基于人體踏走的壓電發電裝置設計與分析

周浩+許有熊+陳佩嘉

摘要：指出了利用人體踏走的動能進行壓電發電，符合當前節能環保的要求，并具有較高的經濟效益。分析了壓電陶瓷發電機理，設計了一種利用軌道交通等頻繁人體踏走的壓電發電裝置及其能量存儲電路，并進行了相關的理論分析。該裝置可放置在軌道交通車輛和車站，如地鐵、輕軌，和商場等具有大流量的場合門口，將頻繁人體踏走的動能進行壓電發電，以供用電負載使用或存儲，以達發電節能的效果。

關鍵詞：壓電；人體踏走；發電裝置

中圖分類號：TM619

文獻標識碼：A 文章編號：1674-9944（2017）6-0161-03

1 引言

隨著常規能源的日趨緊張和人們環保意識的日趨增強，節能環保問題日益突出，清潔環保無污染能源的開發與利用倍受世界各國的關注和重視，新綠色能源的研究已成為當務之急。

壓電材料在外力的作用下表面產生電荷的現象，稱為正壓電效應[1]。壓電發電利用此原理將振動的機械能轉變為電能。其優點主要集中在體積小，結構簡單，便于實現及小型集成化以及無電磁干擾等方面。符合當前環保節能，可持續發展的要求，正越來越受到各國研究人員的關注[2，3]。另外，壓電發電可方便與微機電系統（MEMS）結合，為其提供能源，也成為MEMS研究領域的熱點之一。目前，歐美、日本和韓國等許多國家與地區已經對與壓電發電相關的技術展開了深入的研究，并且取得了一定的成果，而國內的壓電發電技術尚處于起步的階段。目前，壓電發電技術主要有以下幾個方面。

1.1 利用車輛或路面振動進行壓電發電

將壓電發電裝置放入如汽車等減震系統或車輛懸掛系統中，利用正壓電效應將震動能量轉變為電能，并加于存儲和利用。或者，將壓電發電裝置作為路面的組成部分或安置于路面內，利用汽車在路面上行駛時產生的振動來發電，所產生的電能經電路調整后可作為道路燈具等使用，或經儲能裝置加以存儲和利用。以色列于2009開放了世界上第一條可發電的公路[4]。

1.2 利用自然環境能量進行壓電發電

利用自然環境能源如海浪（流）能、風能等進行壓電發電。位于美國新澤西州的普林斯頓海洋動力技術公司研制了一種壓電聚合物，并將其放置在海洋中，利用海浪（流）產生的壓力和應力進行壓電發電。美國德克薩斯大學Priya S發明了一種袖珍壓電風車裝置，將風能轉換為電能，為無線網絡供電[5]。

1.3 利用人體動能進行壓電發電

1998，美國麻省理工大學發明了一種足底壓電發電鞋，它的原理是把壓電發電裝置放入鞋底內部，利用人行走時腳對鞋底的壓力，使壓電材料變形從而產生電荷。2010上海世博會，日本館展示了壓電發電地板，行人從上面踩過，該地板可進行發電。2011年，中國科學院上海硅酸鹽研究所研發了類似的國內首塊壓電發電地板，將人們日常行走運動的部分能量轉換為電能[6]。

利用人體動能進行發電的壓電地板，符合當前節能環保的要求，并具有很高的經濟效益，是目前的研究熱點。本論文主要研究一種基于人體踏走的新型壓電發電裝置，該裝置可放置在軌道交通如地鐵、輕軌和商場等具有頻繁人行流量的場合門口，將頻繁人體踏走的動能進行壓電發電，以存儲或供用電負載使用，具有發電節能的效果。

2 總體結構設計

2.1 壓電陶瓷發電特性分析

根據壓電方程，可得單壓電晶體片在d33模式下，其產生的電荷和兩端的電壓為：

為了提高壓電陶瓷的輸出電壓（或電荷），將多個壓電晶體片在物理上串聯連接，電學上串聯或并聯連接，如圖1所示。

從上述式（3）～（6）可以看出，兩種連接方式的總電能是一樣的。對于串聯連接來說，輸出的電荷量大；對于并聯連接來說，輸出的電壓大。為了提高本壓電發電的輸出電壓，本研究采用并聯連接的壓電疊堆。

2.2 總體結構設計

從上述的分析可以看出，壓電陶瓷發電的電壓或電荷與作用力F、晶體片數n成正比，因此，為了提高壓電發電性能，采用多片串聯而成的壓電疊堆。另一方面，人體行走時對壓電疊堆的作用力小且緩慢變化，若此作用力直接作用于壓電疊堆，其發電量小，達不到實用的目標。因此，需要將此作用力進行放大以實現對壓電疊堆的快速沖擊，提高發電量。基于上述考慮并結合壓電疊堆的結構特點，設計了如圖2所示的基于人體踏走的壓電發電裝置。其中，壓電疊堆1通過粘接固定在底板8上，杠桿架2通過螺釘連接固定在底板8上。

其工作原理為：踏塊5在人體踏走的作用下，向下運動并壓縮支撐彈簧7，杠桿3短臂向上運動并壓縮預緊彈簧4；當人體踏走后，在預緊彈簧4和支撐彈簧7的作用下，杠桿3短臂迅速向下運動并敲擊壓電疊堆1，壓電疊堆1在外力沖擊下產生電能。在頻繁人體踏走的作用下，上述的壓電發電單元不斷重復上述的發電過程，源源不斷地進行發電。

限于結構尺寸，不可能選用大長度的壓電疊堆和采用大放大比的杠桿，故單個壓電發電單元的發電量是有限，其應用場合有限。因此，采用多個壓電發電單元按照串聯或并聯的方式進行連接，制成類似地磚的結構型式，如圖3所示。該裝置可放置在具有頻繁人體踏走的場合門口如地鐵、輕軌和商場等，將人體踏走的部分動能進行壓電發電。與壓電鞋等相比，本裝置還具有發電集中，發電量大等特點。

3 發電儲能裝置設計

利用人體踏走的壓電發電所產生的是低交流電壓，且是隨機不規則變化的，因此該電能不能直接應用于用戶負載，需要經整流儲存后，才能適合外部電子設備等用戶負載使用。另外，由于壓電疊堆在電路上等效于電容，因此當人體踏走的作用力消失后，壓電疊堆產生的電壓隨即消失（放電），因此需要對所產生的電荷進行儲存。綜上，為了有效利用該發電量，需要設計相關電路以實現對壓電發電裝置產生的電能進行能量轉換和存儲。

3.1 電容儲存

壓電發電的電容儲存電路如圖4所示，壓電發電裝置所產生的電量經整流電路后儲存于電容。之所以采用全波整流電路，這是由于其能充分利用交變電的正、負兩個半波，能大大減小輸出電壓的脈動度，有效提高整流效率。另外利用儲能元件電容兩端的電壓不能突變的特性，儲能電容還具有濾波的作用，能濾掉整流電路輸出電壓中的脈動成分，達到穩壓目的。

3.2 電池存儲

由于普通電容容量有限，容易達到飽和電壓。又因為放電速度較快，所以普通電解電容只能作為一種短期的儲能元件提供瞬時的較大功率輸出。而電池能儲存的電荷遠大于電容，電荷保持能力也更勝一籌，所以廣泛應用在各種能量收集系統中。如圖5所示，電池儲能電路將來自壓電發電裝置的電量，經全橋整流電路和電容，儲存到一個鎳氫紐扣電池中。

4 結語

本文利用人體踏走的動能進行壓電發電，設計出了一種壓電發電裝置，并進行了相關的理論分析與設計。該裝置中運用了杠桿放大將人體緩慢踏走的作用力進行放大以實現對壓電疊堆的快速沖擊，從而提高發電量。該裝置所產生的電能經整流電路后儲存于電容或電池以供用電負載使用。該裝置可放置在軌道交通車輛和車站，如地鐵、輕軌，和商場等具有大流量的場合門口，將頻繁人體踏走的動能進行壓電發電，具有發電節能的效果，符合當前節能環保的要求。

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