□ 王亞男 □ 楊 琨 □ 張 琦 □ 李延偉

武漢理工大學(xué) 能源與動力工程學(xué)院 武漢 430063

荷蘭的 ThadStarner 等人［1、2］利用壓電陶瓷收集的運動能量來驅(qū)動筆記本電腦，開辟了壓電發(fā)電與能量儲存這一新的研究領(lǐng)域。用壓電陶瓷制成的發(fā)電裝置具有無污染、體積小、結(jié)構(gòu)簡單、成本低的優(yōu)點。但由于壓電發(fā)電產(chǎn)生的是高電壓、低電流，并且在單位空間內(nèi)壓電陶瓷產(chǎn)生的電荷量是有限的，故無法為電量需求較高的電路充電。因此，提高有效空間內(nèi)的壓電發(fā)電量并將其儲存起來進(jìn)行利用成為亟待解決的問題［3，9］。目前對于此問題的解決方案主要是從材料和振子的分布方面來研究，如近年來出現(xiàn)的新型壓電材料PVDF、壓電光纖［4］，較之前的壓電陶瓷具有更好的柔韌性和更高的壓電轉(zhuǎn)化效率；采用并聯(lián)式的疊堆方式能使輸出電流增大，采用串聯(lián)的方式可使電壓增大。

人的踩踏可以產(chǎn)生較大的沖擊力，同時也具有分布密度大的特點，所以收集踩踏力產(chǎn)生的勢能將其轉(zhuǎn)換成電能具有較大的收益。本系統(tǒng)利用新型的壓電材料，從壓電發(fā)電裝置的設(shè)計和壓電發(fā)電裝置產(chǎn)生電量的存儲兩方面入手，設(shè)計了一種應(yīng)用于人流密度較大場所的組合式踩踏壓電發(fā)電系統(tǒng)，并嘗試?yán)闷鋵Τ潆娨鬄?．7V、500mA的鋰電池充電。

1 工作原理及組成結(jié)構(gòu)

筆者設(shè)計的組合式壓電發(fā)電裝置，是將踩踏時產(chǎn)生的沖擊力作用于壓電部分，推進(jìn)壓電部分進(jìn)行往復(fù)工作。為提高有效空間內(nèi)壓電部分的發(fā)電能力，采用了基于拉密定理的機械傳力振子，從而使作用在壓電片上的力更大，提高了壓電部分的發(fā)電效率。同時，應(yīng)用了磁電發(fā)電，進(jìn)一步提高了剩余空間的發(fā)電利用率。

組合式壓電發(fā)電系統(tǒng)由壓電發(fā)電部分、磁電發(fā)電部分以及調(diào)節(jié)充電電路組成。

1．1 壓電發(fā)電部分

影響壓電發(fā)電電量的主要外部因素是壓電陶瓷所受擠壓力的大小，傳統(tǒng)的振子設(shè)計方案有懸臂梁式［5］、直壓式［6］、扭矩振子式［7］、鈸型片式［8］等。 為提高壓電發(fā)電效率，筆者采用了與之前不同的楔形振子傳力的方式，具體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

▲圖1 壓電部分傳力結(jié)構(gòu)圖

踩踏力沿A方向作用在中心的機械振子上，通過楔形墊片將力分解到B方向上。其中，中心的機械振子采用了上半部為圓柱體、下半部為圓弧形的結(jié)構(gòu)，其目的是減少與P面的接觸面積，降低摩擦力，也避免了中心機械振子與楔形墊片過早接觸而引起上端應(yīng)力集中的問題。同時，通過理論計算和實驗得出，當(dāng)對應(yīng)六組壓電疊堆、楔形墊片的角度選在9～10°之間、受力點處于距P面下端2/5處時，壓電片上所受的力（B方向的力）與踩踏力（A方向的力）近似相等且分布均勻。位于機械振子深孔內(nèi)的彈簧，其作用是為機械振子的復(fù)位提供回復(fù)力，從而使機械振子在踩踏力的作用下可以形成往復(fù)運動。位于最下端的托盤，其目的是，一方面利用其上端的小凸臺，固定彈簧避免其錯位，另一方面利用其與導(dǎo)軌的高度差來抵住楔形墊片，避免其在A方向的力施加下來時，產(chǎn)生下端翹起的現(xiàn)象，以固定楔形墊片。中心的機械振子通過其上端的螺栓孔與上殼相連，方便裝拆。選擇托盤厚度時，應(yīng)考慮到導(dǎo)軌的厚度，因為楔形墊片與壓電片是放在同一導(dǎo)軌上的。在實際安裝時，應(yīng)該在P面上涂抹潤滑脂，以減小機械振子工作過程中與P面的摩擦力，使振子工作更流暢。

▲圖2 力放大原理圖

圖2所示是力放大原理圖，其中分解后的力與未分解的力在采用楔形墊片傳力后，其大小是近似相等的，但兩者所對應(yīng)的受力面積不同，作用在單位面積上的力也不同。在給定空間（φ120mm×21．5mm的圓柱體）內(nèi)，對一定數(shù)量的壓電片作用時，采用此傳力結(jié)構(gòu)，可以使水平放置的壓電片極化面上單位面積的受力，相比沒有中心機械振子而直接壓在豎直放置的壓電片極化面上，單位面積的受力提高了3．2倍。

1．2 磁電發(fā)電部分

磁電發(fā)電部分主要是針對發(fā)電裝置內(nèi)的剩余空間所設(shè)計的，它應(yīng)用了切割磁感線的原理。當(dāng)壓電部分的中心機械振子運動時，帶動上殼內(nèi)壁上的線圈切割磁感線，從而產(chǎn)生電能，其結(jié)構(gòu)如圖3所示。

此磁電發(fā)電部分在給定空間為 φ120mm×21．5 mm、φ0．11mm×240 匝漆包線的條件下工作時，可以產(chǎn)生5．28V、0．138A的電能輸出。磁電發(fā)電占總發(fā)電量的24%左右，壓電發(fā)電占總發(fā)電量的76%左右。

2 調(diào)節(jié)充電電路

▲圖3 磁電部分結(jié)構(gòu)圖

壓電部分與磁電部分產(chǎn)生的電流均具有瞬時性和不穩(wěn)定性，并且壓電部分產(chǎn)生的是高電壓、低電流的電能，磁電部分產(chǎn)生的是低電壓、高電流的電能。為將其整合后統(tǒng)一穩(wěn)定輸出，本系統(tǒng)采用的方法是，先將壓電部分、磁電部分分別調(diào)節(jié)至穩(wěn)定后，然后存入同一超級電容內(nèi)，再統(tǒng)一輸出。

在壓電部分，先通過降壓增流電路調(diào)到充電電路的輸入范圍內(nèi)，再進(jìn)行具體調(diào)節(jié)，充電電路板的電路圖如圖4所示。

該電路具有過充電壓保護和過放電壓保護，同時也具有充電飽和指示等功能。對于磁電部分，單獨使用一個簡單的調(diào)節(jié)模塊，將電能調(diào)至穩(wěn)定后，再與壓電部分產(chǎn)生的電流導(dǎo)入同一電容中。選用的超級電容的容量較大，可以起到瞬時儲存電能的作用，同時減少不連續(xù)充電時對實際充電電池造成的損害。

3 實物展示

▲圖4 壓電部分充電電路圖

圖5 組合式踩踏壓電發(fā)電裝置實物圖

組合式踩踏壓電發(fā)電裝置的實物外型如圖5所示，其工作過程為：踩壓裝置時，上殼帶動中心機械振子對四周的壓電疊堆進(jìn)行周期性擠壓，產(chǎn)生電能；同時，上殼下降時帶動殼內(nèi)壁的線圈向下運動切割磁感線，也產(chǎn)生電能。通過調(diào)節(jié)充電電路，將這兩部分電能調(diào)至穩(wěn)壓后存儲在同一超級電容中。本裝置占用空間小，結(jié)構(gòu)簡單，完全密封，單位空間發(fā)電量高，可靠性好，而且只需要體重為60kg的人將其踩下 5～7．5 mm （此范圍在人體感覺到下陷的范圍內(nèi)），便能使裝置內(nèi)部的6組壓電疊堆產(chǎn)生最大為158V的電壓，磁電部分也同時正常工作。通過充電電路將產(chǎn)生的電能調(diào)至穩(wěn)定后，存入超級電容中，然后為3．7V、500mA的設(shè)備充電。

4 實驗結(jié)果與分析

影響壓電部分發(fā)電量的主要外界因素是壓電片上的受力大小、均勻分布程度以及激勵力的頻率等，圖6所示的是在15kg沖擊力的作用下得到的發(fā)電情況。

▲圖6 壓電部分發(fā)電電壓信號圖

▲圖7 磁電部分發(fā)電電壓波形

從圖6中可以看出，對壓電部分的傳力振子在某一時刻施加力的時候，壓電片受力變形，產(chǎn)生一個峰值電壓；壓電振子不再變形時，電壓減小到零；撤去載荷時，壓電振子恢復(fù)變形，產(chǎn)生反向的峰值電壓；變形完全恢復(fù)時，峰值電壓又減小到零；所產(chǎn)生的峰值電壓為40．8 V。

對于磁電部分，影響因素是激勵力的頻率及作用幅度等。當(dāng)中心的機械振子往復(fù)運動時，帶動上殼運動，使上殼內(nèi)壁的線圈切割磁感線，產(chǎn)生電能。在給定空間為 φ120mm×21．5mm，φ0．11mm×240 匝的漆包線的條件下，其發(fā)電情況如圖7所示。當(dāng)壓電片被迅速下壓時，磁電部分可以產(chǎn)生5．2V的電壓，向上彈起時，由于彈起的力度不大，導(dǎo)致其頻率較低，故產(chǎn)生的電壓在-0．2V左右，該現(xiàn)象可以通過適當(dāng)調(diào)節(jié)彈簧的剛性來改善。

5 總結(jié)

對發(fā)電裝置的機械結(jié)構(gòu)和電能調(diào)節(jié)電路進(jìn)行了試驗，試驗結(jié)果表明，該發(fā)電系統(tǒng)的壓電部分最大可以產(chǎn)生158V的電壓，磁電部分可以產(chǎn)生約5V的電壓，通過調(diào)節(jié)充電電路，將電能存儲在超級電容中，待使用時再集中放出。該裝置具有結(jié)構(gòu)簡單緊湊、發(fā)電量大的特點，可以放置在踩踏密度較大的區(qū)域，為手機、USB充電設(shè)備以及應(yīng)急燈供電。

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