Many laboratory tests and in situ measurements have been conducted to study piezoelectric energy harvesting from roadway deformation. However, the performance of piezoelectric energy harvesters under real traffic flow conditions is still unknown. In this study, an electromechanical model of piezoelectric energy harvesters with detailed parameters (including the geometric parameters, material parameters, and circuits) is established, and the influences of traffic flow conditions (i.e. traffic speed and traffic density) on the output power of piezoelectric energy harvesters are analyzed by employing a scaling law method and traffic flow theory. The results indicate that remarkable differences exist in the load patterns and the frequencies between the laboratory tests (or in situ measurements) and real traffic flow conditions. Because of these differences, the results (especially the output electric power and optimization design methods) of previous studies may be inapplicable for piezoelectric energy harvesters embedded in roadways. Considering the distinguishing features of the traffic load pattern, the optimization criteria to determine the geometric parameters and the intrinsic system parameter of piezoelectric energy harvesters are obtained, and the corresponding optimal output power densities of the piezoelectric energy harvesters are also quantitatively calibrated. These theoretical results may serve as guidelines for optimizing the design of piezoelectric energy harvesters embedded in roadways under different traffic flow conditions.

中文翻译：

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各种交通流条件下道路变形的压电能量收集

已经进行了许多实验室测试和原位测量来研究从道路变形中收集压电能量。然而，压电能量采集器在实际交通流量条件下的性能仍然未知。本研究建立了具有详细参数（包括几何参数、材料参数和电路）的压电能量采集器机电模型，研究了交通流条件（即交通速度和交通密度）对压电能量采集器输出功率的影响。能量采集器通过采用标度律方法和交通流理论进行分析。结果表明，实验室测试（或现场测量）与实际交通流量条件之间的负载模式和频率存在显着差异。由于这些差异，先前研究的结果（尤其是输出电力和优化设计方法）可能不适用于嵌入道路的压电能量采集器。考虑到交通负荷模式的显着特点，得到了确定压电能量采集器几何参数和系统固有参数的优化准则，并定量标定了相应的压电能量采集器最优输出功率密度。这些理论结果可以作为在不同交通流量条件下优化嵌入道路的压电能量采集器设计的指导原则。以往研究的结果（尤其是输出电力和优化设计方法）可能不适用于嵌入道路的压电能量采集器。考虑到交通负荷模式的显着特点，得到了确定压电能量采集器几何参数和系统固有参数的优化准则，并定量标定了相应的压电能量采集器最优输出功率密度。这些理论结果可以作为在不同交通流量条件下优化嵌入道路的压电能量采集器设计的指导原则。以往研究的结果（尤其是输出电力和优化设计方法）可能不适用于嵌入道路的压电能量采集器。考虑到交通负荷模式的显着特点，得到了确定压电能量采集器几何参数和系统固有参数的优化准则，并定量标定了相应的压电能量采集器最优输出功率密度。这些理论结果可以作为在不同交通流量条件下优化嵌入道路的压电能量采集器设计的指导原则。得到了确定压电能量采集器几何参数和系统固有参数的优化准则，并定量标定了相应的压电能量采集器最优输出功率密度。这些理论结果可以作为在不同交通流量条件下优化嵌入道路的压电能量采集器设计的指导原则。得到了确定压电能量采集器几何参数和系统固有参数的优化准则，并定量标定了相应的压电能量采集器最优输出功率密度。这些理论结果可以作为在不同交通流量条件下优化嵌入道路的压电能量采集器设计的指导原则。