人體踩踏動力綠色壓電發(fā)電系統(tǒng)研究

楊鑫銘　殷振　錢蜜　伯潔

【摘 要】本文基于壓電陶瓷的正壓電效應(yīng)，設(shè)計(jì)了一種對人體踩踏機(jī)械能進(jìn)行回收利用的壓電發(fā)電裝置和能夠提高該壓電發(fā)電裝置轉(zhuǎn)換效率的轉(zhuǎn)換電路，并利用該壓電發(fā)電裝置樣機(jī)進(jìn)行了壓電發(fā)電相關(guān)實(shí)驗(yàn)，取得了較為滿意的發(fā)電效果，為新能源的開發(fā)和利用提供了一種新的方法。

【關(guān)鍵詞】踩踏動力；綠色能源；壓電發(fā)電；機(jī)電轉(zhuǎn)換

0 引言

隨著人類社會的不斷發(fā)展，傳統(tǒng)能源被不斷的消耗，同時也帶來了嚴(yán)重的環(huán)境問題。為了減少環(huán)境的污染，保證能源的可持續(xù)利用，從長遠(yuǎn)發(fā)展的角度看，尋找、應(yīng)用綠色可再生資源成為我國開發(fā)新能源的重要內(nèi)容?；谌梭w踩踏動力的壓電發(fā)電裝置是一種利用正壓電效應(yīng)對能量進(jìn)行重新回收利用的新型能源回收技術(shù)，它完全滿足可持續(xù)發(fā)展綠色能源的要求。將人體踩踏動力的壓電發(fā)電裝置安裝在樓梯上、樓梯口、地鐵出入口等人口密集的地方，加以固定就可以方便使用。其結(jié)構(gòu)簡單巧妙、安裝使用方便、制造成本低、占用空間小、無踩踏不適感、發(fā)電過程無二次污染和噪音，不受天氣、日照等自然因素的影響，清潔綠色，適應(yīng)性廣，有利于能源的可持續(xù)發(fā)展利用。

該人體踩踏動力的壓電發(fā)電裝置包括壓電發(fā)電結(jié)構(gòu)、整流模塊、儲能模塊、充電芯片等。壓電發(fā)電結(jié)構(gòu)在人體踩壓時，產(chǎn)生電荷并加以輸出；整流模塊能夠?qū)⑹占降乃矔r、突發(fā)的交變電流進(jìn)行整流、濾波；儲能模塊通過內(nèi)含的超級電容、蓄電池等可充電裝置進(jìn)行電能儲存和利用。

1 人體踩踏動力綠色壓電發(fā)電裝置結(jié)構(gòu)

如圖1所示的基于人體踩踏動力綠色壓電發(fā)電裝置，包括踏板、基板、支撐限位條、彈簧和壓電發(fā)電單元。三個支撐限位條、兩列彈簧和兩列壓電發(fā)電單元安裝在基板上，踏板設(shè)置在壓電單元和彈簧的上方，支撐限位條限制踏板向下運(yùn)動的距離為0.8mm，彈簧用于將踩下的踏板向上反彈回原位。

壓電發(fā)電單元為一個懸臂杠桿結(jié)構(gòu)，如圖2所示，主動壓塊安裝在距懸臂梁末端4/5長度的上方位置，而從動壓塊安裝在懸臂梁的末端下方，在豎直方向上，彈簧和主動壓塊的上表面高度均比上壓板和支撐限位條上表面高度高出0.8mm。當(dāng)人體踩踏踏板向下移動后，踏板驅(qū)動壓電發(fā)電單元的主動驅(qū)動塊向下移動0.8mm，根據(jù)杠桿原理，從動壓塊將向下移動4mm，從而提高了壓電發(fā)電板的壓電轉(zhuǎn)換效率。同時避免踩踏壓電發(fā)電裝置時有踩空等不適感，避免了人體踩踏沖擊力和壓電陶瓷片的直接接觸，保證壓電陶瓷片不被直接沖擊破裂或損壞。由于踏板較大，當(dāng)有人踩踏壓板時，同時驅(qū)動多個壓電發(fā)電單元進(jìn)行發(fā)電，最大限度的利用了人體踩踏產(chǎn)生的動能。

2 人體踩踏動力綠色壓電發(fā)電裝置電能回收電路

壓電振子是該壓電發(fā)電裝置的核心部件，由金屬片、壓電片組成，在金屬表面粘貼壓電片，分別從金屬片和壓電片上引出電極，利用正壓電效應(yīng)將人踩踏地面消耗的機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電能。由于人走動過程中產(chǎn)生的能量不穩(wěn)定，壓電振子輸出的電壓不是穩(wěn)定值，收集到的電能是瞬時、突發(fā)的交變電流，不能直接供電器使用，不能直接儲存，需要經(jīng)AC-DC轉(zhuǎn)化，轉(zhuǎn)化過程就由整流模塊完成。設(shè)計(jì)采用橋式整流電路，橋式整流電路整流效率高，不會出高電壓、低電流的現(xiàn)象。

整流過的電能經(jīng)過儲能模塊進(jìn)行電能儲存，儲能模塊分為一級儲能和二級儲能兩部分。儲能器件主要有普通電容、超級電容和可充電電池。普通電容電荷密度低，儲存能力有限，容易飽和，只能短期大功率輸出；超級電容功率密度高，短時間可放出大電流，充電快；充電電池對電路有特殊要求。綜上，我們將采用超級電容作為一級儲能元件，來收集壓電陶瓷產(chǎn)生的電荷；充電電池作為二級儲能元件，當(dāng)超級電容電荷累積到一定程度，可通過充電模塊來對充電電池充電。充電芯片采用美信公司生產(chǎn)的USB接口鋰電池充電芯片MAX1811，它可以直接由USB端口供電，或由其他外部電源供電，電源電壓可達(dá)+6.5V。MAX1811無須微處理器控制，最大充電電壓可由引腳設(shè)置為4.1V或4.2V，最大誤差為0.5%。設(shè)計(jì)的壓電發(fā)電裝置電能回收電路原理圖如圖3所示。

3 人體踩踏動力綠色壓電發(fā)電系統(tǒng)性能測試

搭建的人體踩踏動力綠色壓電發(fā)電實(shí)驗(yàn)裝置如圖4所示，實(shí)際的人體踩踏動力綠色壓電發(fā)電裝置如圖5所示。模擬人踩踏時的狀態(tài)，對發(fā)電裝置進(jìn)行踩踏，使得壓電懸臂梁裝置受力形變，壓電振子產(chǎn)生電能，這部分電能經(jīng)過整流由超級電容收集并儲存。利用數(shù)字示波器和數(shù)字電壓表對電容兩端電壓進(jìn)行實(shí)時監(jiān)控，每踩踏相同時間，記錄電壓表上讀數(shù)，與示波器實(shí)時波形。最后利用所測電壓數(shù)據(jù)計(jì)算出電容這段時間內(nèi)電壓上升值和儲存的電能。

將壓電板在長度方向上劃分為三個區(qū)域，比較三個區(qū)域在不同踩踏次數(shù)情況下的平均功率，得到的實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖6所示，從圖中可以看出，區(qū)域一和區(qū)域三的平均發(fā)電功率比較接近，區(qū)域二部分的平均功率較小，區(qū)域一和區(qū)域三的平均發(fā)電功率是區(qū)域二平均發(fā)電功率的1.5-2倍；隨著踩踏區(qū)域的隨機(jī)變動，整個壓電發(fā)電裝置的平均壓電發(fā)電功率為0.08～0.18×10-3J/次。

1.DT-830B數(shù)字電壓表；2.DS 5102CA數(shù)字示波器；3.測試軟件；4.計(jì)算機(jī)；

5.壓電發(fā)電裝置

在其它條件相同的情況下，采用不同的激振加速度，對壓電發(fā)電片進(jìn)行激振，在連續(xù)激振后，對收集電能電路總的電容兩端電壓進(jìn)行測量，并由公式W=■CU2得出兩種激振方式下收集到的電量，兩種激振方式下收集得到的電量如圖7所示。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：激振加速度為5m/s2時所收集的電能明顯高于加速度為0時所收集的電能，相同激振次數(shù)下，前者產(chǎn)生電能為后者的1.8-2倍，且在同一總條件下，壓電發(fā)電板產(chǎn)生的電能與激振的次數(shù)成正比。

4 結(jié)論

設(shè)計(jì)了一套人體踩踏動力壓電發(fā)電壓電發(fā)電裝置，并利用該壓電發(fā)電裝置樣機(jī)進(jìn)行了壓電發(fā)電相關(guān)實(shí)驗(yàn)，對壓電發(fā)電板各個區(qū)域單次踩踏的平均功率進(jìn)行了對比，得出在隨機(jī)踩踏時，整個壓電發(fā)電裝置的平均壓電發(fā)電功率為0.08～0.18×10-3J/次。并得出在激振加速度為5m/s2時所收集的電能明顯高于加速度為0時所收集的電能，相同激振次數(shù)下，前者產(chǎn)生電能為后者的1.8-2倍，且在同一總條件下，壓電發(fā)電板產(chǎn)生的電能與激振的次數(shù)成正比。為人體踩踏動力綠色壓電發(fā)電裝置的研究提供了一定的理論和實(shí)驗(yàn)研究基礎(chǔ)。

【參考文獻(xiàn)】

[1]許穎穎，龔俊杰，宋子玲，等.懸臂梁壓電發(fā)電裝置的實(shí)驗(yàn)研究[J].機(jī)械工程與自動化，2012.2（1）：80-84.

[2]鄒玉煒，黃學(xué)良，譚林林.懸臂梁壓電發(fā)電機(jī)的基頻諧振頻率與功率[J].東南大學(xué)學(xué)報（自然科學(xué)版），2011.41（6）：1177-1181.

[3]單小彪，袁江波，謝濤，等.不對稱懸臂梁壓電發(fā)電裝置的實(shí)驗(yàn)研究[J].壓電與聲光，2010.32（4）：608-610.

[4]SODANOHA，PARKG，LEODJ. Use of piezoelectric energy harvesting devices for charging batteries[J]. Center for Intelligen Material Systems and Strctures Virginina Polytechinic Institute and State UniversityBlacksburg，2012，50：101-108.

[5]唐可洪，闞君武，任玉，等.壓電發(fā)電裝置的功率分析與試驗(yàn)[J].吉林大學(xué)學(xué)報（工學(xué)版），2011.39（6）：1550-1553.

[6]王隸梓.基于ANSYS的圓形壓電振子的仿真分析與研究[J].起重運(yùn)輸機(jī)械， 2010（2）：55-59.

[責(zé)任編輯：王楠]