交通运输是国民经济与社会发展的基础行业,随着其高速发展,交通运输中的节能减排也越来越受到重视。本课题以道路交通为背景,结合理论分析、室内试验、有限元模拟和示范工程,研究了路面压电能量收集技术原理,分析了压电发电效果的影响因素,开发了适用于沥青路面的压电式能量收集装置,形成了一套将车辆对路面做功转化为电能的路面压电能量收集系统,为公路沿线用电设施提供一种潜在、规模可观、可再生的清洁能源。在前人研究的基础上,本课题主要结合沥青路面工况和交通载荷特点,对路面压电能量收集技术进行了系统研究,主要研究内容和成果如下:(1)基于压电发电理论,根据道路交通荷载特点,研究了路面汽车动载下的压电发电特点,建立了车速、轴载与压电电能输出之间的联系。(2)根据沥青路面交通荷载的特点,以机械性能和发电性能为指标,通过调研与室内试验研究对比了不同压电陶瓷和压电换能结构,最终确认了以压电陶瓷PZT-5H作为核心材料,以多片堆栈式结构作为本研究的压电换能结构即压电单元。(3)通过有限元模拟和室内试验,研究了压电陶瓷片电学连接方式、堆叠片数以及压电单元高与截面直径的比值对发电性能的影响。结果表明,同样的加载条件下,压电单元内部压电陶瓷片并联发电效果优于串联发电效果;发电量随压电陶瓷片数增多而增大,随压电单元高与截面直径的比值增大而增大。最终本研究采用3片堆叠并联式圆柱状压电发电单元。(4)依据沥青路面交通荷载条件,通过室内试验研究分析了荷载大小、加载频率、温度等因素对发电性能的影响。结果表明,压电单元发电量随荷载增大而增大,并接近三次方多项式关系;随着加载频率增加,发电量也增加,但增量随着频率增大而降低;温度对压电发电具有显著影响,在-15℃～50℃范围内,随温度增加,压电单元开路峰值电压降低,电荷量增加,产生电能减小,负载上输出电能增加。(5)研发了适用于沥青路面轴载要求和工况环境的压力发电器。该压力发电器内置12组压电单元,采用30%GF尼龙塑料作为外封装材料。研究了多压电源之间连接形式对发电性能的影响,结果发现,采用先整流再并联输出的形式最有利于能量输出。用压力机和疲劳试验机对该压力发电器进行测试,结果表明该压力发电器满足沥青路面荷载及抗疲劳性能要求,并且适应沥青路面环境条件。(6)根据压电发电的特点,以同步电荷提取为基础原理,自制了改进型同步电荷提取电路,可自动识别电压峰值并控制电路导通和关闭,能量收集效率可达到16%,是商用化的能量收集芯片效率的1.53倍,并且不受负载影响,适用性更广。(7)根据上述研究形成一套路面压电能量收集系统,设计了示范工程的压电供电LED标志系统,将20个压力发电器安装于路面表面轮迹带处,收集过往车辆对路面做功产生的电能给LED标志供电,形成一套完整的道路压电自供电技术。本研究成果作为国家863课题和交通运输部西部课题的部分研究内容,已通过技术验收,获得专家认可。通过这一系列研究,为新型的绿色能量收集、应用探索出新的路径,形成一套切实可用的压电路面能量收集成套技术,为绿色能源的研究提供新的思路。