陶瓷压电式石墨烯除冰系统设计方法研究

杨纤婷，邬学斌，周 迪，闵天润

（武汉科技大学城市建设学院，湖北 武汉 430000）

中国地域辽阔，湖泊众多，据统计，截至2019 年，我国公路桥梁数量已超过80 万座，高铁桥梁累积长度超过1 万公里。然而冬季降雪后，由于高架桥悬空、空气流通量大导致桥体温度比地面温度高，桥面温差比地面温差变化大，遇到冷空气后就会结冰。所以，桥面在雪天气温低时要比其他路面更容易结冰。而冬季，即使没有降雪，因通行的车辆较多，在轮胎的摩擦等作用下，桥面也易产生霜冻现象。流量较大的桥梁遇到冰雪天气时，极易发生剐蹭和追尾事故。

在实际中，常见的除冰方式有三种，分别是人工除冰、机械除冰以及撒盐除冰。但这三种方式都存在极大的弊端。人工除冰耗时长、人力消耗大，且响应不及时、效率低，很难快速解决结冰问题；机械除冰也存在局限性，大型的除冰器械难以移动，而小型的机器效率不够高，同时还需要投入大量的人力物力；撒盐除冰通常是指使用氯盐降低雪水凝固点起到除冰作用的方法，这种方法经济、简单、高效、快捷，但盐水对桥梁结构存在极大危害，盐水透过桥面板缝隙侵入混凝土，氯盐（离子）浓度升高会加快钢筋的的腐蚀破坏，促使混凝土的冻融破坏和盐的结晶破坏，同时促进混凝土中氢氧化钙的析出，导致混凝土层开裂脱落，钢筋锈蚀，结构承载力下降，存在极大的安全隐患[1]。同时，以上三种方法都存在难以及时发现结冰地点和位置且响应速度慢的问题。

本设计采用电热转化方法，以石墨烯薄膜作为发热体，利用车辆驶过陶瓷压电片储存的电能，达到除冰目的。

1 陶瓷压电式石墨烯除冰系统设计

1.1 系统整体设计

本设计通过压电效应产生能量提供给石墨烯层加热桥面，从而达到桥面除冰的效果。整体效果图及流程图如图1所示，系统主要由三部分组成，即发电模块、蓄电及自动控制模块、发热模块。

图1 整体效果图及流程图

发电模块由减速带以及PZT 压电陶瓷片组成。当汽车行驶过楔形减速带后给减速带一个向下的压力，通过壳体传递给弹簧片，弹簧片向下将压力传递给PZT 陶瓷压电片，压电片即产生正向压电效应，通过正向压电效应将所产生的电能储存在蓄电单元中[2]，当温度传感器感应到温度低于结冰温度时，便会打开蓄电装置向发电装置的开关，将电能提供给石墨烯发热使用。

发热模块即石墨烯发热膜单元由导电接口、聚酯外壳、石墨烯薄膜三部分组成。石墨烯薄膜有高达12MPa 的拉伸强度和良好的柔韧性，以及室温下20μm 的薄膜超高导电率（6000S/m）。作为一种优良的发热体，在融雪化冰研究中具有良好的表现和应用前景[3]。当室外温度低于桥面结冰温度后自动控制装置将打开连接在蓄电池以及石墨烯层的开关，电流通过导电接口进入嵌入在聚酯外壳中的石墨烯薄膜，使得石墨烯电阻率大幅增大[4]，从而产生较多热量。

1.2 设计方法优势分析

该设计方法将减速带作为压电陶瓷片的压力来源，通过在桥路面上设置减速带，利用车辆经过减速带的压力来获取压力，既保证车辆行驶的速度要求，不额外增加车辆行驶障碍，同时也可获得压力源；设计采用石墨烯薄膜作为发热元件，其热导性能优于常用金属发热元件，发热性能高，拉伸性和柔韧性好，热疲劳性好，不易被损坏，且发热元件埋藏在路面层以下，在保持热导性的基础上避免了发热元件受车辆碾压损坏，很好地保护了发热膜，延长了使用寿命；设计采用压电陶瓷片作为发电装置，不用额外供给能源，实现对车辆行驶过程中能耗的有效收集利用。

1.3 设计可行性分析

1.3.1 陶瓷压电片发电量计算

本设计方案采用的压电振子结构单元为：长80mm，宽30mm，厚0.1mm。

相关参数：振源振动加速度为1.3g 时，对应的最大输出电压为4.8V，最大负载为30kΩ，最大输出功率为0.24mW。

1.3.2 石墨烯发热膜热电转换效率

石墨烯作为二维片面结构的发热材料，其电阻率比铜和银更低，只有约10-6Ω·cm[5]。其热电转换率极高。以尺寸为100*100*1（cm）的石墨烯为例，其电阻为10-6Ω。其中石墨烯单元参数如表1 所示。

表1 石墨烯薄膜单元参数

1.3.3 复合传导模型及可行性分析

图2 为复合传导层一维热传导理论模型，考虑路面结构完整性，首层铺设普通沥青混凝土AC-13（2）。冰层比热Cp=2.1KJ/（kg·°C），冰层导热系数λ=2.22W/（m·℃），冰层对流传热系数h=0.02kw/m℃，冰层密度ρ=0.92g/cm3。

图2 复合传导层一维热传导理论模型

铺设沥青传导层厚度为H2=10cm，由于4 为绝热层，则可将传热过程视为一维向上的传热过程。

以南京市为例计算。南京市冬季平均温度在2～11°C，冬季夜间平均温度为2℃，则初始温度t0=-2℃，末端温度t冬=2℃，取桥面结冰厚度l=30mm。

压电陶瓷片输出电压为4.8V，可得石墨烯发热功率为

石墨烯发热密度为2.03×106kW/m2>>68.188kW/m2，故压电模块产生的电能足够供给冰面除冰所需的热量。

2 结束语

本文针对传统除冰方法的缺陷提出了一种基于陶瓷压电式石墨烯的桥面发热的除冰装置，该装置有效利用了汽车行驶中的机械能，未消耗额外的能量驱动装置，绿色环保，节约能源；压电装置和减速带结合安装布置，结构紧凑简单，对路面车辆行驶过程几乎没有影响，且易于维修安装和大力推广投入应用；压电装置设置在减速带内，不受汽车直接碾压，磨损量小，可使用寿命长；采用物理加热方式除冰，相比传统除冰方式，不会对桥体路面产生损坏；装置能源来源为汽车行驶过减速带产生的压力，不受阳光、温度、气候的影响，运行干扰量小，运行情况稳定；温控传感器实时检查桥面温度，全过程无需人工参与，自动性强；最后通过能量模型对于可行性的计算证明该装置可行。