1、汇报人：张智豪（0616139）目录1研究背景2国内外发电路面研究现状3不同类型发电路面简介及适用性评价4国内外发电路面存在问题5智能压电发电路面新技术研究随着气候环境的变化和石油能源的短缺，寻求无污染、可再生的绿色能源已受到人们的高度关注。人们生活中广泛存在着大量可再生的绿色能源，将绿色能源收集利用正符合我国社会可持续发展的要求。在寻求新能源过程中，道路作为重要的基础设施，在承担交通功能的同时还具有开发可再生能源的潜能。近年来，随着道路工程微能收集技术的发展，更多类型的先进技术被用于道路环境中，道路工程领域进行的能量收集研究主要包括光能、风能、热能、势能和压电能等转换为电能，国内外也针对不同
2、种类能源的收集和利用开发出不同类型发电路面。发电路面产生的电能可用于公路沿线交通设施的使用，确保交通设施正常运行，还可有效解决供电条件较差地区公路沿线交通设施供电难的问题。太阳能发电风能发电势能发电尾气热能发电如若合理开发应用发电路面，不仅可解决能源问题，更会对我国的经济和社会带来不可估量的效益。但现有国内外发电路面研究成果与应用现状不明确，缺少各类型发电路面的适用性评价，尚未提出发电路面存在的问题。国外发电路面的研究主要立足于风能、太阳能、行车压力能量的收集，主要集中于以色列、英国、美国、日本等国家，同时在部分地区工程实践中应用了相关研究成果，为发电路面的发展提供指引性作用。发电路面研究巴基
3、斯坦研究人员应用了一种可以给路面照明系统供能的路面行车能量收集装置，将行车荷载通过压力承载板和传力杆传递到发电叶轮，发电叶轮旋转切割磁感线产生电能。美国某公司开发出一种RPG发电装置,依靠运动车辆的摩擦力带动RPG装置的活动构件中，完成机械能到电能的转换。同时Yoshiyasu等研发了一种嵌入在人行铺面内的能量收集装置，对在地铁入口铺设的100m2发电地板电能收集效果进行测试，每天可产生约5000kw的电力。2009年以色列的Innowattech公司与海法理工学院共同将压电能量收集系统（Innowattech Piezo electric,IPEG）成功应用于道路工程中。设置在地铁入口和人行
4、道上的压电装置 在采用该能量采集系统时，发现交通量为600veh/h的一条双车道道路上能产生0.4MW/km以上的电量。日本学者运用压电换能效应成功研制出可利用压力发电的室内地板，利用该地板可在乘 客 通 过 其 表 面 时 产 生 可 使100W灯泡发光0.1S的电力。关于发电路面装置方面，内蒙古科技大学方桂花等为有效收集车辆对减速带冲击作用产生的能量，提出了基于液压传动技术的路面发电装置。简小娟将发电机构与液压机构组合开发了一种发电道路结构，进行行车荷载下的路面能量收集。上海海事大学梅潇对现有机械式路面发电装置的动力传动部分进行改进，提高了路面发电装置的发电效率。曹爱平发明一种道路压力发电
5、系统，将路面荷载机械能通过旋转动能转化为电能。利用减速带发电减速带发电装置示意图关于磁能发电路面方面，湖南工程学院曾宪桃结合下坡路段行车安全性保护措施的特性，提出了收集下坡车辆对路面冲击能量的方法。阚立东针对路面车辆荷载脉冲式作用，采用磁电转化原理发明了一种路面发电系统，通过发电装置中强磁铁的上下切割磁感线运动产生感应电流。关于压电路面材料应用方面，安徽省公路桥梁工程有限公司王远胜基于压电材料研制出一种具有发电效果的智能路面砖，将该种发电瓷砖用于铺筑路面，可有效收集行人重力作用产生的能量。关于压电沥青路面方面，同济大学赵鸿铎等提出了一种路面应力驱动和振动驱动能收集技术，并将钹式压电换能器以固定
6、方式增设到沥青混凝土层间结构中，对其能量收集效率进行了初步探讨。武汉理工大学吴少鹏等在室内将 PZT压电换能器挖坑填补到沥青混凝土路面中，从理论角度初步分析了压电路面的相关性能。国内发电路面应用方面，2019年中国昆明新机场路面修筑过程中应用了绿色机场路面能量收集系统，成功地将行车荷载转化为电能用于机场道路的照明与行车警示系统，该系统解决了机动车辆路过路面减速装置时大量压力能被消耗的问题，成功地将液压传动技术应用到路面减速装置中，实现了能量的转换存储再利用。昆明长水国际机场风能发电路面 风能发电路面是在道路行车道的两侧安装风能收集装置，依靠车辆行驶产生的携带风使风能收集装置的叶片组旋转，其工作
7、过程为：行车机械能转化为风能，风能转化为旋转动能，旋转动能转化为电能 。道路系统中的风能收集装置发电原理较为简单，风吹动叶片组带动发电转子工作，发电转子内线圈切割磁感线而产生电能势能发电路面 基于势能发电路面系统都是采用一套可变形的势能转化设备，当机动车驶过势能转化设备时将行车荷载的动能转化为势能，最后通过势能的变化而产生电能 。基于势能的发电路面大致分为种类型：u 道路结构内部布设势能转化器，势能转化器由可变形的构件和构件内部的液体组成。当机动车驶过势能转化设备时，可变形构件发生冲击性形变，构件内部的液体按照预定的方向冲击性流动，液体的流动带动发电转子转动而发电 。u 道路结构内部布设势能转
8、化器，势能转化器内部的发电构件由弹性材料构成，当机动车驶过势能转化设备时，发电构件在行车荷载的作用下上下移动，发电构件内线圈上下方向切割磁感线而发电。u 道路结构内部布设势能转化器，势能转化器由可变形的构件和构件内部的带电性离子液体组成。道路内部的液体可变形构件在行车荷载的作用下发生形变，离子液体的定向运动产生电能。光能发电路面 太阳能的使用让光电转化效能在新型能源行业的研究逐渐趋于成熟，光电材料在光能发电领域的应用也逐渐普及。基于光能发电路面的基本思路来源于传统的太阳能照明系统，目前将光电材料用于路面系统的思路主要有两种：将太阳能板铺筑在路面中u 在道路表面层直接铺筑光能采集构件，将收集到的
9、光能通过光电转化装置转化为电能进行利用。光电转化装置一般布置在铺筑光能采集构件的路面外部。u 在道路表面设置透明材料层，保证光能最大限度地透射到透明材料之下的光能采集设备表面，将收集到的光能通过电转化装置转化为电能进行利用。这种发电路面系统中，光电转化装置一般布置在光能采集设备下的路面内部。热能发电路面热电材料是一种利用热电效应将热量差转化为电能的新型材料，具有环保低碳的功效。将热电材料应用到沥青路面中，依靠路面上下持续的温度差以及道路和周围环境的温度差，借助路面内部的热电材料利用温度差将热能转化为电能，不仅满足了道路系统用电的需要，还能起到路面热电制冷的效果，提高路面的高温稳定性。压电发电路
10、面 压电材料主要依靠材料的压电效应将机械作用力转换为电能，将其应用到道路工程中可以实现将行车荷载带来的机械能转化为电能。基于压电能的发电路面的研究开辟了压电材料在道路领域的应用，利用压电材料将行车荷载带来的机械能转化为电能具有不可预估的经济、社会效益。目前，发电路面主要存在以下问题：u发电路面体系尚未建立发电路面完整的体系应包括：发电材料和构件设计理论、发电路面设计理论、发电路面能量收集理论、发电路面施工技术及发电路面运营管理、发电路面经济性评价等。现有针对发电路面的研究成果中，只对发电路面的应用前景进行宏观描述，只对发电理论和收集理论进行深入研究，这种对发电路面研究的局限，导致现有发电路面出
11、现发电性能差，耐久性差等问题。u换能材料与路面材料研究尚未一体化现有研究中一般将换能材料直接用于制备换能元件后进行使用。部分换能材料满足路面材料的要求，而部分路面材料又具备一定程度的换能特性，将换能材料和路面材料替代使用，或经过某种特殊处理后使用，使其具备换能材料特性并满足路面材料要求。基于换能材料与路面材料一体化的技术研究将充分发挥换能材料和路面材料的功能性和路用性能，不仅高效率的收集道路能量，又保证了道路的路用性能。u缺乏换能元件优选与保护措施设计相关研究现有发电路面中多采用压电能量换能器或压电晶片布置于路面内部发挥换能效应，换能元件主要发挥将道路系统能量转化为电能的作用，各类型换能元件电
12、能转换效率不同；现有压电元件多为薄层压电材料加上下两层较薄的金属电极材料，在沥青混凝土摊铺碾压时，压电元件很容易被石料直接接触，石料的棱角接触到压电元件时极易产生应力集中而使压电元件在路面施工压实过程中被损坏甚至失效。u发电路面匹配性差现有发电中压电换能器的价格昂贵，其大规模的应用不利于建设的经济性。故应针对发电路面的应用环境开发多种应用方式，使其适合于所有道路的推广应用。而现有针对发电路面的研究成果，都是采用将压电换能器置入路面内部的方式。压电换能器在路面内部的存在方式、与路面的整体耦合性、耐久性都没有经过实践证明，发电路面各构件与多功能的匹配应用有待深入研究。u缺乏换能元件结构保护层系统研
13、究路面结构主要起到抵抗车辆荷载破坏作用，埋入换能元件改变了原有道路结构内部的应力分布，在车辆荷载的作用下，发电路面内部极易由道路材料和换能元件的粘结性、耦合性不足而发生破坏。u缺乏新型能量收集系统现有发电路面系统中的能量收集多借助传统的压电晶片在高频振动下的能量收集系统来完成，导致发电路面只能收集到极为微弱的电能。基于压电沥青混凝土的发电路面结构是通过将电极在压电沥青混凝土层中的布设，对发电路面结构进行优化的设计。压电路面有两种电能产生形式，一种形式是在压电模型受到力时，电荷在受力方向的垂直方向产生电荷，并对电荷进行收集。另一种形式是压电模型受到力时，电荷在受力方向的水平方向产生电荷，并对电荷
14、进行收集。u基于压电沥青混凝土的发电路面研究 压电沥青混凝土发电路面的试件在极化处理之后，在MTS试验机上表现的压电性能较好，在试验中压电沥青混凝土发电路面的电能频率符合技术要求的标准，说明其对试件的极化处理产生了作用和效果。但压电沥青混凝土试件仍然没有发挥更好的作用，主要原因是由于极化电场的温度不够高、强度不够大，使得试件的极化程度不高，没有完全极化，使得压电元件的压电性能没有完全发挥和显示出来。根据试验的结果，将压电材料和导电材料渗入沥青混凝土中，可以使得路用的效果更好，说明可以电材料替代部分矿粉或沥青混凝土技术应用在其中能够取得一定的效果，具有可行性和科学性。新型材料与路用原材料有着良好
15、的相容性，对压电材料的应用不会使得施工变得复杂，也不用进行额外的精细化处理，对比普通沥青材料仅有小幅的成本增加，而获得的收益远远大于所增加的成本，经济效益良好，具有推行的可行性。根据试验的结果，将压电材料和导电材料渗入沥青混凝土中，可以使得路用的效果更好，说明可以电材料替代部分矿粉或沥青混凝土技术应用在其中能够取得一定的效果，具有可行性和科学性。新型材料与路用原材料有着良好的相容性，对压电材料的应用不会使得施工变得复杂，也不用进行额外的精细化处理，对比普通沥青材料仅有小幅的成本增加，而获得的收益远远大于所增加的成本，经济效益良好，具有推行的可行性。结合现有压电元件结构类型，充分考虑压电元件的能
16、量转换性能以及对路面使用性能的影响，确定月牙型压电元件为最适合类型。保护材料应具有一定的缓冲作用，延迟、减缓力对压电元件的直接作用，但保护材料柔性过度不利于压电元件电性能的发挥，因此，聚氯乙烯硬质塑料和弹性橡胶是最适合作为发电路面压电元件的保护材料。u基于压电元件的发电路面性能研究选用材质为压电陶瓷，缓冲材料选为橡胶垫 基于上述压电元件和保护材料，采用单面和全面覆盖式保护措施，将压电元件埋入到沥青混凝土内，成型发电路面车辙试件。对其施加车辙仪胶轮荷载作用时，示波器呈现不同幅值的脉冲式波形。观察所连接的指示二极管，在碾压轮经过时2个二极管交替闪光，这表明在不同的时间段内有不同方向的电流产生，结合
17、示波器测试的波形分析压电元件作为电源产生的是交流电。示波器平衡位置上的电压大于平衡位置下的电压，这表明压电元件在经受行车荷载时产生的电能大于压电元件在恢复形变时产生的电能。胶轮仪 示波器 基于上述压电元件和保护材料，采用单面和全面覆盖式保护措施，将压电元件埋入到沥青混凝土内，成型发电路面车辙试件。对其施加车辙仪胶轮荷载作用时，示波器呈现不同幅值的脉冲式波形。观察所连接的指示二极管，在碾压轮经过时2个二极管交替闪光，这表明在不同的时间段内有不同方向的电流产生，结合示波器测试的波形分析压电元件作为电源产生的是交流电。示波器平衡位置上的电压大于平衡位置下的电压，这表明压电元件在经受行车荷载时产生的电
18、能大于压电元件在恢复形变时产生的电能。基于压电元件发电路面能够表征出明显的电能输出效果，验证了其研究可行性；优选的压电元件市场售价较低，该类型发电路面虽一定程度地提升了道路施工的复杂性，导致了经济成本的提升，但相较其表征出的经济效益和社会效益而言，仍具备较好的实际应用前景。压电元件的埋置改变了路面的初始特性，对路用性能及层间结合等易产生不利影响，现阶段研究缺乏对该问题的关注，压电元件与路面的相容性成为制约压电路面发展的主要瓶颈，因此应基于足尺试验等对压电元件的埋置深度、平面布置间距等相关参数进行优化研究，以期将其对路面结构产生的不利影响最小化。u高性能换能材料应用研究u新型道路结构应用研究u换能材料与结构一体化应用研究u新型能量收集电路的设计研究
