劉 毅，黃沖沖，鄭寶柱，李 娜

中國礦業(yè)大學銀川學院，寧夏 銀川 750000

0 引言

利用道路發(fā)電的研究工作在國內外起步都較晚，但在研究人員的不懈努力下，道路發(fā)電取得了一定的成果。隨著科學技術的飛速發(fā)展，發(fā)電地磚也得到了技術改進，但是現有技術發(fā)電地板以壓電模式為主，并且處于較低水平，成本極高、發(fā)電效率低、輸出功率小，還不能進入商用階段[1]。

1 研究方法

1.1 文獻調研

2009年，坎貝爾·庫克所設計的原型地磚，受到了媒體的廣泛關注，經過技術改良和完善后，所設計的地磚長60 cm、寬45 cm，一旦有行人踩踏在地磚上，其轉換成的電能有5%將被收集起來用于點亮一個LED燈，而剩余95%的電能可用于其他用途，或者儲存在電池中。當大街上人來人往時，踩踏所產生的能量很多都將被收集起來加以利用，而這些行人可能都不知道自己正在為發(fā)電做貢獻。這種地磚還附帶防水功能，能夠在雨雪天氣和冰凍環(huán)境下使用。每一塊地磚的使用壽命約為5年[2]。

1.2 實地問卷調研

以走訪調研的形式了解發(fā)電地磚實際應用的情況和安裝方式。調查將發(fā)電地磚用于人行道、商場地面的可行性。調查數據顯示，該地磚的優(yōu)點是容易清理、不易藏污、無污染，防火、防水、防腐性能好；缺點是熱得快、涼得更快，成本高、鋪裝復雜、施工煩瑣。

發(fā)電地磚由玻璃鋼和可回收再生的材料制成。地磚的綠色表面材料為回收再生的透明塑料PVC，內部壓電元件則使用再生鋁制造，而且產生電能的過程沒有污染，經久耐用[3]，可以用于人流密集場所。

2 模型建立

2.1 結構組成

模型主要由踩踏板、套管、復位彈簧、太陽能板、蓄電池、齒輪組、支撐軸、線圈、空心圓永磁鐵、飛輪、整流器、LED燈、濾波電容組成。

2.2 軟件建模

用三維仿真軟件UG NX12.0對磁電轉換機械結構進行建模，在新建的基準坐標系YOZ平面內選擇草圖界面，繪制輪廓，約束尺寸，繪制圓弧完成草圖繪制；返回基準坐標系YOZ進行回轉拉伸等操作，在指定區(qū)域（如套管、齒輪等）進行布爾求差，然后將模型存為.x_t通用格式。

2.3 模擬性能分析

結合實際考慮，齒數增加，其直徑也隨之增加，故主動輪齒數定為45～120齒，因增速齒輪速比小于1，為使傳動效率最大，從動輪齒數固定為最小值，為8齒。

式中：l為傳動比；z2為從動輪齒數；z1為主動輪齒數。

根據式（1）計算得出傳動比繪制成折線圖，如圖1所示。從圖1可以看出，隨著齒數增加，傳動比不斷減小。根據齒輪組配齒理論可知，一對齒輪的齒數盡可能彼此沒有公約數（1除外），且兩嚙合的周期越長越好，倘若不是，將加劇磨損，從而縮短使用壽命。由此可得，主動輪齒數為79齒，從動輪為8齒，無論從尺寸還是傳動比方面看都是最優(yōu)選擇。

圖1 性能分析圖

2.4 材料性能分析

考慮到盡量不影響太陽能板吸收率，通過反射程度衡量板面材料。反射率可通過其折射率進行計算，兩者關系如下：

式中：R為反射率；n為折射率。

鋼化玻璃折射率n=1.473，通過式（2）計算可得，反射率為3.6%。PVC的反射率為4.5%。

根據式（2）計算出鋼化玻璃與PVC反射率都比較小，說明透光率大，透明性好，對太陽能板吸收率影響小。

3 硬件電路設計

3.1 設計思路

磁電轉換輸出5 V 0.12 A交流電，需AC/DC整流后與太陽能板18 V 20 W串聯(lián)，對內置充電電池進行充電儲能，四組LED發(fā)光管并于電源側，串接電源開關。因為踩踏產生電能波動較大，所以將一大一小兩個濾波電容并聯(lián)，以獲得更大的濾波頻段。大電容濾除低頻波，小電容濾除高頻波。電容值與濾除頻率的平方成反比。該電路選用 2 200 μF、100 μF。

3.2 硬件電路圖

BAT1模擬太陽能板輸出18 V直流電壓。交流發(fā)電機模擬磁電轉換機組輸出5 V交流電壓。全橋整流器交流電源正負半周變化，因二極管D1、D2、D3、D4單向導通性，在負載上便得到全波整流電壓[4]。C1、C2并聯(lián)濾波電容2 200 μF/100 μF，用來濾除交流成分，使輸出直流更平滑，提高濾波電容的工作效果。D6、D7模擬負載，D6為LED并聯(lián)燈組，由主電路直接控制，當兩個電源只要有一個工作就會通過LED顯示，可以作為檢測電路好壞的指標之一。D7模擬負載如路燈、廣告牌等直流用電設備。B1模擬蓄電池組，通過主電路完成充電任務，當合閘后為D7供電。接地、R1、D5都起保護作用。整體電路結構如圖2所示。

圖2 硬件電路圖

4 實物搭建

4.1 預期效果

通過總發(fā)電量衡量發(fā)電地磚的實用性。其計算式為

式中：W為發(fā)電量；t為發(fā)電時間；U為總電壓；I為總電流；cosφ為功率因數。

通過式（3）可得，每塊地磚總裝機發(fā)電量約為每天1.12 kW·h，對200 W路燈可持續(xù)供電5 h，對廣告牌1 000顆LED燈可持續(xù)供電10 h。

4.2 裝配順序

裝配順序如下：距上頂板安裝內套筒1，距下底板安裝外套筒2，套筒空心處安裝復位彈簧。安裝三組夾角120°的磁電轉換機組架，上頂板面覆蓋太陽能板并用塑料透明PVC防滑墊結合鋼化玻璃保護。

4.3 功能流程

地磚功能流程如圖3所示。太陽能、動能作為雙能源輸入，其動能經磁電轉換裝置轉換為交流電，再通過全橋整流器整流為直流電。直流電經過濾波電路去除諧波等干擾因素，為蓄電池充電和LED檢測氛圍燈直接輸出。蓄電池作為直流用電設備供電，用電設備若在地磚周圍發(fā)出可見光可直接被太陽能板再次吸收循環(huán)利用，從而實現動能→電能→可見光→電能的雙能源循環(huán)。

圖3 地磚功能流程圖

5 結論與展望

文章所設計的發(fā)電地磚以雙能源循環(huán)系統(tǒng)為基礎，采用太陽能與磁電轉換雙能源發(fā)電方式，實現每塊地磚總裝機發(fā)電量約為每天1.12 kW·h，對1 000顆LED廣告牌持續(xù)供電10 h，可安裝于人行道、辦公樓等人流密集場所。對于并網的實際要求，系統(tǒng)是否需要更新以及現有技術是否能夠滿足要求，都有待于進一步的研究，更先進的能源轉換系統(tǒng)以及更完美的傳動效率比也有待進一步探索。