1.本发明属于新能源和道路建设领域，特别涉及一种高速公路收费站压电陶瓷铺设长度与数量的方法。
背景技术：2.当前，人们对于压电材料的关注和应用研究越来越广泛。压电发电的结构对于能量的产生和采集拥有重大意义。合适的压电发电结构，能够提高发电效率和压电传感及能量搜集技术，通过搜集公路路面收到汽车行驶导致路面形变产生的能量，实现能量的二次利用。我国早在2018年高速公路长度已经突破14万公里，在路面的设计服役期内，路面要经受几十万次至上亿次车辆轴载的反复作用。在行车荷载作用下，路面结构会产生应力、应变以及位移，路面将会从行车荷载和重力做的功中获得应变能和动能。道路上汽车行驶产生的大量能量直接损失，造成严重的能源浪费。将合适的压电材料埋入高速公路路面结构当中，则外力所产生的部分机械能可转化为电能，将这些能力进行转换与储存，再用于其他的供电需求，便可实现能量的循环利用，但目前国内尚没有铺设方法和应用环境的相关研究。
技术实现要素：3.为了解决上述技术问题之一，本公开提供了一种高速公路收费站压电陶瓷铺设长度与数量的方法，包括如下步骤：
4.s100、计算车辆通过收费站时对地产生的平均压力f
av
；
5.s200、计算压电陶瓷实际平均受力f；
6.s300、计算高速公路上压电陶瓷铺设宽度b与车辆行驶过程中碾压过压电陶瓷的概率p；
7.s400、计算每公里铺设的压电陶瓷组数量n0以及陶瓷片数量n。
8.优选的，
9.步骤s400之后，所述方法进一步包括如下步骤：
10.s500、计算车辆单次碾过的平均发电量e；
11.s600、计算收费站实际日平均用电量e2；
12.s700、计算高速公路上压电陶瓷组最短铺设长度l
min
；
13.s800、计算出最短铺设长度所需的压电陶瓷组数量n0以及陶瓷片数量n。
14.优选的，
15.步骤s100通过如下方式计算平均压力f
av
：
16.f
av
＝∑αim
ig17.式中，αi——某类别车辆通过的概率；
18.mi——某类别车辆的重量；
19.g——重力加速度，9.8n/kg。
20.优选的，
21.步骤s200通过如下方式计算平均受力f：
22.f＝γf
av
23.式中，γ——衰减系数。
24.优选的，
25.步骤s400通过如下方式计算每公里可以铺设的压电陶瓷组数量n0以及陶瓷片数量n：
[0026][0027]
n＝3n0；
[0028]
式中，b——高速公路上压电陶瓷铺设宽度；
[0029]
s——压电陶瓷组横截面积。
[0030]
优选的，
[0031]
步骤s600通过如下方式计算收费站实际日平均用电量e2：
[0032][0033]
式中，e
1i
——不同调查方式得到的收费站每日平均用电量；
[0034]
i——调查方式的种类。
[0035]
优选的，
[0036]
步骤s700通过如下方式计算高速公路上压电陶瓷组最短铺设长度l
min
：
[0037][0038]
式中，s——压电陶瓷组横截面积；
[0039]
n——日均车流量；
[0040]
d——轮胎宽度；
[0041]
p——汽车行驶过程中碾压过压电陶瓷的概率；
[0042]
e——车辆单次碾过的平均发电量；
[0043]
e2——收费站实际日平均用电量。
[0044]
优选的，
[0045]
步骤s800通过如下方式计算最短铺设长度所需的压电陶瓷组数量n0以及陶瓷片数量n：
[0046][0047]
n＝3n0附图说明
[0048]
附图示出了本公开的示例性实施方式，并与其说明一起用于解释本公开的原理，其中包括了这些附图以提供对本公开的进一步理解，并且附图包括在本说明书中并构成本说明书的一部分。
[0049]
图1、2是压电发电装置在高速公路路面上的分布模型示意图；
[0050]
图3是汽车在单车道内车轮碾压位置概率分布图；
[0051]
图4是电池间歇式充电模式示意图。
具体实施方式
[0052]
下面结合附图和实施方式对本公开作进一步的详细说明。可以理解的是，此处所描述的具体实施方式仅用于解释相关内容，而非对本公开的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与本公开相关的部分。
[0053]
需要说明的是，在不冲突的情况下，本公开中的实施方式及实施方式中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施方式来详细说明本公开的技术方案。
[0054]
除非另有说明，否则示出的示例性实施方式/实施例将被理解为提供可以在实践中实施本公开的技术构思的一些方式的各种细节的示例性特征。因此，除非另有说明，否则在不脱离本公开的技术构思的情况下，各种实施方式/实施例的特征可以另外地组合、分离、互换和/或重新布置。
[0055]
在附图中使用交叉影线和/或阴影通常用于使相邻部件之间的边界变得清晰。如此，除非说明，否则交叉影线或阴影的存在与否均不传达或表示对部件的具体材料、材料性质、尺寸、比例、示出的部件之间的共性和/或部件的任何其它特性、属性、性质等的任何偏好或者要求。此外，在附图中，为了清楚和/或描述性的目的，可以夸大部件的尺寸和相对尺寸。当可以不同地实施示例性实施例时，可以以不同于所描述的顺序来执行具体的工艺顺序。例如，可以基本同时执行或者以与所描述的顺序相反的顺序执行两个连续描述的工艺。此外，同样的附图标记表示同样的部件。
[0056]
当一个部件被称作“在”另一部件“上”或“之上”、“连接到”或“结合到”另一部件时，该部件可以直接在所述另一部件上、直接连接到或直接结合到所述另一部件，或者可以存在中间部件。然而，当部件被称作“直接在”另一部件“上”、“直接连接到”或“直接结合到”另一部件时，不存在中间部件。为此，术语“连接”可以指物理连接、电气连接等，并且具有或不具有中间部件。
[0057]
为了描述性目的，本公开可使用诸如“在
……
之下”、“在
……
下方”、“在
……
下”、“下”、“在
……
上方”、“上”、“在
……
之上”、“较高的”和“侧(例如，如在“侧壁”中)”等的空间相对术语，从而来描述如附图中示出的一个部件与另一(其它)部件的关系。除了附图中描绘的方位之外，空间相对术语还意图包含设备在使用、操作和/或制造中的不同方位。例如，如果附图中的设备被翻转，则被描述为“在”其它部件或特征“下方”或“之下”的部件将随后被定位为“在”所述其它部件或特征“上方”。因此，示例性术语“在
……
下方”可以包含“上方”和“下方”两种方位。此外，设备可被另外定位(例如，旋转90度或者在其它方位处)，如此，相应地解释这里使用的空间相对描述语。
[0058]
这里使用的术语是为了描述具体实施例的目的，而不意图是限制性的。如这里所使用的，除非上下文另外清楚地指出，否则单数形式“一个(种、者)”和“所述(该)”也意图包括复数形式。此外，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”以及它们的变型时，说明存在所陈述的特征、整体、步骤、操作、部件、组件和/或它们的组，但不排除存在或附加一个或更多个其它特征、整体、步骤、操作、部件、组件和/或它们的组。还要注意的是，如这里使用的，术语“基本上”、“大约”和其它类似的术语被用作近似术语而不用作程度术语，如此，
它们被用来解释本领域普通技术人员将认识到的测量值、计算值和/或提供的值的固有偏差。
[0059]
需要强调的是，本公开如下所揭示的方法在执行完毕后，根据计算结果可以进一步通过如下压电发电装置实现：
[0060]
压电发电装置由压电陶瓷片、能量搜集芯片以及新型储能电池组成。
[0061]
本公开的总构思在于：考虑到三个主要模块的能量损耗，汽车碾压的频率与力的大小区别，同时考虑到力向地面传导的损耗，压电陶瓷交叠模式，根据铺设方式的汽车碾压概率，可以计算对应的单次碾压平均发电量，再结合所需电量可以得到所需铺设长度，考虑安全阈值后可以得到铺设长度。
[0062]
本公开的有益效果是，可以有效的计算出高速公路路面所铺设压电材料可收集的能量，也可以计算出在满足各种压电发电设备在高速公路收费站供电需求的情况下，所需要铺设的压电陶瓷数量与长度，从而实现能量的循环利用和进行合理的道路规划。
[0063]
参见图1至图4，如下，详细描述本公开所涉及的计算方法和压电发电装置装置，其中：
[0064]
本压电发电装置选用pzt无铅压电陶瓷作为压电材料，环保无污染且具有高效的压电性能，压电陶瓷片在并联模式下效果更好；压电并联堆栈式结构中，层数增加压电结构开路电压下降，电荷量减少，总能量有所提升，但是增幅不大。考虑到运行的经济成本，四层模式比三层增加了20％的经济成本，而发电能量增加不明显。而且随着层数增加，结构稳定性降低，单片压电陶瓷损坏的风险更大。故选择三层模式堆叠。
[0065]
压电元件(pzt)输出是交流电流，但一般电子设备需要直流供电，所以pzt无法直接和负载相连，两者之间需要一个接口电路进行能量采集和整流。在此选用的是在同步电荷提取电路的基础上经过改进的单压电片em-sece电路。v
oc
是压电片两端开路电压，该电路开关导通时刻与v
oc
达到峰值时刻不是同步的，所以会存在相位滞后。滞后的相位差θ可以表示为：
[0066][0067]
理论上电路提取效率η与滞后相位θ之间的关系为：
[0068][0069]
将下表1参数代入上述公式计算求得θ≈0.1155
°
，故电路提取效率η1≈97.36％。
[0070]
表1元器件及参数
[0071][0072]
电池充电模式为间歇充电模式，这种模式的恒流源电流不变，由开关管进行控制，本计算方法中为当汽车经过时即进行充电并循环往复。电池在不同倍率下进行恒功率充、放电。随着倍率的变化，电池的充电能量变化较小而放电能量变化较大。随着充、放电倍率的增大，充电电压平台升高，放电电压平台降低，这是受电池极化的影响。恒功率充放电模式下电池表现出的容量倍率性能比恒流模式下的差，是因为缺少恒压补充电，电池未充满电。在恒功率模式下，电池的容量倍率性能较差，实际充放、电容量下降较快，查阅文献得知这种方式的电池储能效率η2一般为91.97％。
[0073]
下面为具体实施方式的计算方法：
[0074]
在高速公路收费站中以武汉北为例，车道口数量z＝11，根据该收费站车辆记录：日均车流量n＝1.6万(辆)，且75％以上为货车，剩下主要为小轿车以及其他车型。一辆普通轿车的重量大约在1.5t～2t，货车重量如下表2所示。
[0075]
表2货车类型及其载荷
[0076][0077]
由于货车运载以固定线路为主，考虑到来时载货，回时空载，可视作货车是半负载状态，由于人体重量较轻，可忽略不计，只计算车辆平均重量。
[0078]
第一步，计算车辆通过时对地产生的平均压力：
[0079]fav
＝∑αim
ig[0080]
式中，αi——某类别车辆通过的概率；
[0081]
mi——某类别车辆的重量；
[0082]
g——重力加速度，9.8n/kg。
[0083]
这里以通过车辆α1＝75％为货车，α2＝25％为轿车为例进行计算。取货车平均重量m1＝6.8t+10t/2＝11.8t，轿车平均重量m2＝1.75t，由上述公式计算得车辆通过时对地产生的平均压力f
av
＝91.0175kn。
[0084]
第二步，计算压电陶瓷实际平均受力f：
[0085]
f＝γf
av
[0086]
式中，γ——衰减系数。
[0087]
天然计算工况多采用boussinesq法计算埋设在路面下的压电陶瓷组所受附加应力。本算例中采用分层总和法计算(李建国,王珣,孙立勋.复合地基下卧层附加应力实用计
算方法研究[j].铁道工程学报,2015,32(10):32-37.)，即压电陶瓷组所受附加应力按为自重应力的10％控制，故衰减系数γ为1-10％＝90％。将车辆通过时对地产生的平均压力f
av
＝91.0175kn代入，计算得到压电陶瓷实际平均受力f＝81.9158kn。
[0088]
第三步，计算高速公路上压电陶瓷铺设宽度b与车辆行驶过程中碾压过压电陶瓷的概率p。
[0089]
将装置应用于高速公路，考虑到汽车主要行驶的高速公路以双向六车道为主，为保证经济效应和能量收集效率，将压电陶瓷片铺设在六个车道车轮行驶主要区域，其铺设位置如图2所示，汽车在单车道内车轮碾压位置概率分布如图3所示，且经实际测量得到，压电发电装置封装之后的宽度为1.07m，则高速公路上压电陶瓷铺设宽度b为：
[0090]
b＝1.07
×
2m＝2.14m
[0091]
《公路工程技术标准》规定：设计时速120km/h的高速公路车道宽度为3.75m，紧急停车带宽度3.5m。根据轿车级别的不同(a级、b级、c级)，车身尺寸也是不同的，一般常见的家庭用轿车(常见的a级车)宽度在1600mm到1800mm左右，即1.6m～1.8m。
[0092]
经过现场试验与统计得到车辆在不同位置下的碾压概率如下表所示：
[0093]
表3不同位置下车辆的碾压概率
[0094][0095]
为了收集到足够多的能量，选取上表中碾压概率超过10％的部分进行计算，距离路中心线的距离为0～1.875m为左侧车轮碾压过的概率，对表中数据累加得到车辆行驶过程中左侧车轮碾压过压电陶瓷的概率p1为：
[0096]
p1＝16.4％+29.2％+27.1％+15.4％＝88.1％
[0097]
同理，车辆行驶过程中右侧车轮碾压过压电陶瓷的概率p2为：
[0098]
p2＝12.2％+26.4％+30.4％+19.4％＝88.4％
[0099]
从而得到车辆行驶过程中碾压过压电陶瓷的概率p：
[0100][0101]
第四步，计算每公里可以铺设的压电陶瓷组数量n0以及陶瓷片数量n：
[0102][0103]
n＝3n0；
[0104]
式中，b——高速公路上压电陶瓷铺设宽度；
[0105]
s——压电陶瓷组横截面积，m2。
[0106]
考虑到实际应用效果与经济效益，选择浙江耿坚电子科技有限公司的pzt-43压电陶瓷片(20
×
2mm)作为压电材料，部分性能参数如表4所示。
[0107]
表4 pzt-43材料部分性能参数
[0108][0109]
对pzt压电陶瓷片进行不同数量的堆叠以及串并联比较发现，随着堆叠层数的增加，压电结构的电能增加，但是增加的效果不明显。综合考虑压电结构成本和发电能量，最终选择采用三层堆叠并联式堆栈结构，单片压电陶瓷直径d0＝20mm，厚度h0＝2mm。由于压电陶瓷片需要进行组装，故留出δd＝5mm的余量，得到压电陶瓷组宽度a：
[0110]
a＝d0+δd，即a＝25mm；
[0111]
压电单元高度h：
[0112]
h＝3h0＝6mm＝0.006m
[0113]
压电陶瓷组横截面积s：
[0114]
s＝a
×
a＝625mm2＝6.25
×
10-4
m2[0115]
将高速公路上压电陶瓷铺设宽度b＝2.14m，压电陶瓷组横截面积s＝6.25
×
10-4
m2代入计算得：
[0116]
n0＝3.424
×
106；n＝1.0272
×
107[0117]
故在每公里可以铺设3.424
×
106个压电陶瓷组，1.0272
×
107个陶瓷片。
[0118]
第五步，计算车辆单次碾过的平均发电量e。
[0119]
由于压电材料本身是一种介电材料，压电器件本身呈容性，可以用其来存储电荷，根据电容储能公式可以计算压电单元产生电能，压电单元等效电容c
p
为：
[0120][0121]
式中，εr——相对介电常数(空气εr＝1.00053)；
[0122]
ε0——真空介电常数，8.85
×
10-12
f/m；
[0123]
s——压电陶瓷组横截面积，m2。
[0124]
h——压电单元高度，m。
[0125]
将s＝6.25
×
10-4
m2、h＝0.006m代入得：c
p
＝0.9224pf。
[0126]
车辆单次碾过的平均压强t为：
[0127][0128]
式中，f——压电陶瓷实际平均受力；
[0129]
s——压电陶瓷组横截面积，m2。
[0130]
将f＝81.9158kn、s＝6.25
×
10-4
m2代入得：t＝1.3107
×
108pa。
[0131]
根据压电单元开路电压u与电荷量q之间的关系：
[0132][0133]
式中，d
33
——轴向压力系数，6.5
×
10-10
c/n；
[0134]
h——压电单元高度，m；
[0135]
将t＝1.3107
×
108pa、h＝0.006m代入得：u＝5.7729
×
107v。
[0136]
由此求得车辆单次碾过的平均发电量e为：
[0137][0138]
式中，η1——压电发电装置电路提取效率，97.36％；
[0139]
η2——压电发电装置储能效率，91.97％。
[0140]
将c
p
＝0.9224pf、u＝5.7729
×
107v代入上式得：e＝1376.27j＝1.3763kj。
[0141]
第六步，计算收费站实际日平均用电量e2。
[0142][0143]
式中，e
1i
——不同调查方式得到的收费站每日平均用电量；
[0144]
i——调查方式的种类；
[0145]
仍以湖北某高速运营公司为例，通过线上问卷、座谈、现场调查等方式，对其收费站、隧道的用电负荷、变压器容量等供用电情况进行调研，取一个月内日用电量数据求平均值得到不同调查方式所对应的高速公路收费站日平均用电量情况统计如下：
[0146]
表5高速公路收费站日平均用电量
[0147][0148]
代入上式得到收费站实际日平均用电量e2＝3.8187
×
107kj。
[0149]
第七步，计算高速公路上压电陶瓷组最短铺设长度l
min
：
[0150][0151]
式中，s——压电陶瓷组横截面积，m2；
[0152]
n——日均车流量；
[0153]
d——轮胎宽度(以s30标准胎为例，其宽度为195mm)
[0154]
p——汽车行驶过程中碾压过压电陶瓷的概率，88.25％；
[0155]
e——车辆单次碾过的平均发电量；
[0156]
e2——收费站实际日平均用电量；
[0157]
将s＝6.25
×
10-4
m2、n＝1.6
×
104、e＝1.3763kj、e2＝3.4715
×
106kj代入上式计算得最短铺设长度l
min
＝3.15m，故按照本例的日用电需求，只需铺设3.15m的压电陶瓷即可满足收费站用电。
[0158]
第八步，计算出最短铺设长度所需的压电陶瓷组数量n0以及陶瓷片数量n：
[0159]
[0160]
n＝3n0；
[0161]
式中，n0——每公里可以铺设的压电陶瓷组数量，为3.424
×
106；
[0162]
将l
min
＝3.15m代入计算得：n0＝10786；n＝32358。故最短铺设长度所需的压电陶瓷组数量为10786个，陶瓷片数量为32358个。
[0163]
本公开提供一种基于压电陶瓷发电的高速公路收费站铺设模型与计算方法，不仅能帮助计算在相应铺设模型下，满足高速公路收费站供电的压电发电设备铺设长度，以及满足各种压电发电设备在高速公路收费站应用环境下的供电需求，而且能有效在施工前得到铺设预案，降低经济成本，并提高设备使用的稳定性。
[0164]
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例/方式”、“一些实施例/方式”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例/方式或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本技术的至少一个实施例/方式或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例/方式或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例/方式或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例/方式或示例以及不同实施例/方式或示例的特征进行结合和组合。
[0165]
此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本技术的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。
[0166]
本领域的技术人员应当理解，上述实施方式仅仅是为了清楚地说明本公开，而并非是对本公开的范围进行限定。对于所属领域的技术人员而言，在上述公开的基础上还可以做出其它变化或变型，并且这些变化或变型仍处于本公开的范围内。
技术特征：1.一种高速公路收费站压电陶瓷铺设长度与数量的方法，包括如下步骤：s100、计算车辆通过收费站时对地产生的平均压力f
av
；s200、计算压电陶瓷实际平均受力f；s300、计算高速公路上压电陶瓷铺设宽度b与车辆行驶过程中碾压过压电陶瓷的概率p；s400、计算每公里铺设的压电陶瓷组数量n0以及陶瓷片数量n。2.根据权利要求1所述的方法，步骤s400之后，所述方法进一步包括如下步骤：s500、计算车辆单次碾过的平均发电量e；s600、计算收费站实际日平均用电量e2；s700、计算高速公路上压电陶瓷组最短铺设长度l
min
；s800、计算出最短铺设长度所需的压电陶瓷组数量n0以及陶瓷片数量n。3.根据权利要求1所述的方法，其中，步骤s100通过如下方式计算平均压力f
av
：f
av
＝∑α
i
m
i
g式中，α
i
——某类别车辆通过的概率；m
i
——某类别车辆的重量；g——重力加速度，9.8n/kg。4.根据权利要求1所述的方法，其中，步骤s200通过如下方式计算平均受力f：f＝γf
av
式中，γ——衰减系数。5.根据权利要求1所述的方法，其中，步骤s400通过如下方式计算每公里可以铺设的压电陶瓷组数量n0以及陶瓷片数量n：n＝3n0；式中，b——高速公路上压电陶瓷铺设宽度；s——压电陶瓷组横截面积。6.根据权利要求2所述的方法，其中，步骤s600通过如下方式计算收费站实际日平均用电量e2：式中，e
1i
——不同调查方式得到的收费站每日平均用电量；i——调查方式的种类。7.根据权利要求2所述的方法，其中，步骤s700通过如下方式计算高速公路上压电陶瓷组最短铺设长度l
min
：式中，s——压电陶瓷组横截面积；
n——日均车流量；d——轮胎宽度；p——汽车行驶过程中碾压过压电陶瓷的概率；e——车辆单次碾过的平均发电量；e2——收费站实际日平均用电量。8.根据权利要求2所述的方法，其中，步骤s800通过如下方式计算最短铺设长度所需的压电陶瓷组数量n0以及陶瓷片数量n：n＝3n0。
技术总结一种高速公路收费站压电陶瓷铺设长度与数量的方法，包括如下步骤：S100、计算车辆通过收费站时对地产生的平均压力F
技术研发人员：刘康鸿 何霖 张盟
受保护的技术使用者：西安交通大学
技术研发日：2022.03.18
技术公布日：2022/7/5
