本发明属于发电装置的技术领域，提供了一种路面微型压电发电装置。
背景技术
能源是科技发展的关键。历史上主要技术的发展都与新能源的利用或能源利用方法的改进有关。人类的一切活动都离不开能源，社会向前发展是以能源消费为前提的。随着环境资源的枯竭，能量的回收再利用得到整个社会的重视。近年来我国公路里程和机动车保有量急速增加，道路在车辆荷载的频繁作用下内部积存了大量的机械振动能。因此，开发出一种可将道路内部机械应变能转化为电能的发电路面得到越来越多人的关注。
近几十年来，利用压电材料将环境中的机械能转换为电能的研究越来越受人们的重视，国内外许多科学家对压电材料的实验研究，都已经证明压电材料有着广泛的用途，对压电材料特性的研究和发电能力的研究与探讨也已经获得了实质性的效果，这些为实现压电材料发电在实际中的应用打下了坚实的基础。
目前，压电发电的研究在美国，日本，荷兰，西班牙等国家已经逐步深入，并取得了一系列的科研成果。如美国普林斯顿海洋动力技术公司开发一种利用海浪海流的压力和应力使压电高聚物发电装置；日本科研人员研发一种发电地板，设置在东京繁华的涉谷火车站人行道上，当行人走过地板时地板就可以发电；此外，荷兰鹿特丹市韦斯特加斯公园的舞池发电地板，人们跳舞的机械能转化为电能，从而点亮安装在地板表面的内置二极管。而国内压电发电机的研究虽屡有突破，但实际生活中并没有普遍应用，并且压电发电效果不好等问题。所以，开发一种新型的压电发电装置至关重要。
目前国内外在发电装置技术，尤其是路面压电发电材料与装置方面已取得了一定成效。其中甄逸康等人发明了一种用于沥青路面的压电发电装置（中国发明专利申请号201621093372.4），包括整流电路、金属顶板和设置在金属顶板正下方的金属底板，整流电路与金属顶板和金属底板分别连接，金属顶板和金属底板之间均布有多个压电换能器，每个压电换能器与金属顶板和金属底板分别连接。另外，陈文革等人发明了一种用于路面的压电发电及储能装置（中国发明专利申请号201420857671.5），包括设置于路基上的缓冲层，缓冲层上设置有多个压电片，多个压电片之间通过导线混联后与储能装置相连，压电片上方设置有沥青层；该用于路面的压电发电及储能装置解决了现有的微小机械能量产生容易、但收集存储并重新利用难的问题；其只需针对城市道路进行简单的改造，将压电装置铺设于路面内或直接用压电材料作为路面组成部分，通过车辆行走时路面振动来发电，并将该电能存储并在必要的时候利用。
可见，现有技术中的压电发电装置，普遍存在弹性较差、灵敏度低的缺陷，导致发电效果差，循环性能不佳，制约了压电发电技术的发展应用。
技术实现要素：
针对这种情况，我们提出一种路面微型压电发电装置，可有效提高对于较小压应力的敏感度，具有较好的压电发电效果。
为实现上述目的，本发明涉及的具体技术方案如下：
一种路面微型压电发电装置，所述路面微型压电发电装置由上盖、下盖、机电转换单元、气垫组成；所述机电转换单元是一个金属片，金属片周围是压电陶瓷-聚氨酯海绵复合材料，机电转换单元并电性连接一输出端。
优选的，所述气垫设置于微型压电片下方，以提供微型压电陶瓷-聚氨酯海绵形变空间。
本发明还提供了一种上述路面微型压电发电装置的压电陶瓷-聚氨酯海绵复合材料的制备方法，制备过程为：
（1）将纳米压电陶瓷粉末加入水中，然后加入分散剂，高速搅拌并超声辅助分散，制得纳米压电陶瓷粉末材料的分散胶液；
（2）将聚氨酯海绵用去离子水清洗，并真空烘干；
（3）将清洗后的聚氨酯海绵浸入压电陶瓷粉末材料的分散胶液中，充分浸透后，取出，真空烘干，利用聚四氟乙烯乳液、石墨烯的分散液涂层，粘附在金属片表面，制得压电陶瓷-聚氨酯海绵复合材料。
优选的，步骤（1）所述纳米压电陶瓷粉末为偏铌酸钾钠粉末、偏铌酸锶钡粉末、锆钛酸铅粉末、铌镁锆钛酸铅粉末中的至少一种。
优选的，步骤（1）所述分散剂为亚甲基双萘磺酸钠、亚甲基双甲基萘磺酸钠、聚乙二醇中的至少一种。
优选的，步骤（1）所述分散胶液中，纳米压电陶瓷粉末20~30重量份、分散剂2~4重量份、水66~78重量份。
优选的，步骤（1）所述高速搅拌的速度为800~1200r/min；所述超声分散的超声频率为80~120khz，分散时间为20~50min。
优选的，步骤（2）所述真空烘干的温度为60~70℃，时间为12~18h。
优选的，步骤（3）所述浸润时间为2~5h，真空烘干温度为80~90℃，时间为8~12h。
优选的，所述聚四氟乙烯乳液与石墨烯按质量比3:1分散形成分散液作为涂层，一方面可以使海绵复合材料粘附在金属片表面，另一方面赋予涂层导电性。
聚氨酯海绵时聚氨酯泡沫塑料的一种，属于软质聚氨酯泡麦片塑料，具有多孔蜂窝状结构，因而具有优良的柔软性、弹性、吸水性、耐水性等特点，被广泛用于沙发、床垫、服装、软包装等行业；本发明利用聚氨酯海绵良好的自支撑性能、优异的循环压缩性，将其与压电陶瓷材料复合制备得到的复合材料，具有较好的弹性，在压电发电中敏感性好，因而可有效提升发电效果。
本发明提供了一种路面微型压电发电装置，与现有技术相比，其突出的特点和优异的效果在于：
1.本发明制备的路面微型压电发电装置，发电效果好，适合推广应用。
2.本发明利用聚氨酯海绵良好的自支撑性能、优异的循环压缩性，将其与压电陶瓷材料复合制备得到的复合材料，弹性好，灵敏度高，将其制备成微型压电发电装置，在较小的压应力作用下，便可产生较大的应变，更有利于其压电性能的发挥。
3.本发明制备的压电发电装置，结构简单，不易损坏，成本低。
具体实施方式
以下通过具体实施方式对本发明作进一步的详细说明，但不应将此理解为本发明的范围仅限于以下的实例。在不脱离本发明上述方法思想的情况下，根据本领域普通技术知识和惯用手段做出的各种替换或变更，均应包含在本发明的范围内。
实施例1
路面微型压电发电装置由上盖、下盖、机电转换单元、气垫组成；机电转换单元是一个金属片，金属片周围是压电陶瓷-聚氨酯海绵复合材料，机电转换单元并电性连接一输出端；气垫设置于微型压电片下方，以提供微型压电陶瓷-聚氨酯海绵形变空间。
压电陶瓷-聚氨酯海绵复合材料的制备过程为：
将26kg纳米偏铌酸钾钠粉末加入71g水中，然后加入3kg亚甲基双萘磺酸钠，以950r/min的转速高速搅拌，并在超声频率为105khz下超声分散30min，制得纳米压电陶瓷粉末材料的分散胶液；然后将聚氨酯海绵用去离子水清洗，以66℃的温度真空烘干15h；最后将清洗后的聚氨酯海绵浸入压电陶瓷粉末材料的分散胶液中，3h后取出，以84℃的温度真空烘干11h，利用聚四氟乙烯乳液、石墨烯的分散液涂层，粘附在金属片表面，制得压电陶瓷-聚氨酯海绵复合材料。
测试方法：
压电发电性能测试：将本发明制得压电发电装置埋设于沥青路面以下，埋设深度10cm，然后连接于压电发电性能测试平台，包括信号发生器、功率放大器、激振器、电荷放大器、数据采集箱等仪器和设备，对路面施加0.7~1.1mpa的压力、频率为30hz（该参数取自路面车辆对于路面作用的统计标准），分别测定压力为0.7mpa、0.8mpa、0.9mpa、1.0mpa和1.1mpa时的最大输出峰值电压。
所得数据如表1所示。
实施例2
路面微型压电发电装置由上盖、下盖、机电转换单元、气垫组成；机电转换单元是一个金属片，金属片周围是压电陶瓷-聚氨酯海绵复合材料，机电转换单元并电性连接一输出端；气垫设置于微型压电片下方，以提供微型压电陶瓷-聚氨酯海绵形变空间。
压电陶瓷-聚氨酯海绵复合材料的制备过程为：
将20kg纳米偏铌酸锶钡粉末加入78kg水中，然后加入2kg亚甲基双甲基萘磺酸钠，以800r/min的转速高速搅拌，并在超声频率为80khz下超声分散50min，制得纳米压电陶瓷粉末材料的分散胶液；然后将聚氨酯海绵用去离子水清洗，以60℃的温度真空烘干18h；最后将清洗后的聚氨酯海绵浸入压电陶瓷粉末材料的分散胶液中，2h后取出，以80℃的温度真空烘干12h，利用聚四氟乙烯乳液、石墨烯的分散液涂层，粘附在金属片表面，制得压电陶瓷-聚氨酯海绵复合材料。
测试方法与实施例1一致，所得数据如表1所示。
实施例3
路面微型压电发电装置由上盖、下盖、机电转换单元、气垫组成；机电转换单元是一个金属片，金属片周围是压电陶瓷-聚氨酯海绵复合材料，机电转换单元并电性连接一输出端；气垫设置于微型压电片下方，以提供微型压电陶瓷-聚氨酯海绵形变空间。
压电陶瓷-聚氨酯海绵复合材料的制备过程为：
将30kg纳米锆钛酸铅粉末末加入66kg水中，然后加入4kg聚乙二醇，以1200r/min的转速高速搅拌，并在超声频率为120khz下超声分散20min，制得纳米压电陶瓷粉末材料的分散胶液；然后将聚氨酯海绵用去离子水清洗，以70℃的温度真空烘干12h；最后将清洗后的聚氨酯海绵浸入压电陶瓷粉末材料的分散胶液中，5h后取出，以90℃的温度真空烘干8h，利用聚四氟乙烯乳液、石墨烯的分散液涂层，粘附在金属片表面，制得压电陶瓷-聚氨酯海绵复合材料。
测试方法与实施例1一致，所得数据如表1所示。
实施例4
路面微型压电发电装置由上盖、下盖、机电转换单元、气垫组成；机电转换单元是一个金属片，金属片周围是压电陶瓷-聚氨酯海绵复合材料，机电转换单元并电性连接一输出端；气垫设置于微型压电片下方，以提供微型压电陶瓷-聚氨酯海绵形变空间。
压电陶瓷-聚氨酯海绵复合材料的制备过程为：
将22kg纳米铌镁锆钛酸铅粉末加入75kg水中，然后加入3kg亚甲基双萘磺酸钠，以900r/min的转速高速搅拌，并在超声频率为90khz下超声分散40min，制得纳米压电陶瓷粉末材料的分散胶液；然后将聚氨酯海绵用去离子水清洗，以62℃的温度真空烘干17h；最后将清洗后的聚氨酯海绵浸入压电陶瓷粉末材料的分散胶液中，3h后取出，以82℃的温度真空烘干11h，利用聚四氟乙烯乳液、石墨烯的分散液涂层，粘附在金属片表面，制得压电陶瓷-聚氨酯海绵复合材料。
测试方法与实施例1一致，所得数据如表1所示。
实施例5
路面微型压电发电装置由上盖、下盖、机电转换单元、气垫组成；机电转换单元是一个金属片，金属片周围是压电陶瓷-聚氨酯海绵复合材料，机电转换单元并电性连接一输出端；气垫设置于微型压电片下方，以提供微型压电陶瓷-聚氨酯海绵形变空间。
压电陶瓷-聚氨酯海绵复合材料的制备过程为：
将27kg纳米偏铌酸钾钠粉末加入69kg水中，然后加入4kg亚甲基双甲基萘磺酸钠，以1100r/min的转速高速搅拌，并在超声频率为110khz下超声分散30min，制得纳米压电陶瓷粉末材料的分散胶液；然后将聚氨酯海绵用去离子水清洗，以68℃的温度真空烘干14h；最后将清洗后的聚氨酯海绵浸入压电陶瓷粉末材料的分散胶液中，4h后取出，以88℃的温度真空烘干9h，利用聚四氟乙烯乳液、石墨烯的分散液涂层，粘附在金属片表面，制得压电陶瓷-聚氨酯海绵复合材料。
测试方法与实施例1一致，所得数据如表1所示。
实施例6
路面微型压电发电装置由上盖、下盖、机电转换单元、气垫组成；机电转换单元是一个金属片，金属片周围是压电陶瓷-聚氨酯海绵复合材料，机电转换单元并电性连接一输出端；气垫设置于微型压电片下方，以提供微型压电陶瓷-聚氨酯海绵形变空间。
压电陶瓷-聚氨酯海绵复合材料的制备过程为：
将25kg纳米铌镁锆钛酸铅粉末加入72kg水中，然后加入3k聚乙二醇，以1000r/min的转速高速搅拌，并在超声频率为100khz下超声分散40min，制得纳米压电陶瓷粉末材料的分散胶液；然后将聚氨酯海绵用去离子水清洗，以65℃的温度真空烘干15h；最后将清洗后的聚氨酯海绵浸入压电陶瓷粉末材料的分散胶液中，4h后取出，以85℃的温度真空烘干10h，利用聚四氟乙烯乳液、石墨烯的分散液涂层，粘附在金属片表面，制得压电陶瓷-聚氨酯海绵复合材料。
测试方法与实施例1一致，所得数据如表1所示。
对比例1
未采用聚氨酯海绵与压电陶瓷材料进行复合，直接将压电陶瓷粉粘附在金属片表面，其他制备条件与实施例6一致。
测试方法与实施例1一致，所得数据如表1所示。
表1：