基于压电发电原理的校园路面的可行性探究

靳霄微?朱铭?陈涵康?李晓?陈凯江

摘 要：在社会和经济不断发展的同时，我们也迎来了资源短缺，环境污染等问题，开发可利用的绿色新型能源，成为当今时代的热点。本文通过分析学校特点和压电效应的适用条件，算其作用下可以产生的效益，探究压电发电路面在校园中的可行性，顺应当今时代节能环保的主题。

关键词：压电效应;校园路面;电能

我们科技不断进步的同时，也遇到了各种各样的问题：交通事故数量的增加，资源短缺等等。为了实现国家可持续发展，我们国家在不断向着绿色环保型方向发展。为了缓解我们的资源压力，顺应国家的可持续发展战略，本文研究了一种在学校的路面发电的装置系统，将该系统用于人流量和车流量较大的路段，在不影响路面使用状况的同时还可以产生电能并储存起来，供给学校的用电设施。

1 压电效应

由于电介质在某些方向上受力内部产生极化现象从而产生电荷运动的现象称为压电效应，压电效应的主要原理就是将机械能转换为电能。受到压力时，材料的两端产生电荷生成电压的材料称之为压电材料，根据给压电材料施加不同的条件可以将压电效应分为正压电效应和负压电效应：当对压电材料施加压力时，压电材料为抵抗外力产生相反相等的电荷来保持压电材料之前的状态。当外力去掉之后，又恢复到不带电的状态，这就是正压电效应;而逆压电效应则是，在压电材料极化的方向上施加外力产生变形的过程的同时再给其施加电场，压电材料随之发生变形，当电场去掉后，压电材料的变形随之消失。正压电效应和逆压电效应的原理图如下图所示：

考虑到不同的性能需求，可以将压电材料按照串联和并联连接。两种连接方式下产生的总电能是一样的，但是在串联方式下产生的输出电流更大，而并联方式下产生的输出电压更大，可以在为不同的电器供能的时候根据需要选择不同的连接方式，不论是串联还是并联都可以产生很大的效益。而且学校的可用道路面积也很大，可以根据不同的用电装置按照不同的连接方式安装一定数量的压电陶瓷，来达到我们的用电需求。

2 校园特点

以华北理工大学为例，校园路面大多以沥青路面为主，有少量的砖石路面且具有很大面积的范围。沥青路面具有抗车辙，抗老化，耐候性好等特点会很好的保护压电材料的不被损坏。当沥青和不同的矿料混合料结合会产生不同的效能和作用。而且学校的路基很密实，稳定且均匀，具有很好的排水系统。另外学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，学校在校学生有三万多人，每天上课的人流量更可以达到几万人次，尤其在一些人流量较大的路段，会产生很大的经济效益。在车流量方面，学校在职员工六千人次，每天的上下班的电动车，私家车和班车不计其数，每辆车平均产生的压力有40000牛，那每天产生的压力就可达24×107N，再转换为电力也会是一个可观的数据。还有操场这种运动的场地，产生的压力会更大，我们再将这些转换的电力储存起来，会有更加可观的效益。所以，将压电路面设在校园里具有很大的可行性。

3 产生发电量的效益分析

根据以往的计算和研究得出，不同重量的汽车和不同速度的汽车在输出电能方面和获得的电压方面也是不同的，一般来说速度越快，重量越大的车输出的电压更高。

涉及到的公式有：

其中 F——竖向力Cp——压电等效电容U——开路电压 H——厚度Y——弹性模量A——横截面积η——转换功率

我们假设开路电压为300V，每个压电陶瓷的电容为4nF，一个盒子里面有12组电换能结构。，根据公式可以计算出产生的电能E=2.160mg。

那汽车对路面的做功：假设某普通轿车，单轮荷载为4KN，H盒子高度为8cm，E为弹性模量取盒子的整体模量为2GPa，盒子的横截面积A=0.3×0.3=0.09m2，可以计算出小轿车单轮对盒子的做功：W=3.56mg

经计算，在每天一万次碾压路面的情况下，该压电路段可转换出电能大约为0.3kW·h，那一年产生的电量大概为109kW·h。若学校的路灯每年需要110W的电量，那每小时可以供990个路灯使用一年。而且，随着技术的进步和发展，电能的转换功率只会越来越高，储存下来可用的电量会更多，那我们可以利用的资源就越来越多了，而这些的成本却是微乎其微的。

4 结语

21世纪的今天，绿色能源越来越受人重视，更多的可持续发展的能源被发现并应用。压电发电路面作为一种新型的可再生的绿色能源，具有巨大的经济效益和广阔的发展前景，同时也顺应时代发展的脚步，符合我国的可持续发展政策。

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指导老师：陈凯江

作者简介：靳霄微，女，汉族，本科，华北理工大学建筑工程学院。