基于壓力發電的照明裝置研究

楊亮 楊一帆 錢成龍 徐坤 鄧凱博 董帥強

摘?要：本文提出了一種基于壓力發電的照明裝置，它使用壓電陶瓷材料將人們行走時產生的機械能轉化為電能，通過分析壓電陶瓷材料的發電原理，總體電路的設計，電能的儲備以及使用規劃，可知該裝置適合應用于人流較密集的場合，如地鐵、火車站和商場等，從而能夠在很大程度上減少對電量的消耗，符合當今社會節能環保的要求，并有較高的可行性和經濟效益。

關鍵詞：壓力陶瓷;壓力發電;照明系統;STM32單片機

隨著傳統能源的不斷減少，新類型能源的開發和使用已成為當今社會迫切需要解決的問題，然而在現實生活中，真正利用壓力能技術的場合并不多[1]。因此，本文主要對人流腳步踩踏產生的壓力能量的收集和照明使用展開研究。本裝置的開發主要應用于大人流量場所的照明系統。該裝置的設計思想來源于壓電陶瓷材料發電裝置。

一、研究內容及原理

壓電陶瓷是一類具有壓電特性的材料。該種材料在壓力的作用下其表面會產生帶電離子，這一現象稱為正壓電效應[2-3]。當人們行走時會對壓電材料產生壓力，通過將壓電陶瓷材料并聯或串聯組成一個發電電路，該電路將這種機械能轉換為電能[4-5]。本文所設計的裝置就是利用此原理將壓力能轉化為電能，通過一個蓄電池進行儲能，其電能使用規劃以及電路的控制則以STM32單片機為核心，配合相應的電源穩壓器、光敏電阻，以及A/D、D/A轉換模塊來實現。人們行走為本裝置提供能源并被儲存起來，當光線充足時，由于受到光敏電阻的控制，蓄電池不會為電燈供電。當光線暗淡并有人踩踏時，壓電陶瓷材料會產生一個電壓，STM32單片機通過A/D轉換模塊檢測到該信號，從而控制蓄電池為電燈供電。本裝置的總體結構圖如下：

二、實驗材料及裝置

（一）壓力發電部分的系統設計

壓力發電部分大體上可分為兩個部分——壓電材料的發電以及電能的處理和儲存。其中壓力材料發電部分需要考慮的問題是：能否產生足夠大的可驅動后續控制以及照明部分的電能;電能的處理和儲存部分要考慮的問題是：壓電材料所產生的電能是否穩定，能否為蓄能裝置充電等問題。基于上述問題，故發電總體結構如圖2所示：

（二）電能的產生

本裝置的發電部分由壓電陶瓷組成，壓電陶瓷由金屬片和壓電片構成。壓電片放置在金屬片的表層上，人們行走時的壓力使壓電振子變形，由于壓電陶瓷的壓電效應，會在板的上下表面產生電量相同極性相反的電荷，從而產生電壓。經過實驗后得出如下結論：當壓電陶瓷多片并聯后，其兩頭產生的電壓會多倍增加。由于單片壓電陶瓷產生的電能不足以供給控制和照明部分所需，故本系統采用了多片壓電陶瓷并聯的方式來增加壓電陶瓷產生的總電能。

（三）能量采集及存儲

本系統的電能存儲電路是以充電電池為存儲媒介的電路，其作用是將壓電陶瓷的壓電振子產生的電能儲存在鎳氫電池中。發電裝置由多片壓電陶瓷并聯組成，可以產生足夠大的電能供后續使用。因為人走動過程中用力的隨機性，導致壓電陶瓷受到的壓力大小不同，所以壓電陶瓷輸出的電壓會不穩定因而會產生交流電。所以本系統使用全橋校正器對不穩定的交流電進行整流，之后經過儲存電容元件，將電壓穩定下來，從而能夠儲存到可充電的鎳氫電池中，該電池中的電能也能夠被后續部分使用。該部分電路如圖3所示：

（四）照明系統控制設計

照明裝置部分主要由單片機，A/D轉換模塊，光敏電阻，電壓穩壓器，電磁繼電器來控制照明器件的工作。單片機我們采用STM32F103C8T6核心板，STM32F103C8T6是一款基于ARM公司Cortex-M內核的微控制器，程序存儲器的容量大小為64KB，其輸入電壓為2V-3.5V，可以在溫度為-40℃～80℃之間的環境中工作，內部含有12位轉換精度的A/D轉換模塊。除此之外，STM32F103C8T6造價比較低廉，擁有比同價位80C51系列的單片機更多的功能，可以滿足照明控制的需求。

整個系統的供電都是由微型電池來完成。蓄電池的輸出電壓與電源穩壓器連接后，可以得到不同的電壓供給STM32F103C8T6單片機和電磁繼電器的輸出回路，電磁繼電器的輸出回路與照明器件連接。之后把STM32F103C8T6其中一個IO口設置為輸出模式，將該IO口所對應的引腳與電源穩壓器連接后，接到電磁繼電器的輸入回路作為電源，這樣，通過單片機程序設置該引腳的電平就可以控制電磁繼電器輸出回路通斷，從而控制照明器件的工作狀態。

照明器件是否工作主要取決于外界環境。通過A/D轉換模塊，單片機可以檢測壓力發電裝置是否在發電，同樣可以檢測光敏電阻的阻值。當檢值測到壓力發電裝置有電壓產生，且光敏電阻阻值較小時，說明此時光線暗淡且有人通過，此時單片機控制電磁繼電器輸出回路接通，使照明器件工作。

三、實驗結果分析與討論

經過設計與測試，本實驗系統最終完成了將人體踏走的動能利用起來進行壓力發電的目的，實現了壓電供給照明的功能。通過在樓道內放置壓電陶瓷材料，將人們行走所產生的壓力能，轉化為電能并儲存起來，供照明系統使用。當夜晚或樓道內光線不好時，光敏電阻阻值改變，此時，當有人經過，并踩踏壓電材料，系統將檢測到電信號并打開照明裝置;當人完全經過樓道，系統檢測不到電信號時，經一段時間的延時后，照明系統關閉。當白天光線較好時，本系統只進行能量的轉換和儲存，無論是否有人經過，均不啟動照明。與傳統照明設備相比，該裝置具有以下特點和創新之處：

（1）壓電陶瓷具有十分敏感的特性，可以將極其輕微的振動轉換成電信號，能有效地將壓力轉化為所需的電能，提高能量利用率。除此之外，此類裝置還具有節能環保、不易發熱的特點，可以避免電磁干擾，易于實現集成化，適用范圍較為廣泛。

（2）本系統采用壓電陶瓷發電技術，能夠將人行走時所產生不可利用的機械能，通過相關技術轉化為廣泛使用的電能，具有低污染、低能耗、高效能的優點。裝置連接儲能和整流供電電路，踩踏產生的電能既可以用于直接供電，又可以儲存起來作為備用能源，而且裝置簡單，極易安裝，成本較低。

（3）相較于其他新型能源技術，壓電陶瓷具有能源轉換率更高的優點。據有關資料顯示，壓電陶瓷的能量轉化效率在90%以上，而其它新能源技術的能量轉化率基本都在50%以下。由于主要依靠人體踩踏產生能量，該技術在人口眾多的中國具有很大的發展前景。

（4）該裝置可移植性高，可以直接接入原有的照明裝置系統中作為輔助功能，可解決部分道路周邊的用電需求。在道路的兩邊一般會有引導和照明設施，壓力發電裝置產生的電量可以為這些設施提供電能，尤其是在供電不利的情況下，壓力發電裝置能夠發揮很大作用。

四、結論

通過以上測試與分析，本文提出的壓力發電照明裝置基本可滿足人們的使用需要，在人流量較大場所，產生的能源總量是非常可觀的。本系統的產能不僅可以供給照明裝置的使用，而且可以給所在區域傳送電能，實現對能源的高效利用，節省對傳統發電所產生的電能的使用量，減少碳排放量，更加環保。但是由于壓電陶瓷材料比較脆弱。在使用過程中必須增設保護措施，以延長材料壽命。目前國內相關技術應用較少，此方面研究意義長遠。

參考文獻：

[1]閆強，王安建，王高尚.我國新能源產業發展戰略研究[J].商業時代，2009（26）：105-107.

[2]齊洪東，楊濤，岳高銘，等.微型壓電陶瓷振動發電技術研究綜述.傳感器與微系統，2007（5）：1-4.

[3]曾平，佟剛，程光明，等.壓電發電能量儲存方法的初步研究.壓電與聲光，2008（4）：230-233.

[4]王軍龍.基于壓電材料的振動發電裝置的研究[D].江蘇大學.

[5]林玲，劉輝.壓電發電技術研究應用[J].硅谷，2008（14）：120.

基金項目：河南科技大學大學生研究訓練計劃（SRTP）項目資助（2019104）