本作品通過優(yōu)質的壓電發(fā)電及數字孿生設備，助力城市數字化發(fā)展，推進數字孿生與壓電發(fā)電技術的耦合應用，以電力行業(yè)為切入點，促進“雙碳”目標實現；帶動我國低碳經濟發(fā)展，促進我國經濟水平和生態(tài)環(huán)境的可持續(xù)發(fā)展，產生良好的社會效益，兼顧效率與性價比，具有較好的應用前景。

（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、存儲電路組成，主要功能是收集道路上的耗散振動能，并將其轉化成可供利用與存儲的交流電能。壓電發(fā)電模塊是一種利用壓電效應將機械能轉化為電能的裝置。壓電效應是指某些材料在受到力或壓力作用下會產生電荷的現象。壓電發(fā)電模塊通常由壓電材料構成，其設計用于將外部施加的力或壓力轉化為電能。當壓電材料受到外力變形時，材料內部的正負電荷分離，形成電位差，從而產生電荷。
 

1.壓電材料

壓電材料的性能特性對于壓電發(fā)電的輸出電壓電流以及能量轉化效率起主導作用，選擇壓電材料要綜合考慮發(fā)電性能與機械性能。
實際中應用最廣泛的壓電材料是壓電陶瓷PZT，它具有高機電耦合系數、高電壓應變常數和高電阻率，具有良好的時間穩(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。它在外加電場的作用下會出現介電疇的極化現象，而在受到機械應力時會產生壓電效應。它具有優(yōu)異的壓電性能，具備高壓電系數和較大的應變能力，能夠產生較高的電荷輸出和電壓輸出。
PZT材料在傳感器、致動器、超聲波設備、振動麥克風以及壓電發(fā)電等領域得到廣泛應用。
 
   

2.壓電發(fā)電的布設方式

路面沖擊荷載越大，發(fā)電功率越大，儲能元件充電時間越短。由此，將壓電裝置埋設于路面淺表、埋設在重型車輛經常通過的路段，可獲得較高的能量轉化效果。
在相對低頻率沖擊范圍內，能量收集效果隨沖擊頻率的增加顯著提高，而當高過一定數值后，壓電能量收集效果反而隨頻率的增加而下降。這一轉折點，即為壓電裝置的固有頻率。其數值范圍應通過具體實驗測量確定。
 
 壓電發(fā)電可以使用多種不同的布設方式，具體選擇取決于應用場景和設計要求。以下是幾種常見的壓電發(fā)電布設方式：
單點布設：將壓電發(fā)電器件安裝在單個或有限數量的壓力集中點上。這種方式適用于只有一個或少數幾個集中的機械振動源的情況，例如振動機械設備的活動部件、交通車輛的懸掛系統(tǒng)等。通過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能量并生成相應的電能。
線性布設：在機械結構的線性部分上均勻分布壓電發(fā)電器件。這種方式適用于具有連續(xù)振動或應力分布的系統(tǒng)，例如管道、橋梁、樓宇結構等。通過在這些線性結構的關鍵部位安裝壓電發(fā)電器件，可以收集整個結構中的振動能量并將其轉化為電能。
面狀布設：在平面結構的整個表面上均勻分布壓電發(fā)電器件。這種方式適用于具有廣泛面積振動或機械應力的情況，例如風力發(fā)電機葉片、建筑外墻、車輛車身等。通過在這些表面上布設大面積的壓電發(fā)電器件，可以收集更多的機械能并實現更高的能量轉化效率。
3D布設：在三維結構的多個方向上進行布設。這種方式適用于具有復雜振動模式或多軸應力的系統(tǒng)，例如機械裝置的多個部件、船舶、飛機等。通過在這些結構的關鍵位置或多個方向上安裝壓電發(fā)電器件，可以捕捉到不同方向的振動或應力，并將其轉化為電能。

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較大的交流電變成電壓波動較小的直流電，從幅值與相位兩個方面改善壓電發(fā)電電能的質量，最終得到電壓較為穩(wěn)定的直流電。

4.優(yōu)化電路

由于壓電元件所產生的電信號具有高電壓低電流的重要特點。為增大電流，應將壓電堆并聯(lián)連接，并采用DC-DC降壓增流電路，發(fā)電效率最高。
以下是關于該方法的一些說明：
并聯(lián)連接壓電元件：將多個壓電元件并聯(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換為適合實際使用的工作電壓，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，需要關注發(fā)電效率。在選擇DC-DC降壓增流電路時，應注意其能效和損耗情況，以確保能量轉化的高效率。選擇高效的降壓變換器和適當的電路設計可以提高發(fā)電效率。

5.儲能方法

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到鉭電解電容或鎳氫電池。
以下是對這些元件和連接方式的簡要說明：

壓電能量收集器：壓電能量收集器用于將機械振動或應力轉化為電能。它可以將振動能量轉換成電壓信號，并輸出給電源管理芯片進行后續(xù)處理。根據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計的集成電路芯片。它具有能量收集、電壓變換和電源管理功能。LTC3588-1可以接收來自壓電能量收集器的電壓信號，并將其轉換為穩(wěn)定的電源供應電壓。它還具有MPPT（最大功率點跟蹤）功能和可調節(jié)的輸出電壓和輸出電流限制，以提高能量轉換效率并保護后續(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，并提供多種保護功能，如過壓保護、過流保護和短路保護。通過LTC4071，您可以實現對連接的鉭電解電容或鎳氫電池的充電控制，并確保充電過程安全可靠。

存儲元件：收集到的能量可以存儲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。鎳氫電池具有較高的能量密度和較長的壽命，適用于中大容量能量存儲。選擇存儲元件應根據應用需求、能量需求和使用時的容量和壽命要求進行考慮。

（二）數據監(jiān)測與傳輸

1.電壓、電流互感器

互感器具有良好的電氣隔離，可增強設備的安全性；測量精度較高，因此能夠滿足大道電馳設備的測量需求。

2.定位模塊

衛(wèi)星系統(tǒng)選擇北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)，利用ATGM332D-5N中科微電子定位模塊，并結合SMA天線搜索衛(wèi)星信號來輔助定位，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)網應用設計，實現了超低功耗。

4.MQTT

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

（三）數字孿生

1.數據接受

實現虛擬模型和物理實體的動態(tài)交互，需要確保數據的實時與精準性。所以高精度數據采集和安全、快速的數據傳輸，是實現數字孿生的核心技術。本項目利用Azure Iot Hub實現數據與數字孿生平臺的實時鏈接。

2.虛擬呈現

良好的可視化效果和人機交互環(huán)境，將提供更優(yōu)質的數據監(jiān)測過程與用戶體驗。Azure數字孿生技術提供完整的可視化功能，在虛擬環(huán)境中能夠對監(jiān)測設備的屬性進行多角度、多方式地可視化呈現。

3.數據的管理

設備的全生命周期數據的存儲和管理在數字孿生中是一項重要的任務。對數據高效的讀取和安全的存儲備份，可為數據分析和數據挖掘提供豐富的可靠的數據來源。
 

4.數據的處理

依據前期工程試驗數據，利用ADT孿生并經Azure Machine Learning處理分析，比較不同布設位置與單元并聯(lián)數量的發(fā)電效率，獲得壓電模塊最優(yōu)布設方案；增加云端處理方案，通過對壓電發(fā)電總功率與用電負荷的實時監(jiān)控，即時調節(jié)電能的存儲與釋放方式，結合用電設備實現對壓電電能多途徑利用；根據通車后孿生指標實時獲取與云數據庫分析，可預測道路交通即時流量與變化趨勢，評估道路長期老化程度，為數字化城市發(fā)展提供底層數據與參考。