康荻通， 高星敏， 鄭婷一

（山西能源學(xué)院， 山西 晉中 030600）

引言

傳統(tǒng)能源是不可再生的一次能源，我國(guó)不僅是能源利用大國(guó)，而且是開(kāi)采大國(guó)，因此，能源的可持續(xù)發(fā)展已然成為社會(huì)關(guān)注的焦點(diǎn)問(wèn)題。我國(guó)新能源的開(kāi)發(fā)主要包括太陽(yáng)能、熱能和機(jī)械能等。太陽(yáng)能的能流密度低，受自然隨機(jī)因素影響較大，且產(chǎn)電的效率較低，成本高。熱能屬于可再生比較慢的一種資源，受地域限制，屬于小眾新能源。機(jī)械能在我國(guó)絕大部分應(yīng)用于風(fēng)力與水力發(fā)電，而這兩種發(fā)電也受地域影響大，且開(kāi)發(fā)成本高。在我們生活中，利用壓力發(fā)電的系統(tǒng)并不多。本文介紹的系統(tǒng)對(duì)人跑步時(shí)產(chǎn)生的壓力進(jìn)行收集并與浮力擺相結(jié)合，使機(jī)械能最大化轉(zhuǎn)化為電能。

1 總體設(shè)計(jì)思路

在傳統(tǒng)跑道的基礎(chǔ)上加入發(fā)電裝置，發(fā)電裝置由浮力擺帶動(dòng)液壓馬達(dá)發(fā)電與壓電陶瓷發(fā)電，加入運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)記錄采集系統(tǒng)，激勵(lì)人們跑步。

1）采用壓電陶瓷發(fā)電。壓電陶瓷在壓力的作用下，其表面會(huì)影響產(chǎn)生一個(gè)帶電金屬離子，這種方法被稱為壓電效應(yīng)。人在行走時(shí)會(huì)對(duì)壓電材料產(chǎn)生壓力，從而將人行走時(shí)的機(jī)械能轉(zhuǎn)換為電能。壓電陶瓷是一類具有壓電特性的材料，地板樣式選擇三角形，三個(gè)支點(diǎn)都安裝了均為3 cm×5 cm 規(guī)格的壓電陶瓷片作為發(fā)電裝置[1-2]，如圖1 所示，使得壓電片的受力更加均衡，便于每塊地板之間的拼接，發(fā)電效率更高。

2）浮力擺帶動(dòng)液壓馬達(dá)發(fā)電系統(tǒng)通過(guò)浮力擺將捕獲的波浪能以機(jī)械能的形式作用到液壓缸上，液壓缸通過(guò)液壓回路以液壓能的形式傳遞至變量馬達(dá)，變量馬達(dá)帶動(dòng)永磁同步發(fā)電機(jī)發(fā)電，永磁同步發(fā)電機(jī)發(fā)出交流電輸出至蓄電池及負(fù)載。浮力擺帶動(dòng)液壓馬達(dá)發(fā)電時(shí)所需要的波浪由跑道下的彈簧系統(tǒng)連接杠桿產(chǎn)生，如圖2 所示。

2 各單元設(shè)計(jì)思路

2.1 壓電陶瓷發(fā)電單元

通過(guò)對(duì)壓電材料的綜合分析與考量，選擇無(wú)機(jī)壓電材料中的壓電陶瓷（鋯鈦酸鉛PZT）具有以下優(yōu)點(diǎn)：高機(jī)電耦合系數(shù)和高壓電應(yīng)變常數(shù)、大電阻率、時(shí)間和溫度穩(wěn)定性強(qiáng)、耐酸性強(qiáng)。鋯鈦酸鉛材質(zhì)能做出形態(tài)各異的結(jié)構(gòu)，適用性強(qiáng)。

如下頁(yè)圖4 所示，壓電陶瓷并聯(lián)工作增加了總電容量，時(shí)間常數(shù)可以增加，輸出信號(hào)電荷信息量大，適用于在收集電荷的地方。當(dāng)壓電陶瓷用于發(fā)電時(shí)，主要問(wèn)題是如何提高其負(fù)載能力，即如何提高輸出電流。

不同的人在跑步過(guò)程中對(duì)跑道的壓力不同，導(dǎo)致壓電陶瓷的受力不同，因此，壓電陶瓷輸出的電壓會(huì)不穩(wěn)定，產(chǎn)生的是交流電。使用全橋校正器對(duì)不穩(wěn)定的交流電進(jìn)行整流后，儲(chǔ)存在超級(jí)電容，將電壓穩(wěn)定下來(lái)，再儲(chǔ)存到可充電的鎳氫電池中，該電池中的電能也能夠被后續(xù)使用。該部分電路如圖5 所示。

壓電陶瓷的堆疊和平坦鋪設(shè)是一種常見(jiàn)的鋪設(shè)方案，但由于需要很大的外力來(lái)作用，所以跑道情況下不宜使用。雖然平鋪并聯(lián)連接模式可以在小壓力情況下使用，但其低發(fā)電密度限制了其大面積使用。水平間隔堆疊式與發(fā)電密度較高相比，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)略為復(fù)雜，且適用于壓力較小的情況，最適合跑道發(fā)電的水平間隔堆疊并聯(lián)方式。具體見(jiàn)圖6、圖7。

2.2 浮力擺帶動(dòng)液壓馬達(dá)發(fā)電單元

通過(guò)人踩踏跑道使彈簧壓縮，彈簧帶動(dòng)杠桿，通過(guò)杠桿使跑道下水槽內(nèi)的水產(chǎn)生波浪，進(jìn)而帶動(dòng)浮力擺驅(qū)動(dòng)液壓馬達(dá)，帶動(dòng)發(fā)電機(jī)發(fā)電。如圖8 所示，該系統(tǒng)通過(guò)浮力擺將捕獲的波浪能以機(jī)械能的形式作用到液壓缸上，液壓缸通過(guò)液壓回路以液壓能的形式傳遞至液壓馬達(dá)，液壓馬達(dá)帶動(dòng)永磁同步發(fā)電機(jī)發(fā)電，永磁同步發(fā)電機(jī)發(fā)出交流電輸出至蓄電池及負(fù)載。該系統(tǒng)通過(guò)變量馬達(dá)排量控制調(diào)節(jié)發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速，提高發(fā)電機(jī)效率，使電壓頻率恒定。利用蓄能器吸收由于外力波動(dòng)造成的液壓回路液壓能的波動(dòng)，穩(wěn)定輸出至變量馬達(dá)的電壓，能滿足用戶負(fù)載及蓄電池對(duì)輸出電壓的要求。

由浮力擺捕獲波浪能推動(dòng)液壓缸，將液壓油通過(guò)軟管輸出，然后經(jīng)蓄能器輸出到液壓馬達(dá)，液壓馬達(dá)在液壓油的帶動(dòng)下驅(qū)動(dòng)發(fā)電機(jī)。液壓馬達(dá)入口連接主回路，出口連接輔助回路，兩回路均有蓄能器液壓系統(tǒng)，包含2 個(gè)回路：一是閉式主回路，通過(guò)液壓缸傳遞能量。二是補(bǔ)油回路。主油路中液壓馬達(dá)的吸入流量可以直接由液壓缸無(wú)桿腔供給，改變液壓缸的運(yùn)動(dòng)發(fā)展方向，不會(huì)發(fā)生改變液壓馬達(dá)油輸入、數(shù)據(jù)輸出的設(shè)計(jì)方向。當(dāng)浮力擺動(dòng)換向系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)時(shí)，液壓缸的一側(cè)無(wú)桿腔逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)榈蛪何雮?cè)，無(wú)桿腔由有桿腔吸油而實(shí)現(xiàn)卸壓，液壓缸吸油量不斷增加，從而實(shí)現(xiàn)自動(dòng)卸壓，通過(guò)平穩(wěn)換向使液壓缸運(yùn)動(dòng)。同時(shí)，供油裝置補(bǔ)充閉合主回路的漏油，如圖9 所示。

2.3 電能的控制及使用單元

如圖10 所示，能源跑道采用STM32 單片機(jī)作為主控板，主控板負(fù)責(zé)控制壓電陶瓷模塊與液壓馬達(dá)模塊。經(jīng)過(guò)壓電陶瓷地板中的電壓監(jiān)測(cè)裝置的反饋，以及液壓馬達(dá)發(fā)電監(jiān)測(cè)模塊的反饋，主控板控制蓄電池A和蓄電池B分別進(jìn)行充放電。使用前須提前將蓄電池A充滿電，通過(guò)STM32 系統(tǒng)定時(shí)器設(shè)定需要用電處的能源控制，如果發(fā)生用電指令，則蓄電池A 優(yōu)先進(jìn)行供電，能源跑道發(fā)電系統(tǒng)給蓄電池B 充電。蓄電池A 中電能耗盡時(shí)，系統(tǒng)切換為蓄電池B 供電，蓄電池A 充電。能源跑道利用的發(fā)電原理是壓電效應(yīng)以及浮力擺帶動(dòng)液壓馬達(dá)發(fā)電，在發(fā)電裝置與蓄電池之間放置一個(gè)超級(jí)電容，壓電陶瓷片形變以及液壓馬達(dá)產(chǎn)生的電能通過(guò)超級(jí)電容平抑電壓波動(dòng)，再將電能儲(chǔ)存進(jìn)蓄電池[3]。

2.4 彈簧系統(tǒng)的一舉兩得

彈簧為浮力擺帶動(dòng)液壓馬達(dá)發(fā)電提供基本的動(dòng)力。選擇不同的彈簧，不僅有利于更好地發(fā)電，而且考慮到了人們的舒適度，人們可以根據(jù)彈簧不同的彈性系數(shù)，選擇不同的跑道。

3 能源跑道創(chuàng)新點(diǎn)

1）“四兩撥千斤”。利用杠桿原理，將人在跑步時(shí)對(duì)跑道的小壓力轉(zhuǎn)化為產(chǎn)生波浪的大動(dòng)力。杠桿一端接收人對(duì)跑道的壓力（跑道下安有彈簧，壓力體現(xiàn)在彈簧的形變），另一端連接水槽制造波浪，通過(guò)浮力擺選擇符合自己舒適度的跑道。

2）波浪能以機(jī)械能的形式傳遞至液壓馬達(dá)，液壓馬達(dá)進(jìn)而帶動(dòng)發(fā)電機(jī)產(chǎn)生電能。跑道將根據(jù)不同的彈簧分為幾個(gè)重量級(jí)的道，跑步者可根據(jù)自己的舒適度選擇跑道。

3）“不積小流，無(wú)以成江?！薄２捎脡弘娞沾善M(jìn)行踩踏發(fā)電，壓電材料陶瓷在多片并聯(lián)的情況下，其兩端發(fā)展所產(chǎn)生的電壓將以倍數(shù)的幅度遞增。由于單個(gè)壓電陶瓷發(fā)展產(chǎn)生的電能不足以供應(yīng)管理控制和照明設(shè)計(jì)部分，因此信息系統(tǒng)可以采用多個(gè)壓電陶瓷并聯(lián)連接，以增加壓電陶瓷產(chǎn)生的總電能。

4）每一條跑道下安裝的彈簧彈性系數(shù)不同，安裝彈簧主要是為了帶動(dòng)杠桿產(chǎn)生波浪帶動(dòng)浮力擺進(jìn)而發(fā)電，人們可以選擇適合自己跑步舒適度的跑道。

4 應(yīng)用前景

目前市面上的跑道大多數(shù)是傳統(tǒng)跑道，傳統(tǒng)跑道不僅舒適度欠缺，而且不能采集人們跑步時(shí)的機(jī)械能，此能源跑道不僅考慮到運(yùn)動(dòng)者的舒適度，而且最大化地利用了運(yùn)動(dòng)中流失的能量，將這些能量轉(zhuǎn)換為電能，積少成多，造福人類。相信在不久的將來(lái)，能源跑道將占領(lǐng)大多數(shù)跑道市場(chǎng)。