埋入式压电沥青混凝土的制备及其电学输出研究

摘要

世界上拥有众多的人口，由于经济的发展，能源是一个非常基础的需求。要提高生活水平、发展经济，都缺不了能源。但是，能源紧缺已经成为当今世界发展的瓶颈，寻找新能源迫不及待。通过压电材料收集周围环境的振动能量并把它转化为可使用的电能，其原理简单、无污染、能量转换效率高，是近年来新能源领域的研究热点。但是，目前有关压电集能的研究主要集中在为微机电系统的供电上，利用压电材料来进行发电的研究并不多见，国内这方面的研究更是接近空白。因此，本文以道路工程为背景，对埋入式压电沥青混凝土的制备与电学输出进行了研究。
　　 第一，利用ANSYS12.0软件对压电元件尺寸进行优化。经过仿真分析，外径18mm，内径10mm，厚度4mm的压电元件在施加0.7MPa的瞬间压应力下可以产生63.146V的电压。并通过传统氧化物固相反应方法，制备出掺杂0.45wt％Fe2O3的PMnS-PZN-PZT埋入式压电元件，具有良好的压电性能及耐久性能。
　　 第二，通过马歇尔设计方法，借鉴Superpave体积制备设计方法，设计出的AC-10沥青混合料的体积性能，高温稳定性能，水稳定性能均能满足我国的沥青混合料技术规范，具有良好的路用性能，并与压电元件具有良好的相容性。
　　 第三，以压电方程为基础，建立了埋入式压电沥青混凝土的力电耦合模型，推导了埋入式沥青混凝土的开路电压方程，利用Bisar3.0软件对埋入式压电沥青混凝土的竖向压应力进行分析，并且埋入式压电沥青混凝土的开路电压计算值与实测数据基本吻合。
　　 第四，压电元件的开路峰值电压随着压应力的增加而增加，且单片厚度大的元件的开路峰值电压比较高，增加的趋势更快。但是，施加较低的频率对压电元件的电压输出影响非常小。埋入式压电沥青混凝土的开路电压随着埋铺深度的增加而减小，随着压电元件总厚度的增加而增加，随着车轮荷载的增加而增加；开路电流随着压电元件并联数量的增加而增加。
　　 第五，LTC3588-1芯片的电能采集效果和效率均优于桥式整流电路+MAX666型DC-DC单元的采集电路。并且，超级电容更适合作为埋入式压电沥青混凝土的储能装置。
　　 本文的研究结果表明埋入式压电沥青混凝土具有良好的路用性能，但是其存储的电能输出功率小仅能对无线传感器等微功率电子器件使用。