路面振动压电俘能系统的动力学特性及俘能机理研究

以色列Innowattech公司在路面振动压电俘能系统研发上取得了重要突破，使得路面振动压电俘能有可能成为一种新的可与风电竞争的可再生能源。我国在压电俘能技术研究和装置开发上虽也有多年积累，但主要集中在微电子、医学等领域俘获环境微振动能，实现自供能，其振动源的力特性和振动特征，及压电俘能器的力电耦合机理等与路面振动均有本质差异。本项目拟开展：路面振动传递的动力学模型、压电俘能系统的耦合作用机理、高效率压电俘能系统参数优化及构建等方面的探索研究。通过理论建模、数值仿真、参数优化、模拟实验及性能测试分析，最终揭示作用于压电俘能系统的受力和振动特性，探明其耦合作用机理，建立高效率俘能系统的优化模型，研发路面振动压电俘能系统原型，总结提炼有效俘获道路能量的压电俘能系统的构建理论和方法。从而为路面振动压电俘能系统研发奠定基本理论基础和关键技术支持，为我国可再生能源研究开发一个全新的领域。

路面振动能量存在广泛，易于收集，可采用静电、磁电、压电方法进行。其中压电式具有较突出优点，采用压电俘能技术收集路面振动能受到国内外广泛重视。本项目对路面压电俘能技术进行了深入研究，主要包括：路面压电俘能系统非线性动力学建模，压电俘能系统耦合作用机理，适宜路面振动收集的压电俘能器/单元结构设计及俘能性分析，路面振动压电俘能系统性能优化模型构建及其参数优化。通过构建综合考虑行车荷载与路面间相互耦合作用的路面非线性动力学模型，得到上面层下表面节点和中面层上表面节点之间的相对位移最大，为压电俘能系统埋设在上面层和中面层结合部以获得最大的振动能提供了理论依据。提出方筒形、六边形多悬臂、混合模式多种具有低频宽带、承受大应力、高俘能性的新型压电俘能器。结合路面振动的特点，为便于大面积收集，构建了阵列式圆柱形、矩钹形、Cymbal形压电俘能单元，经数值仿真及性能测试，探索其俘能规律。综合压电俘能性和路面耦合性两个性能指标，提出路面压电俘能系统的优化目标和优化模型。通过正交实验法，对路面压电俘能系统的参数进行了优化。采用优化参数所构建的压电俘能单元，其被激发出的开路电压较正交实验平均值提高了52.8%，而路面的相对变形率较正交实验平均值降低了27.7%。上述研究表明，本项目基本达到了预期的研究目标，实现了路面振动能收集的高效化。所提出的压电俘能器/单元，所构建的路面振动压电俘能系统的理论和方法，对我国开发利用路面振动能，都具有指导意义。.在本项目的研究过程中，申请并授权专利12项；在国内外核心期刊和国际会议发表学术论文23篇，其中被EI检索9篇；培养了多名科研骨干，其中2名教师晋升为副教授，1名教师获江苏省“333工程”科研项目资助， 2名教师被评定为江苏省“333工程”第三层次培养对象，2名学生硕士毕业。