劉金柱 房靈猛 張亞萍

(中國石油大學(xué)(華東)理學(xué)院，山東 青島 266580)

踩壓式壓力發(fā)電裝置的研制

劉金柱 房靈猛 張亞萍

(中國石油大學(xué)(華東)理學(xué)院，山東 青島 266580)

為了實現(xiàn)對壓力的充分利用，應(yīng)用永久磁鐵和導(dǎo)電線圈，根據(jù)動生電動勢的產(chǎn)生原理，設(shè)計了一種踩壓式壓力發(fā)電裝置，并進行了理論分析和實驗驗證。當(dāng)有壓力施加于裝置上時，裝置會將作用的壓力經(jīng)內(nèi)部線圈轉(zhuǎn)變?yōu)檎沂浇涣麟?，?jīng)整流電路和穩(wěn)壓濾波電路的作用，輸出穩(wěn)定的直流電，較有效地將機械能轉(zhuǎn)化為電能，最后由儲能電路將產(chǎn)生的電能收集并儲存起來。該壓力發(fā)電裝置在利用壓力發(fā)電的過程中不會對環(huán)境產(chǎn)生任何污染，能夠在綠色環(huán)保的前提下達到產(chǎn)生電能的目的。

壓力發(fā)電；動生電動勢；能量轉(zhuǎn)化；節(jié)能減排

能源是人類生存與經(jīng)濟發(fā)展的物質(zhì)基礎(chǔ)[1]，但近年來，隨著經(jīng)濟持續(xù)、高速發(fā)展，人類的經(jīng)濟生產(chǎn)活動不僅消耗了大量的傳統(tǒng)化石類能源，而且產(chǎn)生了不少廢氣、廢水、廢渣等，嚴(yán)重污染生態(tài)環(huán)境和危害人類健康[2]。近年來，風(fēng)能和太陽能等可再生能源的發(fā)展速度迅猛[3]，而壓力發(fā)電作為另一種產(chǎn)生能源的方式也越來越受到人們的關(guān)注[4-6]。

1 實驗原理

如圖1所示，當(dāng)線圈和磁鐵以速度v0做相對運動時，導(dǎo)體中的自由電子也以速度v0與導(dǎo)體一起運動。根據(jù)動生電動勢原理[7-9]，自由電子會因受到洛倫茲力而做定向運動，具體為

FL=-e0×B

(1)

圖1 動生電動勢原理圖

自由電子在洛倫茲力FL的作用下繞線圈逆時針向a端運動，并在a端逐漸積累，根據(jù)電荷守恒定律，在a端積累負(fù)電荷的同時，b端逐漸積累正電荷，并在導(dǎo)體中建立靜電場。電子受到電場力的方向與洛倫茲力的方向相反，當(dāng)作用在自由電子上的電場力與洛倫茲力大小相等時，達到平衡狀態(tài)，a、b間的電壓達到穩(wěn)定值，且b端電勢高，a端電勢低。由此可見，一段導(dǎo)體ab在磁場中運動相當(dāng)于一個電源，非靜電力就是洛倫茲力。作用于單位正電荷上的非靜電力為

(2)

根據(jù)電動勢的定義，則動生電動勢為

dε=E非·dl=0×B·dl

(3)

所以，整個導(dǎo)體中產(chǎn)生的總動生電動勢為

(4)

由于洛倫茲力FL=q0×B，與帶電粒子速度0垂直，因此，洛倫茲力對帶電粒子不做功。而在上面的討論中又得到洛倫茲力是產(chǎn)生動生電動勢的非靜電力，作用于單位正電荷上的洛倫茲力所做的功即是動生電動勢。上式中的0只是電子速度的一個分量，電子除了有隨導(dǎo)體運動的速度0外，還具有相對導(dǎo)體運動的速度u，其合成速度為0+u，電子所受的總的洛倫茲力為

(5)

顯然

F0·0=0，F(xiàn)u·u=0，且F·0+u=0

(6)

于是

-Fu·0=Fv0·u

(7)

F0·0=-Fu·0=Fv0·u

(8)

式(8)說明，外力F0克服洛倫茲力的一個分量Fu所做的功通過洛倫茲力的另一個分量Fv0對自由電子做功，使自由電子作定向移動，形成電流。從而把外力做功所消耗的能量轉(zhuǎn)換成電能。總的洛倫茲力并不做功，但洛倫茲力起了傳遞和轉(zhuǎn)換能量的作用。

2 裝置結(jié)構(gòu)設(shè)計

2.1 壓力發(fā)電裝置結(jié)構(gòu)設(shè)計

圖2 壓力發(fā)電裝置結(jié)構(gòu)設(shè)計簡圖 1-踩壓板； 2-磁鐵; 3-線圈; 4-彈性材料; 5-底板; 6-集電板; a、b-兩個輸出端

壓力發(fā)電裝置由內(nèi)部的多組導(dǎo)電線圈和永久磁鐵組成，其主要功能是當(dāng)外界壓力施加到裝置上時，磁鐵壓縮彈性材料向下與線圈發(fā)生相對運動，撤銷壓力時彈性材料儲存的勢能釋放，作用于磁鐵并將其彈起，又與線圈發(fā)生相對運動，根據(jù)動生電動勢原理便可產(chǎn)生近似的正弦式交流電。然后，經(jīng)過集電板將每個線圈產(chǎn)生的電流收集起來，并向外輸出。

2．2 控制電路結(jié)構(gòu)設(shè)計

該壓力發(fā)電裝置電路設(shè)計主要由整流電路、選擇電路、儲能電路、儲能檢測等4部分構(gòu)成，如圖3所示。

圖3 壓力發(fā)電裝置控制電路圖

(1) 整流電路[10]：由4個單向?qū)щ姸O管組成，其作用是把發(fā)電裝置產(chǎn)生的正弦式交流電由2、3結(jié)點輸入后，利用二極管的單向?qū)щ娦?，實現(xiàn)對電流方向的連續(xù)選擇，再經(jīng)1、4結(jié)點輸出為直流電。

(2) 選擇電路：由雙擲開關(guān)S組成，其作用是控制裝置處于電能的直接利用模式或能量儲存功能模式。當(dāng)開關(guān)S置于S1且斷開S3時，電路處于直接利用模式。直接利用模式可以把產(chǎn)生的電能直接作用于用電器，本模型裝置的直接利用模式是檢測電路，可以檢測整套裝置電路情況和輸出電流變化的瞬時值，以確定電路是否正常以及是否產(chǎn)生了電能。當(dāng)開關(guān)S置于S1且閉合S3時，電路就會起到濾波作用，穩(wěn)定檢測電路兩端電壓；當(dāng)開關(guān)置于S2且斷開S3時，電路處于儲能模式，能夠把發(fā)電裝置產(chǎn)生的電能暫時儲存起來，以備他用。

(3) 儲能電路[11]：由多個參數(shù)相同的電容并聯(lián)組成，其作用是可以把發(fā)電裝置產(chǎn)生的電能暫時儲存起來，這部分電能可做他用。

(4) 儲能檢測：當(dāng)裝置在儲能狀態(tài)下工作一段時間后，斷開開關(guān)S1、S2，閉合開關(guān)S3，可以根據(jù)發(fā)光二極管的工作狀態(tài)來判斷儲能模塊是否儲存了電能，并依據(jù)二極管的發(fā)光程度和發(fā)光時間判斷儲存電能的多少。

3 裝置工作流程設(shè)計

該壓力發(fā)電裝置利用動生電動勢的產(chǎn)生原理，實現(xiàn)將機械能轉(zhuǎn)化為電能。整個裝置由發(fā)電模塊、中間模塊、功能模塊由3部分組成。發(fā)電模塊主要由發(fā)電裝置組成，是本套裝置的核心；中間模塊由上文的整流電路、選擇電路以及濾波電路組成，起傳輸電流穩(wěn)定電壓的作用；功能模塊由檢測電路和儲能電路組成。

具體技術(shù)路線流程如圖4所示：

圖4 裝置工作流程圖

使用時，先將選擇開關(guān)置于檢測電路，當(dāng)有壓力作用于發(fā)電裝置上時，能夠明顯地看到檢測模塊的數(shù)個發(fā)光二極管發(fā)出亮光，說明該壓力發(fā)電裝置能夠產(chǎn)生電流；再將選擇開關(guān)置于儲能電路，當(dāng)有壓力作用于裝置一段時間后，將儲能模塊的兩端連接到發(fā)光二極管上，可以明顯看到，發(fā)光二極管發(fā)出亮光，說明儲能模塊儲存了發(fā)電過程中產(chǎn)生的電能。

4 裝置測試與性能分析

4.1 工作線圈的發(fā)電能力

實驗測量結(jié)果表明(如圖5所示)，動生電壓與線圈的匝數(shù)成正比關(guān)系，動生電壓的大小隨線圈匝數(shù)的增加而增大。在測量中線圈每增加25匝，動生電壓就隨之增加0.175V。

圖5 不同線圈匝數(shù)下的動生電壓值

4.2 儲能裝置分析

搭建簡易儲能裝置，應(yīng)用電容實現(xiàn)對瞬時微小電流的儲存[11，12]，并對其進行測試分析。用10V直流電對儲能裝置進行儲能，運用示波器進行測試，儲能過程測量結(jié)果如圖6所示，從測試結(jié)果來看，儲能過程短暫，雖然儲存能力較小，但基本可以滿足本模型裝置的需求。釋能測試采用350Ω電阻作為負(fù)載，測量結(jié)果如圖7所示，在測量過程中改變負(fù)載的阻值時，釋能時間也會發(fā)生相應(yīng)的變化，阻值越大，釋放能量的時間越長。

圖6 儲能裝置儲能過程曲線圖

圖7 儲能裝置釋能過程曲線圖

4.3 壓力發(fā)電裝置的總體評估

圖8為實際操作過程中示波器顯示的壓力發(fā)電裝置工作過程電壓輸出曲線。由圖8可知，經(jīng)過連續(xù)多次施加壓力，該壓力發(fā)電裝置的發(fā)電電壓比較穩(wěn)定，且電壓的大小由施加的壓力速度的高低決定，結(jié)果表明，該壓力發(fā)電裝置單次發(fā)電的瞬時電壓平均值約為60V。

將圖8的單個波形放大，如圖9所示。

圖8 壓力發(fā)電裝置產(chǎn)生電壓波形圖

圖9 產(chǎn)生電壓波形放大圖

裝置中的彈性材料在工作過程中受到外界壓力作用，當(dāng)撤去壓力后，因為受到阻力作用，其振動過程不斷克服外界阻力做功，消耗能量，振幅就會逐漸減小，經(jīng)過一段時間，振動就會完全停止下來[13，14]。表現(xiàn)到電壓上，就是在振動過程的開始階段，也就是施加壓力階段，發(fā)電裝置釋放的電壓會相當(dāng)強，當(dāng)撤去壓力后，電壓的大小會逐漸波動減小，最終變?yōu)榱恪?/p>

5 應(yīng)用領(lǐng)域舉例

(1) 該壓力發(fā)電裝置能夠鋪設(shè)到馬路人行道上，利用行人行走踩壓就可以實現(xiàn)發(fā)電。由于該裝置厚度小、工作穩(wěn)定，因此對人們的正常行走幾乎沒有任何影響。裝置產(chǎn)生的電能能夠儲存起來，進一步應(yīng)用到馬路兩旁的用電裝置上，如路燈、小裝飾等，既減少了能源的消耗，又給城市增添了不少趣味。

(2) 該壓力發(fā)電裝置適用于歌舞廳、商場等人流量比較多的公共場所。由于這些場所客流量大，因此該裝置產(chǎn)生的電能相對較多，能夠抵充部分甚至全部的店內(nèi)用電需求。

(3) 該壓力發(fā)電裝置還可以用于家用。在家中合適位置合理鋪設(shè)該裝置，也能產(chǎn)生不小的電量。產(chǎn)生的電能儲存起來，可以用于家庭的各種用電器工作，較大程度地實現(xiàn)家庭節(jié)約用電。

6 結(jié)論

經(jīng)過對該壓力發(fā)電裝置模擬裝置測試，結(jié)果顯示其發(fā)電能力較強，發(fā)電量可觀，具有較高利用價值。且發(fā)電動力來源廣泛，通過把壓力(機械能)轉(zhuǎn)換為電能，可以達到對資源的整合利用，從而實現(xiàn)對能源的高效利用。發(fā)電過程中無污染物的產(chǎn)生，對環(huán)境友好、無破壞，節(jié)能環(huán)保。同時，該壓力發(fā)電裝置利用的是潔凈的壓力資源，可以降低人們對于煤炭、石油、天然氣等不可再生能源的依賴，能夠有效地緩解當(dāng)今社會資源短缺的問題，可以產(chǎn)生較大的社會效益、經(jīng)濟效益和生態(tài)環(huán)保效益。

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THERESEARCHONSTEPTYPEPIEZOELECTRICGENERATORDEVICE

LIUJinzhuFANGLingmengZHANGYaping

(College of Science, China University of Petroleum(East China), Qingdao Shandong 266580)

In order to realize the full use of pressure, a kind of step type piezoelectric generator was designed by using permanent magnets and conductive coils, according to the generation principle of the motional electromotive force. The theoretical analysis and experimental verification were also carried on. When being applied of pressure, the device can change the pressure of the action into sinusoidal alternating current through the internal coil. After the function of rectifying circuit and voltage stabilizing filter circuit, the device will output stable DC power, converting the mechanical energy into electrical energy more effectively. Finally, the electrical energy will be collected and stored by the storage circuit. The piezoelectric generator will not generate any pollution to the environment during the working process, and can achieve the purpose of generating electric energy under the premise of the green environmental protection.

pressure power generation; motional electromotive force; energy conversion; saving energy and reducing pollution

2016-10-25；

2016-11-15

教育部教指委高等學(xué)校教學(xué)研究項目(DWJZW201522hd;DWJZW201603hd)；山東省本科高校教學(xué)改革研究項目(2015M022)；中國石油大學(xué)(華東)教學(xué)改革項目和研究性教學(xué)改革項目(JY-B201635；YK201520)；中國石油大學(xué)(華東)大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計劃項目(201710425067)。

劉金柱,男，在讀本科生。

張亞萍，女，副教授，研究方向為物理實驗教學(xué)與研究，納米材料的合成、制備及其性能研究，材料腐蝕與檢測等,zhangyp@upc.edu.cn。

劉金柱,房靈猛,張亞萍. 踩壓式壓力發(fā)電裝置的研制[J]. 物理與工程，2017，27(6)：111-115.

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