本作品通過(guò)優(yōu)質(zhì)的壓電發(fā)電及數(shù)字孿生設(shè)備，助力城市數(shù)字化發(fā)展，推進(jìn)數(shù)字孿生與壓電發(fā)電技術(shù)的耦合應(yīng)用，以電力行業(yè)為切入點(diǎn)，促進(jìn)“雙碳”目標(biāo)實(shí)現(xiàn)；帶動(dòng)我國(guó)低碳經(jīng)濟(jì)發(fā)展，促進(jìn)我國(guó)經(jīng)濟(jì)水平和生態(tài)環(huán)境的可持續(xù)發(fā)展，產(chǎn)生良好的社會(huì)效益，兼顧效率與性價(jià)比，具有較好的應(yīng)用前景。

（一）壓電發(fā)電模塊

壓電發(fā)電模塊主要由壓電材料、整流優(yōu)化傳輸電路、存儲(chǔ)電路組成，主要功能是收集道路上的耗散振動(dòng)能，并將其轉(zhuǎn)化成可供利用與存儲(chǔ)的交流電能。壓電發(fā)電模塊是一種利用壓電效應(yīng)將機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電能的裝置。壓電效應(yīng)是指某些材料在受到力或壓力作用下會(huì)產(chǎn)生電荷的現(xiàn)象。壓電發(fā)電模塊通常由壓電材料構(gòu)成，其設(shè)計(jì)用于將外部施加的力或壓力轉(zhuǎn)化為電能。當(dāng)壓電材料受到外力變形時(shí)，材料內(nèi)部的正負(fù)電荷分離，形成電位差，從而產(chǎn)生電荷。
 

1.壓電材料

壓電材料的性能特性對(duì)于壓電發(fā)電的輸出電壓電流以及能量轉(zhuǎn)化效率起主導(dǎo)作用，選擇壓電材料要綜合考慮發(fā)電性能與機(jī)械性能。
實(shí)際中應(yīng)用最廣泛的壓電材料是壓電陶瓷PZT，它具有高機(jī)電耦合系數(shù)、高電壓應(yīng)變常數(shù)和高電阻率，具有良好的時(shí)間穩(wěn)定性，壓電活性良好，耐酸性，廣泛用于壓電能量收集中。

PZT是一種多功能的壓電陶瓷材料，由鉛、鋯和鈦的化合物組成。它在外加電場(chǎng)的作用下會(huì)出現(xiàn)介電疇的極化現(xiàn)象，而在受到機(jī)械應(yīng)力時(shí)會(huì)產(chǎn)生壓電效應(yīng)。它具有優(yōu)異的壓電性能，具備高壓電系數(shù)和較大的應(yīng)變能力，能夠產(chǎn)生較高的電荷輸出和電壓輸出。
PZT材料在傳感器、致動(dòng)器、超聲波設(shè)備、振動(dòng)麥克風(fēng)以及壓電發(fā)電等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。
 
   

2.壓電發(fā)電的布設(shè)方式

路面沖擊荷載越大，發(fā)電功率越大，儲(chǔ)能元件充電時(shí)間越短。由此，將壓電裝置埋設(shè)于路面淺表、埋設(shè)在重型車輛經(jīng)常通過(guò)的路段，可獲得較高的能量轉(zhuǎn)化效果。
在相對(duì)低頻率沖擊范圍內(nèi)，能量收集效果隨沖擊頻率的增加顯著提高，而當(dāng)高過(guò)一定數(shù)值后，壓電能量收集效果反而隨頻率的增加而下降。這一轉(zhuǎn)折點(diǎn)，即為壓電裝置的固有頻率。其數(shù)值范圍應(yīng)通過(guò)具體實(shí)驗(yàn)測(cè)量確定。
 
 壓電發(fā)電可以使用多種不同的布設(shè)方式，具體選擇取決于應(yīng)用場(chǎng)景和設(shè)計(jì)要求。以下是幾種常見(jiàn)的壓電發(fā)電布設(shè)方式：
單點(diǎn)布設(shè)：將壓電發(fā)電器件安裝在單個(gè)或有限數(shù)量的壓力集中點(diǎn)上。這種方式適用于只有一個(gè)或少數(shù)幾個(gè)集中的機(jī)械振動(dòng)源的情況，例如振動(dòng)機(jī)械設(shè)備的活動(dòng)部件、交通車輛的懸掛系統(tǒng)等。通過(guò)在這些特定位置安裝壓電發(fā)電器件，可以最大程度地利用振動(dòng)能量并生成相應(yīng)的電能。
線性布設(shè)：在機(jī)械結(jié)構(gòu)的線性部分上均勻分布?jí)弘姲l(fā)電器件。這種方式適用于具有連續(xù)振動(dòng)或應(yīng)力分布的系統(tǒng)，例如管道、橋梁、樓宇結(jié)構(gòu)等。通過(guò)在這些線性結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵部位安裝壓電發(fā)電器件，可以收集整個(gè)結(jié)構(gòu)中的振動(dòng)能量并將其轉(zhuǎn)化為電能。
面狀布設(shè)：在平面結(jié)構(gòu)的整個(gè)表面上均勻分布?jí)弘姲l(fā)電器件。這種方式適用于具有廣泛面積振動(dòng)或機(jī)械應(yīng)力的情況，例如風(fēng)力發(fā)電機(jī)葉片、建筑外墻、車輛車身等。通過(guò)在這些表面上布設(shè)大面積的壓電發(fā)電器件，可以收集更多的機(jī)械能并實(shí)現(xiàn)更高的能量轉(zhuǎn)化效率。
3D布設(shè)：在三維結(jié)構(gòu)的多個(gè)方向上進(jìn)行布設(shè)。這種方式適用于具有復(fù)雜振動(dòng)模式或多軸應(yīng)力的系統(tǒng)，例如機(jī)械裝置的多個(gè)部件、船舶、飛機(jī)等。通過(guò)在這些結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵位置或多個(gè)方向上安裝壓電發(fā)電器件，可以捕捉到不同方向的振動(dòng)或應(yīng)力，并將其轉(zhuǎn)化為電能。

3.整流電路

整流電路選用單相橋式全控整流電路，可以將帶有高次諧波以及電壓波動(dòng)較大的交流電變成電壓波動(dòng)較小的直流電，從幅值與相位兩個(gè)方面改善壓電發(fā)電電能的質(zhì)量，最終得到電壓較為穩(wěn)定的直流電。

4.優(yōu)化電路

由于壓電元件所產(chǎn)生的電信號(hào)具有高電壓低電流的重要特點(diǎn)。為增大電流，應(yīng)將壓電堆并聯(lián)連接，并采用DC-DC降壓增流電路，發(fā)電效率最高。
以下是關(guān)于該方法的一些說(shuō)明：
并聯(lián)連接壓電元件：將多個(gè)壓電元件并聯(lián)連接，可以將它們的電流輸出相加，從而增大總的輸出電流。通過(guò)并聯(lián)連接，可以降低整體電阻，提高電流輸出能力。
DC-DC降壓增流電路：為了將并聯(lián)連接的壓電元件的高電壓轉(zhuǎn)換為適合實(shí)際使用的工作電壓，并增大輸出電流，可以采用DC-DC降壓增流電路。該電路通常包括降壓變換器和穩(wěn)壓電路，可以將輸入電壓降低到所需的工作電壓，并提供足夠的輸出電流。
發(fā)電效率考慮：增大電流的同時(shí)，需要關(guān)注發(fā)電效率。在選擇DC-DC降壓增流電路時(shí)，應(yīng)注意其能效和損耗情況，以確保能量轉(zhuǎn)化的高效率。選擇高效的降壓變換器和適當(dāng)?shù)碾娐吩O(shè)計(jì)可以提高發(fā)電效率。

5.儲(chǔ)能方法

本作品利用壓電能量收集器和LTC3588-1電源管理芯片為核心的電壓變換電路以及LTC4071充電控制芯片為核心的充電控制電路，將收集到的能量存儲(chǔ)到鉭電解電容或鎳氫電池。
以下是對(duì)這些元件和連接方式的簡(jiǎn)要說(shuō)明：

壓電能量收集器：壓電能量收集器用于將機(jī)械振動(dòng)或應(yīng)力轉(zhuǎn)化為電能。它可以將振動(dòng)能量轉(zhuǎn)換成電壓信號(hào)，并輸出給電源管理芯片進(jìn)行后續(xù)處理。根據(jù)您之前提到的壓電發(fā)電模塊，壓電陶瓷材料（如PZT）或壓電聚合物材料可以用作壓電能量收集器。

LTC3588-1電源管理芯片：LTC3588-1是一款專為能量收集設(shè)計(jì)的集成電路芯片。它具有能量收集、電壓變換和電源管理功能。LTC3588-1可以接收來(lái)自壓電能量收集器的電壓信號(hào)，并將其轉(zhuǎn)換為穩(wěn)定的電源供應(yīng)電壓。它還具有MPPT（最大功率點(diǎn)跟蹤）功能和可調(diào)節(jié)的輸出電壓和輸出電流限制，以提高能量轉(zhuǎn)換效率并保護(hù)后續(xù)電路。

LTC4071充電控制芯片：LTC4071是一款用于電池充電管理的芯片。它能夠控制電池的充電電流和充電電壓，并提供多種保護(hù)功能，如過(guò)壓保護(hù)、過(guò)流保護(hù)和短路保護(hù)。通過(guò)LTC4071，您可以實(shí)現(xiàn)對(duì)連接的鉭電解電容或鎳氫電池的充電控制，并確保充電過(guò)程安全可靠。

存儲(chǔ)元件：收集到的能量可以存儲(chǔ)在鉭電解電容或鎳氫電池中。鉭電解電容具有較高的電容密度和循環(huán)壽命，適用于小容量能量存儲(chǔ)。鎳氫電池具有較高的能量密度和較長(zhǎng)的壽命，適用于中大容量能量存儲(chǔ)。選擇存儲(chǔ)元件應(yīng)根據(jù)應(yīng)用需求、能量需求和使用時(shí)的容量和壽命要求進(jìn)行考慮。

（二）數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)與傳輸

1.電壓、電流互感器

互感器具有良好的電氣隔離，可增強(qiáng)設(shè)備的安全性；測(cè)量精度較高，因此能夠滿足大道電馳設(shè)備的測(cè)量需求。

2.定位模塊

衛(wèi)星系統(tǒng)選擇北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)，利用ATGM332D-5N中科微電子定位模塊，并結(jié)合SMA天線搜索衛(wèi)星信號(hào)來(lái)輔助定位，確定壓電發(fā)電模塊的精確布置位置與海拔高度。

3.ESP8266WiFiMCU

ESP8266WiFiMCU的工作溫度范圍大，且性能穩(wěn)定，能適應(yīng)各種操作環(huán)境。其集成了32位Tensilica處理器、射頻balun和電源管理模塊等，僅需很少的外圍電路，所占 PCB 空間降低，專為物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了超低功耗。

4.MQTT

MQTT，是一種基于發(fā)布/訂閱模式的“輕量級(jí)”通訊協(xié)議，該協(xié)議構(gòu)建于TCP/IP協(xié)議上。MQTT作為一種低開(kāi)銷、低帶寬占用的即時(shí)通訊協(xié)議，可節(jié)省有限帶寬，使得通信過(guò)程的有效性提升。

（三）數(shù)字孿生

1.數(shù)據(jù)接受

實(shí)現(xiàn)虛擬模型和物理實(shí)體的動(dòng)態(tài)交互，需要確保數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)與精準(zhǔn)性。所以高精度數(shù)據(jù)采集和安全、快速的數(shù)據(jù)傳輸，是實(shí)現(xiàn)數(shù)字孿生的核心技術(shù)。本項(xiàng)目利用Azure Iot Hub實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)與數(shù)字孿生平臺(tái)的實(shí)時(shí)鏈接。

2.虛擬呈現(xiàn)

良好的可視化效果和人機(jī)交互環(huán)境，將提供更優(yōu)質(zhì)的數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)過(guò)程與用戶體驗(yàn)。Azure數(shù)字孿生技術(shù)提供完整的可視化功能，在虛擬環(huán)境中能夠?qū)ΡO(jiān)測(cè)設(shè)備的屬性進(jìn)行多角度、多方式地可視化呈現(xiàn)。

3.數(shù)據(jù)的管理

設(shè)備的全生命周期數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)和管理在數(shù)字孿生中是一項(xiàng)重要的任務(wù)。對(duì)數(shù)據(jù)高效的讀取和安全的存儲(chǔ)備份，可為數(shù)據(jù)分析和數(shù)據(jù)挖掘提供豐富的可靠的數(shù)據(jù)來(lái)源。
 

4.數(shù)據(jù)的處理

依據(jù)前期工程試驗(yàn)數(shù)據(jù)，利用ADT孿生并經(jīng)Azure Machine Learning處理分析，比較不同布設(shè)位置與單元并聯(lián)數(shù)量的發(fā)電效率，獲得壓電模塊最優(yōu)布設(shè)方案；增加云端處理方案，通過(guò)對(duì)壓電發(fā)電總功率與用電負(fù)荷的實(shí)時(shí)監(jiān)控，即時(shí)調(diào)節(jié)電能的存儲(chǔ)與釋放方式，結(jié)合用電設(shè)備實(shí)現(xiàn)對(duì)壓電電能多途徑利用；根據(jù)通車后孿生指標(biāo)實(shí)時(shí)獲取與云數(shù)據(jù)庫(kù)分析，可預(yù)測(cè)道路交通即時(shí)流量與變化趨勢(shì)，評(píng)估道路長(zhǎng)期老化程度，為數(shù)字化城市發(fā)展提供底層數(shù)據(jù)與參考。