基于壓電發(fā)電原理的校園路面的可行性探究

靳霄微?朱銘?陳涵康?李曉?陳凱江

摘 要：在社會和經(jīng)濟(jì)不斷發(fā)展的同時，我們也迎來了資源短缺，環(huán)境污染等問題，開發(fā)可利用的綠色新型能源，成為當(dāng)今時代的熱點(diǎn)。本文通過分析學(xué)校特點(diǎn)和壓電效應(yīng)的適用條件，算其作用下可以產(chǎn)生的效益，探究壓電發(fā)電路面在校園中的可行性，順應(yīng)當(dāng)今時代節(jié)能環(huán)保的主題。

關(guān)鍵詞：壓電效應(yīng);校園路面;電能

我們科技不斷進(jìn)步的同時，也遇到了各種各樣的問題：交通事故數(shù)量的增加，資源短缺等等。為了實現(xiàn)國家可持續(xù)發(fā)展，我們國家在不斷向著綠色環(huán)保型方向發(fā)展。為了緩解我們的資源壓力，順應(yīng)國家的可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略，本文研究了一種在學(xué)校的路面發(fā)電的裝置系統(tǒng)，將該系統(tǒng)用于人流量和車流量較大的路段，在不影響路面使用狀況的同時還可以產(chǎn)生電能并儲存起來，供給學(xué)校的用電設(shè)施。

1 壓電效應(yīng)

由于電介質(zhì)在某些方向上受力內(nèi)部產(chǎn)生極化現(xiàn)象從而產(chǎn)生電荷運(yùn)動的現(xiàn)象稱為壓電效應(yīng)，壓電效應(yīng)的主要原理就是將機(jī)械能轉(zhuǎn)換為電能。受到壓力時，材料的兩端產(chǎn)生電荷生成電壓的材料稱之為壓電材料，根據(jù)給壓電材料施加不同的條件可以將壓電效應(yīng)分為正壓電效應(yīng)和負(fù)壓電效應(yīng)：當(dāng)對壓電材料施加壓力時，壓電材料為抵抗外力產(chǎn)生相反相等的電荷來保持壓電材料之前的狀態(tài)。當(dāng)外力去掉之后，又恢復(fù)到不帶電的狀態(tài)，這就是正壓電效應(yīng);而逆壓電效應(yīng)則是，在壓電材料極化的方向上施加外力產(chǎn)生變形的過程的同時再給其施加電場，壓電材料隨之發(fā)生變形，當(dāng)電場去掉后，壓電材料的變形隨之消失。正壓電效應(yīng)和逆壓電效應(yīng)的原理圖如下圖所示：

考慮到不同的性能需求，可以將壓電材料按照串聯(lián)和并聯(lián)連接。兩種連接方式下產(chǎn)生的總電能是一樣的，但是在串聯(lián)方式下產(chǎn)生的輸出電流更大，而并聯(lián)方式下產(chǎn)生的輸出電壓更大，可以在為不同的電器供能的時候根據(jù)需要選擇不同的連接方式，不論是串聯(lián)還是并聯(lián)都可以產(chǎn)生很大的效益。而且學(xué)校的可用道路面積也很大，可以根據(jù)不同的用電裝置按照不同的連接方式安裝一定數(shù)量的壓電陶瓷，來達(dá)到我們的用電需求。

2 校園特點(diǎn)

以華北理工大學(xué)為例，校園路面大多以瀝青路面為主，有少量的磚石路面且具有很大面積的范圍。瀝青路面具有抗車轍，抗老化，耐候性好等特點(diǎn)會很好的保護(hù)壓電材料的不被損壞。當(dāng)瀝青和不同的礦料混合料結(jié)合會產(chǎn)生不同的效能和作用。而且學(xué)校的路基很密實，穩(wěn)定且均勻，具有很好的排水系統(tǒng)。另外學(xué)校的路面大都是很平整的路面，施工方面可以很方便。

在人流量方面，學(xué)校在校學(xué)生有三萬多人，每天上課的人流量更可以達(dá)到幾萬人次，尤其在一些人流量較大的路段，會產(chǎn)生很大的經(jīng)濟(jì)效益。在車流量方面，學(xué)校在職員工六千人次，每天的上下班的電動車，私家車和班車不計其數(shù)，每輛車平均產(chǎn)生的壓力有40000牛，那每天產(chǎn)生的壓力就可達(dá)24×107N，再轉(zhuǎn)換為電力也會是一個可觀的數(shù)據(jù)。還有操場這種運(yùn)動的場地，產(chǎn)生的壓力會更大，我們再將這些轉(zhuǎn)換的電力儲存起來，會有更加可觀的效益。所以，將壓電路面設(shè)在校園里具有很大的可行性。

3 產(chǎn)生發(fā)電量的效益分析

根據(jù)以往的計算和研究得出，不同重量的汽車和不同速度的汽車在輸出電能方面和獲得的電壓方面也是不同的，一般來說速度越快，重量越大的車輸出的電壓更高。

涉及到的公式有：

其中 F——豎向力Cp——壓電等效電容U——開路電壓 H——厚度Y——彈性模量A——橫截面積η——轉(zhuǎn)換功率

我們假設(shè)開路電壓為300V，每個壓電陶瓷的電容為4nF，一個盒子里面有12組電換能結(jié)構(gòu)。，根據(jù)公式可以計算出產(chǎn)生的電能E=2.160mg。

那汽車對路面的做功：假設(shè)某普通轎車，單輪荷載為4KN，H盒子高度為8cm，E為彈性模量取盒子的整體模量為2GPa，盒子的橫截面積A=0.3×0.3=0.09m2，可以計算出小轎車單輪對盒子的做功：W=3.56mg

經(jīng)計算，在每天一萬次碾壓路面的情況下，該壓電路段可轉(zhuǎn)換出電能大約為0.3kW·h，那一年產(chǎn)生的電量大概為109kW·h。若學(xué)校的路燈每年需要110W的電量，那每小時可以供990個路燈使用一年。而且，隨著技術(shù)的進(jìn)步和發(fā)展，電能的轉(zhuǎn)換功率只會越來越高，儲存下來可用的電量會更多，那我們可以利用的資源就越來越多了，而這些的成本卻是微乎其微的。

4 結(jié)語

21世紀(jì)的今天，綠色能源越來越受人重視，更多的可持續(xù)發(fā)展的能源被發(fā)現(xiàn)并應(yīng)用。壓電發(fā)電路面作為一種新型的可再生的綠色能源，具有巨大的經(jīng)濟(jì)效益和廣闊的發(fā)展前景，同時也順應(yīng)時代發(fā)展的腳步，符合我國的可持續(xù)發(fā)展政策。

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指導(dǎo)老師：陳凱江

作者簡介：靳霄微，女，漢族，本科，華北理工大學(xué)建筑工程學(xué)院。