于路面的堆叠式压电能量收集单元的发电装置的制造和性能

摘 要

尽管用于路面的压电发电在技术上是可行的，但是以稳定有效的方式收集能量仍然存在一些挑战。本文设计并评估了用于人行道的堆叠式压电能量收集发电装置，其中考虑了能量输出和道路耦合。根据相应的技术规格，确定所建议的发电设备的尺寸，并对该单元进行组装，以进行电能输出方面的后续测试。通过对单元的不同串联和并联配置，不同负载和频率条件来分析能量输出。结果表明，尺寸为100mmtimes;100mm的发电装置可实现最佳的发电输出。电气输出与并联压电能量收集单元的数量，负载的大小以及行进频率呈正相关。在0.2MPa负载强度和10Hz负载频率下的最大输出为0.88 mW，相应的最佳负载为20kOmega;。在0.7MPa和15Hz负载水平下的最大输出可以达到11.67mW，相应的最佳负载为10kOmega;。随后，以40,000个负载循环执行机械测试和仿真（MTS），并且发电设备的整体变形最小，并且压电能量收集单元的电输出保持稳定。最后，讨论了未来的研究计划。

1简 介

由于环境污染，能源短缺和其他问题，环境微能源的收集和利用已逐渐成为各种行业的重要研究方向。 现有的压电能量收集技术可以通过压电材料的压电效应将机械振动能转换为电能[1-6]。 如果将此类技术应用于道路路面工程以开发压电动力路面，则可以实现从道路机械振动到电能的绿色过渡的概念。 目前，对路面压电动力技术的研究证明，压电动力路面在技术上是可行的。 两种技术方法是基于压电材料和路面材料集成的动力路面技术和基于嵌入式压电能量收集单元的动力路面技术[7]。基于集成的电力路面技术的压电材料和铺装材料涉及压电和铺装材料的结合以及通过一定过程直接用于铺装铺装的用于铺装的压电复合材料的制备。然而，受材料性能和制备工艺的限制，对压电复合材料的研究仅涉及机电响应方面。 谭等。 [8] 通过热压印制备了0–3压电陶瓷/沥青复合压电材料，在动态负载下的最大输出电压为7.2V。 王等。 [9]用电气石，压电陶瓷和石墨制备了两种形式的d31和d33压电沥青混凝土。 在绝缘处理，压电材料纤维化和极化处理这三种措施的综合处理下，输出电压达到2.4V。 在制备用于路面的高效压电复合材料时出现许多问题。 例如，涉及的技术困难和干扰因素很多，并且压电复合材料的能量输出效果差。与此同时，电路性能很难保证。因此，研究应探索压电材料的研究与发展，极化的方法和制备工艺的优化，以及电路性能的改善，以提高道路压电复合材料的综合应用性能。

在基于嵌入式压电能量收集单元的动力路面中，电力路面嵌入了压电能量收集单元以进行能量转换。与基于压电材料和铺装材料集成的电力铺装技术相比，嵌有压电能量收集单元的电力铺装具有较高的能量输出水平，较强的可控制性和相对简单的实现。 因此，后一种可能在将来实现路面压电发电。 目前，许多国家已经进行了相关研究。 赵和纳吉尼等。 [10,11] 使用有限元软件比较了道路环境中多层悬臂和的能量输出效率，祥等得出结论[12]，多层换能器的能量输出相对较好。 X研究了嵌入路面的压电能量收集单元的理论参数，发现驱动速度，基本条件和系统阻尼对压电能量收集单元的输出电压和输出功率有重要影响。 金等结论[13]。Moure等[14] 发现负载情况，负载频率和能量收集单元的层数是增加输出电压的关键点。通过实验室测试优化了optimized收割机的结构参数，发现单个found吊收机在单个驱动负载下可以收集高达16micro;W的功率。 基于嵌入式压电能量收集单元的动力路面技术显然仍处于探索阶段。 尽管该技术在能量获取方面具有前瞻性应用，但是诸如压电能量收集单元和道路交通环境的匹配的不完美优化以及不理想的能量输出等问题仍需要立即解决。

鉴于单个能量收集单元的能量输出有限，必须将大量压电元件以特定的阵列铺装在路面结构中，以实现路面的大量的压电能量输出。 如果将压电式能量收集单元一一掩埋，则施工操作将变得复杂，发电性能将会降低，并且将会出现结构损坏问题。因此，基于集成压电能量采集单元的发电装置的开发，将成为未来实现压电动力路面的主流技术。以色列的Innowattech公司[15,16]开创了压电技术在电力路面系统中的应用，并植入了大量普通沥青路面中的压电晶体； 在1公里的道路上，可以产生大约100-200 kW·h的电力，但是到目前为止，这种应用尚未得到广泛推广。美国德克萨斯大学[17]开发了一种发电装置，该装置包括三层串联的PZT棱镜。在10 Hz的模拟驱动负载下测得的输出功率为3.5 mW。 Jiang [18,19]结合了三个堆叠的压电能量收集单元，并构建了一个用于模拟测试的简单发电设备。 结果表明，在匹配负载为350kOmega;时，最大输出功率高达85 mW。 Roshani [20]在组装好的发电装置上进行了单轴压缩试验，该发电装置的压电能量收集单元被两对铜夹持。 结果表明，压电能量收集单元的数量和布置会引起输出功率的变化。Wang [21,22]研究了实现压电动力路面的方法，并设计了压电发电设备的基本结构。 这项工作为压电动力路面的研究和应用提供了参考。然而，在集成发电设备的开发中仍然需要解决许多问题。例如，道路交通环境匹配的优化不完善，能量输出不理想。 此外，大多数研究都通过软件模拟或简单的室内测试对植物进行了初步探索。 因此，用于改善能量输出的集成发电装置的实质性研究仍然有限。

综上所述，许多国家从不同层次，不同角度研究了不同类型的压电动力路面技术。主流思想偏向于整合基于压电能量收集单元的发电设备但现有研究中公开的器件设计与实现方法较少，基于压电集能单元的路面高效发电装置的研究与开发还处于起步阶段。

为了实现压电发电路面的应用，我们设计了一种将能量输出和道路耦合集成在一起的路面发电装置。发电设备的结构和尺寸基于交通负荷特性而优化。 建立了完整的生产和组装过程。利用测试平台对压电发电装置的能量输出进行了全面的研究。然后，分析了不同发电装置在不同串并联配置、不同负荷、不同频率条件下的能量输出状态。最后，对所提出的发电装置的工作寿命进行了评估。

2.路面压电发电装置的设计

压电发电装置本质上是与压电收集单元集成在一起的载体装置。该装置的能量输出直接受到压电集能单元发电性能的影响，必须将该装置敷设在路面结构中，在驱动载荷滚动下产生压电效应。因此，基于能量收集单元的发电原理，根据能量收集单元的机电转换原理和道路结构特点，设计了该装置的结构。根据路面的行驶载荷特性，优化了装置的尺寸。

2.1。能量收集单元的发电理论

由于压电能量采集单元由发电装置的能量转换元件组成，因此压电材料的类型对能量转换效率有着重要的影响。压电陶瓷换能器(压电)是使用最广泛的材料的能量采集单元,和它的力量-电转换模式主要是d31(电场的方向是垂直于轴向应力的方向)和d33(电场的方向和压力的方向都是相同的)。Cook-Chennault等人[4]发现PZT的压电系数d33远大于d31，说明d33模式具有更高的能量转换效率。利用第三类压电方程分析了PZT的发电性能。带d33模式的压电方程如下:

S₃（t）=s₃₃^DT(t) g^tD₃(t) （1）

E₃(t)=-g₃₃T₃(t) beta;₃₃^TD₃(t) （2）

S年代应变常量,T是应力常量,D是电位移常量,E是电强度常量,S D是开放弹性柔度常数矩阵,beta;T是免费的介电隔离率矩阵,g是电压常数矩阵,g T是转置矩阵g。如果压电陶瓷受到竖向荷载(F Fomega;t = maxsin()),然后D3, T3, E3, S3和F sinusoidalfunctions时间T和有相同的频率。

堆叠式压电能量采集单元是d33型压电结构的一种，它能有效地提高电压输出，提高低频状态下[24]下的能量转换效率。因此，叠层压电能量采集单元更适合于高应力、低频振动的道路环境。并联机组的输出电压和功率可由下式[23]表示:

串联机组的输出电压和功率可以用下式表示

d33压电系数,T 33是介电常数ε,Cp是电容单元,h的厚度单元,一个单元的面积,n是单位的串联和并联连接,Fm频率,R是负载电阻。

多层压电能量采集装置的输出功率与串联和并联连接不仅d33相关,h, A,和εT 33岁,但n,调频,omega;/ 2pi;,r .因此,能量输出影响的设备将被测试的不同的串联和并联配置的能量采集单元,不同的负载,不同频率的条件。

2.2。结构设计

集成压电发电装置的能量输出效率除了受到压电能量单元的影响外，还受到道路交通特性的影响。因此，我们综合考虑了压电集能单元的机电转换和道路结构特性，并考虑了以下压电发电装置的技术要求。(1)促进压电动力单元的机电转换。(2)设备与道路结构的耦合应处于高水平，设备必须具有良好的耐久性。(3)对压电收获装置及其传输线进行有效的固定和保护。(4)设备的建造和维护应方便，设备本身必须可重复使用。考虑到以上技术要求，我们

设计了一种基于集成堆叠的压电收获单元的压电发电装置。该装置主要由刚性轴承座壳、连接部件、能量采集单元及其载体衬底等部件组成。结构如图1所示。

2.3。设备尺寸

通过使发电装置的尺寸和位置与道路荷载特性相匹配，可以实现对荷载的有效利用和压电能量的最优输出。因此，考虑到车轮路径的横向分布特性、轮胎地面特性和驱动滚动条件，我们对压电发电装置进行了尺寸优化，建立了不同交通条件下压电发电装置的优化设计方案。

（1）基于轮轨横向分布的发电装置尺寸优化设计

由于交通标志的约束引导，车辆车轮路径的分布具有明显的集聚性。据统计，约27%的道路宽度承担了近60%的车辆荷载[25]。考虑到压电动力路面应用的工程经济性，将发电装置布置在主轨道宽度范围内。单个压电功率器件横向最大尺寸的初始极限不应超过500mm。

(2)基于轮胎接地特性的发电装置尺寸优化设计

与传统路面力学模型中的圆形均匀荷载相比，实际行驶荷载的轮胎往往为矩形[26]。轮胎的侧地宽度与轮胎的胎面宽度基本相同，轮胎的胎面宽度是截面宽度的0.7-0.85倍[27,28]。根据汽车常用轮胎类型的模型，计算出汽车轮胎的水平地面宽度在110-220毫米范围内，卡车轮胎水平地面宽度在130-260毫米范围内。轮胎纵向长度随载荷增大而增大，随胎压增大而减小[28-30]. 随着正常胎压载荷的增加，205型轿车轮胎纵向接地长度从104 mm增加到142 mm，轮胎接地长度为124 mm。11000 - 20型重型车辆的轮胎长度一般在200 - 300毫米之间。考虑到大多数交通负荷的使用，城市应用的发电设备的垂直尺寸应在100 - 120mm之间，交通拥挤的情况下，其尺寸应小于或介于200 - 300mm之间。然而，发电设备的大小应该使它能够承担大部分的交通负荷。因此，设备的大小应该在下限。综上所述，根据城市交通环境，将发电装置的垂直和水平尺寸设置为100 mmtimes;100 mm，可以保证所有交通负荷的平衡。机组内的设备安装、施工方便、生产成本等因素必须加以考虑。设备尺寸设置为100 mmtimes;100 mm和150 mmtimes;150 mm，以适应繁忙的交通环境。100毫米times;100毫米的发电装置可用于城市和交通繁忙的环境。因此，采用100 mmtimes;100 mm型发电装置进行生产和性能研究。

3.设备的制造和优化

发电装置机电转换性能的有效应用需要各部件之间的精确配合。根据不同结构构件的功能要求和材料特性，采用相应的工艺实现标准化加工，优化装配方法。

3.1。设备制造过程

设备制造过程可分为三个步骤:外壳制备、连接元件与基片的制造、设备组装等。

3.1.1。制备壳体

所述发电装置的壳体结构包括顶板、底板和侧壁。顶板、底板均为硬质材料，加工速度快，刚性好，强度高，平整度高，耐久性好。侧壁材料的技术要求相对较低，应与顶板和底板材料相同。该装置的壳体制备过程如图2所示。

3.1.2。制造连接元件和基板

连接部件位于顶板和能量收集单元之间。这些部件具有良好的刚性、强度和抗疲劳性能。选取与能量采集单元直径相同的钢材，经计算机数控(CNC)加工成等高的立柱，均匀调节高度。纤维保温板具有保温隔热的功能。集能单元的桩式限位孔用于方便集能单元的装配，直径为30.2 mm。基片被CNC整平，使得孔的高度相同。

3.1.3。设备组装

在发电装置的装配过程中，能量收集装置和连接部件的高度第二次校准，以将能量收集装置和连接部件之间可能的误差降低到0.01毫米水平。该装置的装配过程如图3所示

3.2。内部配置优化

发电装置的不同配置可以为能量收集单元提供不同的应力环境。因此，设备的能量输出是不同的。因此，必须分析设备在不同配置下的机电响应，以确定设备组件的最佳配置。在不同的盖板、不同的连接元件和

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