壓電技術(shù)在步行集能中的應(yīng)用

文／吉林建筑大學(xué) 李正安 張飛軍

長春工程學(xué)院 徐廣彬

0 引言

2014年，交通運輸部提出了與交通運輸科學(xué)發(fā)展目標(biāo)相符的四大戰(zhàn)略任務(wù)，即開展全面深化改革，加大綜合、智慧、綠色和平安四大交通任務(wù)的快速完善[1]。因此，為實現(xiàn)綠色交通的目標(biāo)，在城市行人密集區(qū)收集行人步行產(chǎn)生的能量，通過相應(yīng)的技術(shù)手段將其轉(zhuǎn)換為監(jiān)控、照明及通訊等設(shè)備供電所需的電能，成為了各國學(xué)者近年關(guān)注的重點熱點課題[2]。

1 步行壓電技術(shù)應(yīng)用現(xiàn)狀

1.1 國外應(yīng)用現(xiàn)狀

日、美、歐等發(fā)達(dá)國家對壓電集能系統(tǒng)進(jìn)行了較長一段時間的研究，在步行壓電集能方向取得了較多的應(yīng)用成果。

日本音力公司設(shè)計發(fā)明了一種可用于轉(zhuǎn)換行人步行振動機械能的發(fā)電地板，行人每踩踏一次即可產(chǎn)生0.2W左右的電能。東日本旅客鐵道株式會社曾在東京火車站安裝了“發(fā)電地板”，進(jìn)行了收集使100W燈泡發(fā)光0.1s的電量試驗[3]。

美國喬治亞理工大學(xué)Orr等[4]利用壓電效應(yīng)原理制作出了可用于收集行人步行能量的智能地板。Alexander和Yoshiyasu Takefuji等[5]都針對行人交通研發(fā)出了用于收集步行能量的壓電裝置并對其進(jìn)行了多次測試。美國麻省理工學(xué)院James Graham等[6]曾利用動力壓電地板收集火車站人群步行產(chǎn)生的振動能量，發(fā)現(xiàn)行人每踩踏一步便可使兩只60W的燈泡亮1s。Shenck等[7]將微型壓電發(fā)電系統(tǒng)植入行人的鞋內(nèi)以收集行人步行時的振動機械能，結(jié)果表明在0.9Hz的行人步頻下，壓電發(fā)電鞋的平均輸出功率為1.3mW。麻省理工大學(xué)Kymisis等[8]探究了三種可以放于鞋底的壓電能量收集裝置，用于分析行人荷載下的能量轉(zhuǎn)換。

1.2 國內(nèi)應(yīng)用現(xiàn)狀

我國也曾圍繞步行壓電技術(shù)進(jìn)行探索，并進(jìn)行了相關(guān)的模擬試驗，研發(fā)出適用于分析行人步行壓電集能的實驗設(shè)備，目前還處于研究的初期階段。

2011年，中科院上海硅酸鹽研究所曾在上海黃浦區(qū)南京路行人密集區(qū)安裝過其開發(fā)的壓電地板，只要行人在上面踩踏或者奔跑便可產(chǎn)生電能，它也是我國第一個利用壓電技術(shù)原理制成的發(fā)電地板[9]。大連理工褚金奎等人將壓電換能單元安置于鞋底，收集行人步行踩踏過程中產(chǎn)生的能量并用于發(fā)電。馬雪芬、施建波[10]等設(shè)計出了能夠發(fā)熱的保溫壓電鞋，將蓄電池和壓電發(fā)電設(shè)備結(jié)合置于鞋內(nèi)，通過收集行人運動產(chǎn)生的能量為足部供暖。長安大學(xué)的張寶亮等[11]針對行人步行產(chǎn)生的機械能，利用壓電效應(yīng)原理研發(fā)了一種換能裝置并將其運用于人行天橋融雪方案中。北京交通大學(xué)的梁林峰和商程宇[12]等人也都設(shè)計出了可用于收集行人荷載能量的壓電俘能器。

可見，國內(nèi)外大多數(shù)對壓電技術(shù)的應(yīng)用研究主要側(cè)重步行踩踏系統(tǒng)開發(fā)，鮮有針對行人步行能量的采集及應(yīng)用方面的研究。因此，根據(jù)壓電技術(shù)原理入手，分析步行壓電技術(shù)實現(xiàn)方法，對于城市道路中行人密集區(qū)照明、監(jiān)控等設(shè)備供電具有重要意義。

2 步行壓電技術(shù)原理

在城市行人密集區(qū)應(yīng)用壓電技術(shù)，是通過收集道路振動能量的壓電換能單元，利用正壓電效應(yīng)原理，實現(xiàn)行人步行振動機械能向電能的轉(zhuǎn)化。步行壓電集能技術(shù)是基于壓電效應(yīng)原理，利用行人踏走過程中自身重力做功，形成步行動荷載并對道路造成的低頻率振動，通過壓電換能單元將行人步行產(chǎn)生的振動機械能轉(zhuǎn)換成電能，實現(xiàn)城市道路行人密集區(qū)壓電技術(shù)應(yīng)用目標(biāo)。

2.1 壓電效應(yīng)

自然狀態(tài)下的壓電材料，其內(nèi)部電荷的分布處于平衡狀態(tài)，在受到外來作用力下，壓電材料內(nèi)部帶電粒子發(fā)生了相對位移，一定程度造成了電介質(zhì)的總電矩改，產(chǎn)生了壓電效應(yīng)[13]。正壓電效應(yīng)，是指機械能轉(zhuǎn)化為電能的過程；逆壓電效應(yīng)是指電能轉(zhuǎn)化為機械能的過程，即通過施加電場的作用能夠使壓電材料發(fā)生結(jié)構(gòu)形變的現(xiàn)象。具有正壓電效應(yīng)的壓電材料同時也一定具有逆壓電效應(yīng)。

2.2 壓電方程

壓電方程[14]是用來描述壓電效應(yīng)原理的一種數(shù)學(xué)模型，它反映了壓電單元所受應(yīng)力、應(yīng)變與電位移、電場等物理量之間的關(guān)系，是壓電能量轉(zhuǎn)換研究的重要參考依據(jù)。

步行壓電集能的目的是為了將行人經(jīng)過路面時產(chǎn)生的機械振動能量轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔懿ζ鋬Υ胬茫涔ぷ鲿r的狀態(tài)符合正壓電效應(yīng)。此時可以運用壓電方程（2-1和2-2）對其進(jìn)行表述：

式中，D表示電位移；E為電場強度；S為應(yīng)變張量；T為應(yīng)力；sE為壓電材料在電場下的彈性模量；d為壓電常數(shù)，dt為d的轉(zhuǎn)置；εr為壓電材料在應(yīng)力作用下的介電常數(shù)。

2.3 行人步行荷載

壓電單元在外部荷載作用下具有一定的機電轉(zhuǎn)換功能，行人步行產(chǎn)生的能量可以通過壓電單元實現(xiàn)。而步行荷載是壓電方程的一個重要力學(xué)參數(shù)，是指行人行走時人體對地面的作用力，它是導(dǎo)致道路結(jié)構(gòu)內(nèi)部產(chǎn)生應(yīng)變能和動能的主要來源之一，其大小作為對壓電單元轉(zhuǎn)換出的電能大小有直接影響[15]。因此，基于行人步行荷載進(jìn)行了行人壓電集能系統(tǒng)設(shè)計。

3 系統(tǒng)設(shè)計

行人壓電集能系統(tǒng)設(shè)計是利用壓電技術(shù)原理，將行人踏走產(chǎn)生的行動荷載轉(zhuǎn)化為電能，從而滿足城市道路行人密集區(qū)低能耗設(shè)備供電需要的系統(tǒng)設(shè)計，具體構(gòu)成如下：

圖1 城市行人密集區(qū)步行壓電集能系統(tǒng)構(gòu)成圖

4 結(jié)論

壓電技術(shù)具有廣闊的應(yīng)用空間和發(fā)展前景，目前已在部分行業(yè)有所應(yīng)用，但在交通運輸工程領(lǐng)域應(yīng)用較少。各國針對壓電技術(shù)展開的研究內(nèi)容不盡相同，但原理基本一致，其主要區(qū)別在于壓電器件的工作模式、應(yīng)用環(huán)境和能量采集等方面。換言之，步行壓電技術(shù)作為一種可再生的新型節(jié)能技術(shù)，可以將行人荷載作用產(chǎn)生的機械能轉(zhuǎn)化為電能。尤其是在人流密集的城市道路中，通過壓電技術(shù)采集行人步行時產(chǎn)生的能量，不僅可以滿足微小型電子元器件的用電需求，形成路用設(shè)備的自供電模式，緩解用電壓力，而且能夠節(jié)約資源、減少道路建設(shè)成本，符合節(jié)能減排、綠色環(huán)保的“建設(shè)節(jié)約型社會”建設(shè)理念，順應(yīng)了我國可持續(xù)發(fā)展的要求。