绿道驰储-道路压电发电与数字孪生相关的电能综合优化应用系统

本作品通过优质的压电发电及数字孪生设备，助力城市数字化发展，推进数字孪生与压电发电技术的耦合应用，以电力行业为切入点，促进“双碳”目标实现；带动我国低碳经济发展，促进我国经济水平和生态环境的可持续发展，产生良好的社会效益，兼顾效率与性价比，具有较好的应用前景。

（一）压电发电模块

压电发电模块主要由压电材料、整流优化传输电路、存储电路组成，主要功能是收集道路上的耗散振动能，并将其转化成可供利用与存储的交流电能。压电发电模块是一种利用压电效应将机械能转化为电能的装置。压电效应是指某些材料在受到力或压力作用下会产生电荷的现象。压电发电模块通常由压电材料构成，其设计用于将外部施加的力或压力转化为电能。当压电材料受到外力变形时，材料内部的正负电荷分离，形成电位差，从而产生电荷。
 

1.压电材料

压电材料的性能特性对于压电发电的输出电压电流以及能量转化效率起主导作用，选择压电材料要综合考虑发电性能与机械性能。
实际中应用最广泛的压电材料是压电陶瓷PZT，它具有高机电耦合系数、高电压应变常数和高电阻率，具有良好的时间稳定性，压电活性良好，耐酸性，广泛用于压电能量收集中。

PZT是一种多功能的压电陶瓷材料，由铅、锆和钛的化合物组成。它在外加电场的作用下会出现介电畴的极化现象，而在受到机械应力时会产生压电效应。它具有优异的压电性能，具备高压电系数和较大的应变能力，能够产生较高的电荷输出和电压输出。
PZT材料在传感器、致动器、超声波设备、振动麦克风以及压电发电等领域得到广泛应用。
 
   

2.压电发电的布设方式

路面冲击荷载越大，发电功率越大，储能元件充电时间越短。由此，将压电装置埋设于路面浅表、埋设在重型车辆经常通过的路段，可获得较高的能量转化效果。
在相对低频率冲击范围内，能量收集效果随冲击频率的增加显著提高，而当高过一定数值后，压电能量收集效果反而随频率的增加而下降。这一转折点，即为压电装置的固有频率。其数值范围应通过具体实验测量确定。
 
 压电发电可以使用多种不同的布设方式，具体选择取决于应用场景和设计要求。以下是几种常见的压电发电布设方式：
单点布设：将压电发电器件安装在单个或有限数量的压力集中点上。这种方式适用于只有一个或少数几个集中的机械振动源的情况，例如振动机械设备的活动部件、交通车辆的悬挂系统等。通过在这些特定位置安装压电发电器件，可以最大程度地利用振动能量并生成相应的电能。
线性布设：在机械结构的线性部分上均匀分布压电发电器件。这种方式适用于具有连续振动或应力分布的系统，例如管道、桥梁、楼宇结构等。通过在这些线性结构的关键部位安装压电发电器件，可以收集整个结构中的振动能量并将其转化为电能。
面状布设：在平面结构的整个表面上均匀分布压电发电器件。这种方式适用于具有广泛面积振动或机械应力的情况，例如风力发电机叶片、建筑外墙、车辆车身等。通过在这些表面上布设大面积的压电发电器件，可以收集更多的机械能并实现更高的能量转化效率。
3D布设：在三维结构的多个方向上进行布设。这种方式适用于具有复杂振动模式或多轴应力的系统，例如机械装置的多个部件、船舶、飞机等。通过在这些结构的关键位置或多个方向上安装压电发电器件，可以捕捉到不同方向的振动或应力，并将其转化为电能。

3.整流电路

整流电路选用单相桥式全控整流电路，可以将带有高次谐波以及电压波动较大的交流电变成电压波动较小的直流电，从幅值与相位两个方面改善压电发电电能的质量，最终得到电压较为稳定的直流电。

4.优化电路

由于压电元件所产生的电信号具有高电压低电流的重要特点。为增大电流，应将压电堆并联连接，并采用DC-DC降压增流电路，发电效率最高。
以下是关于该方法的一些说明：
并联连接压电元件：将多个压电元件并联连接，可以将它们的电流输出相加，从而增大总的输出电流。通过并联连接，可以降低整体电阻，提高电流输出能力。
DC-DC降压增流电路：为了将并联连接的压电元件的高电压转换为适合实际使用的工作电压，并增大输出电流，可以采用DC-DC降压增流电路。该电路通常包括降压变换器和稳压电路，可以将输入电压降低到所需的工作电压，并提供足够的输出电流。
发电效率考虑：增大电流的同时，需要关注发电效率。在选择DC-DC降压增流电路时，应注意其能效和损耗情况，以确保能量转化的高效率。选择高效的降压变换器和适当的电路设计可以提高发电效率。

5.储能方法

本作品利用压电能量收集器和LTC3588-1电源管理芯片为核心的电压变换电路以及LTC4071充电控制芯片为核心的充电控制电路，将收集到的能量存储到钽电解电容或镍氢电池。
以下是对这些元件和连接方式的简要说明：

压电能量收集器：压电能量收集器用于将机械振动或应力转化为电能。它可以将振动能量转换成电压信号，并输出给电源管理芯片进行后续处理。根据您之前提到的压电发电模块，压电陶瓷材料（如PZT）或压电聚合物材料可以用作压电能量收集器。

LTC3588-1电源管理芯片：LTC3588-1是一款专为能量收集设计的集成电路芯片。它具有能量收集、电压变换和电源管理功能。LTC3588-1可以接收来自压电能量收集器的电压信号，并将其转换为稳定的电源供应电压。它还具有MPPT（最大功率点跟踪）功能和可调节的输出电压和输出电流限制，以提高能量转换效率并保护后续电路。

LTC4071充电控制芯片：LTC4071是一款用于电池充电管理的芯片。它能够控制电池的充电电流和充电电压，并提供多种保护功能，如过压保护、过流保护和短路保护。通过LTC4071，您可以实现对连接的钽电解电容或镍氢电池的充电控制，并确保充电过程安全可靠。

存储元件：收集到的能量可以存储在钽电解电容或镍氢电池中。钽电解电容具有较高的电容密度和循环寿命，适用于小容量能量存储。镍氢电池具有较高的能量密度和较长的寿命，适用于中大容量能量存储。选择存储元件应根据应用需求、能量需求和使用时的容量和寿命要求进行考虑。

（二）数据监测与传输

1.电压、电流互感器

互感器具有良好的电气隔离，可增强设备的安全性；测量精度较高，因此能够满足大道电驰设备的测量需求。

2.定位模块

卫星系统选择北斗卫星导航系统，利用ATGM332D-5N中科微电子定位模块，并结合SMA天线搜索卫星信号来辅助定位，确定压电发电模块的精确布置位置与海拔高度。

3.ESP8266WiFiMCU

ESP8266WiFiMCU的工作温度范围大，且性能稳定，能适应各种操作环境。其集成了32位Tensilica处理器、射频balun和电源管理模块等，仅需很少的外围电路，所占 PCB 空间降低，专为物联网应用设计，实现了超低功耗。

4.MQTT

MQTT，是一种基于发布/订阅模式的“轻量级”通讯协议，该协议构建于TCP/IP协议上。MQTT作为一种低开销、低带宽占用的即时通讯协议，可节省有限带宽，使得通信过程的有效性提升。

（三）数字孪生

1.数据接受

实现虚拟模型和物理实体的动态交互，需要确保数据的实时与精准性。所以高精度数据采集和安全、快速的数据传输，是实现数字孪生的核心技术。本项目利用Azure Iot Hub实现数据与数字孪生平台的实时链接。

2.虚拟呈现

良好的可视化效果和人机交互环境，将提供更优质的数据监测过程与用户体验。Azure数字孪生技术提供完整的可视化功能，在虚拟环境中能够对监测设备的属性进行多角度、多方式地可视化呈现。

3.数据的管理

设备的全生命周期数据的存储和管理在数字孪生中是一项重要的任务。对数据高效的读取和安全的存储备份，可为数据分析和数据挖掘提供丰富的可靠的数据来源。
 

4.数据的处理

依据前期工程试验数据，利用ADT孪生并经Azure Machine Learning处理分析，比较不同布设位置与单元并联数量的发电效率，获得压电模块最优布设方案；增加云端处理方案，通过对压电发电总功率与用电负荷的实时监控，即时调节电能的存储与释放方式，结合用电设备实现对压电电能多途径利用；根据通车后孪生指标实时获取与云数据库分析，可预测道路交通即时流量与变化趋势，评估道路长期老化程度，为数字化城市发展提供底层数据与参考。