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(duì)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(kāi)發(fā)和利用提供了一種新的方法。

【關(guān)鍵詞】踩踏動(dòng)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(huì)的不斷發(fā)展，傳統(tǒng)能源被不斷的消耗，同時(shí)也帶來(lái)了嚴(yán)重的環(huán)境問(wèn)題。為了減少環(huán)境的污染，保證能源的可持續(xù)利用，從長(zhǎng)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(guó)開(kāi)發(fā)新能源的重要內(nèi)容?；谌梭w踩踏動(dòng)力的壓電發(fā)電裝置是一種利用正壓電效應(yīng)對(duì)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(dòng)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(jiǎn)單巧妙、安裝使用方便、制造成本低、占用空間小、無(wú)踩踏不適感、發(fā)電過(guò)程無(wú)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(dòng)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(chǔ)能模塊、充電芯片等。壓電發(fā)電結(jié)構(gòu)在人體踩壓時(shí)，產(chǎn)生電荷并加以輸出；整流模塊能夠?qū)⑹占降乃矔r(shí)、突發(fā)的交變電流進(jìn)行整流、濾波；儲(chǔ)能模塊通過(guò)內(nèi)含的超級(jí)電容、蓄電池等可充電裝置進(jìn)行電能儲(chǔ)存和利用。

1 人體踩踏動(dòng)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(dòng)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(gè)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(dòng)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(gè)懸臂杠桿結(jié)構(gòu)，如圖2所示，主動(dòng)壓塊安裝在距懸臂梁末端4/5長(zhǎng)度的上方位置，而從動(dòng)壓塊安裝在懸臂梁的末端下方，在豎直方向上，彈簧和主動(dòng)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(dòng)后，踏板驅(qū)動(dòng)壓電發(fā)電單元的主動(dòng)驅(qū)動(dòng)塊向下移動(dòng)0.8mm，根據(jù)杠桿原理，從動(dòng)壓塊將向下移動(dòng)4mm，從而提高了壓電發(fā)電板的壓電轉(zhuǎn)換效率。同時(shí)避免踩踏壓電發(fā)電裝置時(shí)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(shí)，同時(shí)驅(qū)動(dòng)多個(gè)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(dòng)能。

2 人體踩踏動(dòng)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(dòng)過(guò)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(shí)、突發(fā)的交變電流，不能直接供電器使用，不能直接儲(chǔ)存，需要經(jīng)AC-DC轉(zhuǎn)化，轉(zhuǎn)化過(guò)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(huì)出高電壓、低電流的現(xiàn)象。

整流過(guò)的電能經(jīng)過(guò)儲(chǔ)能模塊進(jìn)行電能儲(chǔ)存，儲(chǔ)能模塊分為一級(jí)儲(chǔ)能和二級(jí)儲(chǔ)能兩部分。儲(chǔ)能器件主要有普通電容、超級(jí)電容和可充電電池。普通電容電荷密度低，儲(chǔ)存能力有限，容易飽和，只能短期大功率輸出；超級(jí)電容功率密度高，短時(shí)間可放出大電流，充電快；充電電池對(duì)電路有特殊要求。綜上，我們將采用超級(jí)電容作為一級(jí)儲(chǔ)能元件，來(lái)收集壓電陶瓷產(chǎn)生的電荷；充電電池作為二級(jí)儲(chǔ)能元件，當(dāng)超級(jí)電容電荷累積到一定程度，可通過(guò)充電模塊來(lái)對(duì)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(wú)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(dòng)力綠色壓電發(fā)電系統(tǒng)性能測(cè)試

搭建的人體踩踏動(dòng)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(dòng)力綠色壓電發(fā)電裝置如圖5所示。模擬人踩踏時(shí)的狀態(tài)，對(duì)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(guò)整流由超級(jí)電容收集并儲(chǔ)存。利用數(shù)字示波器和數(shù)字電壓表對(duì)電容兩端電壓進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，每踩踏相同時(shí)間，記錄電壓表上讀數(shù)，與示波器實(shí)時(shí)波形。最后利用所測(cè)電壓數(shù)據(jù)計(jì)算出電容這段時(shí)間內(nèi)電壓上升值和儲(chǔ)存的電能。

將壓電板在長(zhǎng)度方向上劃分為三個(gè)區(qū)域，比較三個(gè)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(dòng)，整個(gè)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(cè)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(duì)壓電發(fā)電片進(jìn)行激振，在連續(xù)激振后，對(duì)收集電能電路總的電容兩端電壓進(jìn)行測(cè)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(shí)所收集的電能明顯高于加速度為0時(shí)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(dòng)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(duì)壓電發(fā)電板各個(gè)區(qū)域單次踩踏的平均功率進(jìn)行了對(duì)比，得出在隨機(jī)踩踏時(shí)，整個(gè)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(shí)所收集的電能明顯高于加速度為0時(shí)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(dòng)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)。

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[責(zé)任編輯：王楠]