CN111209658B - 一种路面压电俘能系统的优化方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种路面压电俘能系统的优化方法，该方法通过无量纲化处理的方式，将影响压电俘能效果的多个参数，组合成几个无量纲参数，从而得到了各无量纲参数之间的关系变化曲线，通过对曲线变化趋势的分析得到优化俘能系统的策略。本发明简化了传统的俘能优化分析，减少了工作量，同时也更利于探讨各个参数彼此之间的相互关系，更全面地把握系统中的本质关系，对实际工程中俘能系统的优化设计具有一定的指导意义和工程应用价值。
Description
技术领域
本发明涉及俘能领域，具体涉及一种路面压电俘能系统的优化方法。
背景技术
道路环境中，由于车辆荷载的反复循环作用，而蕴藏着大量未被开发利用的机械能。目前，基于压电效应的路面压电俘能技术表现出显著转换机械能为电能的潜能，越来越受国内外研究学者关注。提高压电俘能效率，其技术关键在于提高压电材料的性能、俘能装置的结构优化设计以及储能电路的设计三大方面。
压电材料指受外界荷载作用后会在其表面积聚电荷的材料。压电材料先后经历了压电单晶体、多元系压电陶瓷、压电高分子聚合物、复合压电材料四代的研发更迭，压电材料的性能指标如压电常数d33、介电常数k33也不断提升；俘能装置的结构设计包括压电材料自身的结构形式、尺寸设计，封装材料的选择设计，以及封装结构的尺寸设计，其材料选择、结构形式及尺寸大小对装置与道路材料相适性、俘能模式和能量转换输出效率有显著影响；由于交通荷载是千变万化且不断重复的，道路压电俘能装置的电能输出也是交流的、不稳定的，因此，需要设计相应的整流电路和储能稳定且可持续的能量转换电路。目前，应用较多的三种主要能量收集电路有串联同步、并联同步和电荷同步电路。
目前，研究人员从上述三方面开展了诸多路面压电俘能技术的研究，探讨了不同影响参数对俘能效果的影响，但少有全面的对路面压电俘能系统的优化方法。多数研究只围绕单个或少量几个参数进行分析，且参数之间的相互影响关系并未有深入探讨。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明提供了一种路面压电俘能系统的优化方法，通过无量纲的分析方法，将影响压电俘能效果的多个参数进行一体化设计，从而简化了传统优化方法单一、参数间关联性弱、实验工作量大等弊端，更能把握系统中的本质关系。
本发明的目的通过如下的技术方案来实现：
(1)根据路用压电俘能装置应用的场景建立理论模型；
(2)根据理论模型结合压电本构方程，推导得到输出电压V、输出功率P与外接电阻R之间的理论表达式；
(3)通过对路用压电俘能装置进行所要应用场景下的压力加载，得到不同参数下路用压电俘能装置的能量输出值；
(4)通过实验与理论值的比对，验证理论模型的准确性；
(5)通过引入特征电压V0、特征电阻R0、特征功率P0将输出电压V、输出功率P与外接电阻R之间的理论表达式进行无量纲化整理，得到无量纲有效电压
无量纲平均功率
与无量纲电阻
之间的理论表达式；
(6)得到路用压电俘能系统的无量纲参数曲线，当无量纲平均功率达到最大时所对应的的无量纲电阻为最优值，根据所述的步骤(5)中的无量纲电阻的理论表达式，得到该表达式中所涉及的参数的关系式，从而通过控制变量的方法得到最优参数组合。
进一步地，当所述的理论模型为纯压模型时，所述的特征电压V0、特征电阻R0、特征功率P0的理论表达式具体为：
V0＝(nSFd33hp)/(k33S)
R0＝(nShp)/(2πnPfk33SP)
其中，nS为并联的压电陶瓷数，nP为串联的压电陶瓷数，F为加载的压力大小，f为加载的频率，d33为压电陶瓷的压电常数，k33为压电陶瓷的介电系数，hp为压电陶瓷的厚度，SP为压电陶瓷的上表面积，S为加载的压力作用面积。
进一步地，所述的理论模型为纯压模型时，当无量纲平均功率达到最大时所对应的无量纲电阻为1。
本发明的有益效果是：本发明的路面压电俘能系统的优化方法，通过将多个影响俘能系统的参数组合为无量纲参数的办法，对影响压电俘能效果的多个参数进行一体化设计，从而简化了传统优化方法单一、参数间关联性弱、实验工作量大等弊端，更能探讨各个参数之间的相互关系，更全面地把握系统中的本质关系，对实际工程中俘能系统的优化设计具有一定的指导意义和工程应用价值。
附图说明
图1是路面压电俘能系统示意图。
图2是路面压电俘能系统优化思路图。
图3是UTM加载实验示意图。
图4是路面压电俘能系统优化策略曲线示意图。
具体实施方式
下面根据附图和优选实施例详细描述本发明，本发明的目的和效果将变得更加明白。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
如图1-4所示，本实施例是提供一种路面压电俘能系统的优化方法，该方法适用于各等级公路中车辆荷载作用下路用压电俘能的应用场景，对于行人荷载作用场景如人行道、跑道等则需要重新建立相应的理论模型。
本实施例中所述的路面压电俘能系统包括路用压电俘能装置1、整流电路2、储能部件3以及外接电阻4。
本实施例中采用的压电俘能装置1中使用圆柱形压电陶瓷(半径rp＝10mm厚度hp＝5mm)，压电陶瓷的总数量N分别为1片、2片、4片，压电陶瓷之间采用不同的串并联方式，总数量N与串联数量nS和并联数量nP之间满足N＝nS·nP。
本实施例提供的一种路面压电俘能系统优化方法，如附图2所示，具体步骤如下：
(1)将压电俘能装置1用在道路上，建立相应的纯压模型；
(2)根据纯压模型结合压电本构方程，推导得到输出电压V、输出功率P与外接电阻R之间的理论表达式为：
P＝V2/R
其中，nS为并联的压电陶瓷数，nP为串联的压电陶瓷数，F为加载的压力大小，f为加载的频率，d33为压电陶瓷的压电常数，k33为压电陶瓷的介电系数，hp为压电陶瓷的厚度，SP为压电陶瓷的上表面积，S为加载的压力作用面积。
(3)通过室内UTM试验机5对路用压电俘能装置1进行加载，得到不同参数下路用压电俘能装置1的能量输出值；
所述的UTM加载实验16，通过以下步骤实现：
①将路用压电俘能装置1放置于UTM试验机5上；
②将路用压电俘能装置1依次与示波器6、电阻箱4串联；
③在不同电阻下，通过控制器7调节UTM试验机5，对压电俘能装置施加不同大小F、不同频率f的正弦波型的荷载；
④通过示波器6读取每个工况下压电俘能装置1输出的电压信号；
⑤改变路用压电俘能装置1的结构、尺寸、内部埋设的压电陶瓷数量N、压电陶瓷尺寸等参数，然后重复步骤①-④。
(4)通过实验与理论值的比对，验证理论模型的准确性；
(5)通过引入特征电压V0＝(nSFd33hp)/(k33S)、特征功率
特征电阻R0＝(nShp)/(2πnPfk33SP)将输出电压V、输出功率P与外接电阻R之间的理论表达式9进行无量纲化整理，得到无量纲有效电压
无量纲平均功率
与无量纲电阻
之间的理论表达式；
(6)得到路用压电俘能系统的无量纲参数曲线(参见附图4)，根据曲线变化趋势确定系统优化策略，即当无量纲平均功率达到最大时所对应的的无量纲电阻为最优值，所应用的压电俘能装置1可输出最大的功率，在本实施例的路用场景下，无量纲电阻为最优值为1。
(7)根据所述的步骤(5)中的无量纲电阻的理论表达式，得到该表达式中所涉及的参数的关系式，从而通过控制变量的方法得到材料参数、电学参数、几何参数的最优参数组合。
本领域普通技术人员可以理解，以上所述仅为发明的优选实例而已，并不用于限制发明，尽管参照前述实例对发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实例记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。凡在发明的精神和原则之内，所做的修改、等同替换等均应包含在发明的保护范围之内。
Claims (3)
1.一种路面压电俘能系统的优化方法，其特征在于：所述的路面压电俘能系统包括路用压电俘能装置、整流电路、储能部件以及外接电阻；所述的优化方法具体包括如下步骤：
(1)根据路用压电俘能装置应用的场景建立纯压模型；
(2)根据纯压模型结合压电本构方程，推导得到输出电压V、输出功率P与外接电阻R之间的理论表达式；
(3)通过对路用压电俘能装置进行所要应用场景下的压力加载，得到不同参数下路用压电俘能装置的能量输出值；
(4)通过实验与理论值的比对，验证理论模型的准确性；
(5)通过引入特征电压V0、特征电阻R0、特征功率P0将输出电压V、输出功率P与外接电阻R之间的理论表达式进行无量纲化整理，得到无量纲有效电压
无量纲平均功率
与无量纲电阻
之间的理论表达式；
(6)得到路用压电俘能系统的无量纲参数曲线，当无量纲平均功率达到最大时所对应的无量纲电阻为最优值，根据所述的步骤(5)中的无量纲电阻的理论表达式，得到该表达式中所涉及的参数的关系式，从而通过控制变量的方法得到最优参数组合。
2.根据权利要求1所述的路面压电俘能系统的优化方法，其特征在于，所述的特征电压V0、特征电阻R0、特征功率P0的理论表达式具体为：
V0＝(nSFd33hp)/(k33S)
R0＝(nShp)/(2πnPfk33SP)
其中，nS为并联的压电陶瓷数，nP为串联的压电陶瓷数，F为加载的压力大小，f为加载的频率，d33为压电陶瓷的压电常数，k33为压电陶瓷的介电系数，hp为压电陶瓷的厚度，SP为压电陶瓷的上表面积，S为加载的压力作用面积。
3.根据权利要求2所述的路面压电俘能系统的优化方法，其特征在于，当无量纲平均功率达到最大时所对应的无量纲电阻为1。
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