基于应用环境的路用压电俘能单元尺寸优化与性能评价

为提高路用压电发电装置内部堆叠式压电俘能单元在电-力-环境方面的综合性能，基于电学理论优选了压电俘能单元结构尺寸范围，基于应用工况的力学响应优选了力学特性良好的压电俘能单元结构尺寸，系统研究了不同道路交通条件下不同结构尺寸路用压电俘能单元电学性能，揭示了不同道路温湿环境下压电俘能单元电学性能变化规律，探明了不利循环交通荷载条件下路用压电俘能单元抗疲劳性能，并明确了路用压电俘能单元极限抗压强度。结果表明：堆叠式压电俘能单元电学性能及力学特性受其结构尺寸影响明显，兼具较高电学与较优力学特性的压电俘能单元尺寸范围为直径15 mm、厚度30 mm、堆叠层数25~30层(Φ15-30 mm-25~30)，其中Φ15-30 mm~25压电俘能单元在不同道路交通条件下电学输出水平更高，3.5 kN~8 Hz工况下其输出电压和输出功率可达176 V、192.2 mW；20℃~60℃温度范围内其输出电压变化率为17.9%，而50%~100%湿度范围内其输出电压变化率达84.1%，实际应用中可适当采取一定的封装隔温保护及必要的封装隔湿保护；压电俘能单元抗疲劳性能良好，3.5 kN~8 Hz不利交通组合、10万次循环加载后其输出电压最大变化率仅为1.2%，最大变形量仅为1.8 mm；压电俘能单元极限抗压强度达188 MPa，远高于道路荷载水平，能够满足道路应用要求。研究结果可进一步提高路用堆叠式压电俘能单元综合性能，推动道路压电发电技术实际应用进程。