一种新型组合式踩踏压电发电系统*

□ 王亚男 □ 杨 琨 □ 张 琦 □ 李延伟

武汉理工大学 能源与动力工程学院 武汉 430063

荷兰的 ThadStarner 等人［1、2］利用压电陶瓷收集的运动能量来驱动笔记本电脑，开辟了压电发电与能量储存这一新的研究领域。用压电陶瓷制成的发电装置具有无污染、体积小、结构简单、成本低的优点。但由于压电发电产生的是高电压、低电流，并且在单位空间内压电陶瓷产生的电荷量是有限的，故无法为电量需求较高的电路充电。因此，提高有效空间内的压电发电量并将其储存起来进行利用成为亟待解决的问题［3，9］。目前对于此问题的解决方案主要是从材料和振子的分布方面来研究，如近年来出现的新型压电材料PVDF、压电光纤［4］，较之前的压电陶瓷具有更好的柔韧性和更高的压电转化效率；采用并联式的叠堆方式能使输出电流增大，采用串联的方式可使电压增大。

人的踩踏可以产生较大的冲击力，同时也具有分布密度大的特点，所以收集踩踏力产生的势能将其转换成电能具有较大的收益。本系统利用新型的压电材料，从压电发电装置的设计和压电发电装置产生电量的存储两方面入手，设计了一种应用于人流密度较大场所的组合式踩踏压电发电系统，并尝试利用其对充电要求为3．7V、500mA的锂电池充电。

1 工作原理及组成结构

笔者设计的组合式压电发电装置，是将踩踏时产生的冲击力作用于压电部分，推进压电部分进行往复工作。为提高有效空间内压电部分的发电能力，采用了基于拉密定理的机械传力振子，从而使作用在压电片上的力更大，提高了压电部分的发电效率。同时，应用了磁电发电，进一步提高了剩余空间的发电利用率。

组合式压电发电系统由压电发电部分、磁电发电部分以及调节充电电路组成。

1．1 压电发电部分

影响压电发电电量的主要外部因素是压电陶瓷所受挤压力的大小，传统的振子设计方案有悬臂梁式［5］、直压式［6］、扭矩振子式［7］、钹型片式［8］等。 为提高压电发电效率，笔者采用了与之前不同的楔形振子传力的方式，具体结构如图1所示。

▲图1 压电部分传力结构图

踩踏力沿A方向作用在中心的机械振子上，通过楔形垫片将力分解到B方向上。其中，中心的机械振子采用了上半部为圆柱体、下半部为圆弧形的结构，其目的是减少与P面的接触面积，降低摩擦力，也避免了中心机械振子与楔形垫片过早接触而引起上端应力集中的问题。同时，通过理论计算和实验得出，当对应六组压电叠堆、楔形垫片的角度选在9～10°之间、受力点处于距P面下端2/5处时，压电片上所受的力（B方向的力）与踩踏力（A方向的力）近似相等且分布均匀。位于机械振子深孔内的弹簧，其作用是为机械振子的复位提供回复力，从而使机械振子在踩踏力的作用下可以形成往复运动。位于最下端的托盘，其目的是，一方面利用其上端的小凸台，固定弹簧避免其错位，另一方面利用其与导轨的高度差来抵住楔形垫片，避免其在A方向的力施加下来时，产生下端翘起的现象，以固定楔形垫片。中心的机械振子通过其上端的螺栓孔与上壳相连，方便装拆。选择托盘厚度时，应考虑到导轨的厚度，因为楔形垫片与压电片是放在同一导轨上的。在实际安装时，应该在P面上涂抹润滑脂，以减小机械振子工作过程中与P面的摩擦力，使振子工作更流畅。

▲图2 力放大原理图

图2所示是力放大原理图，其中分解后的力与未分解的力在采用楔形垫片传力后，其大小是近似相等的，但两者所对应的受力面积不同，作用在单位面积上的力也不同。在给定空间（φ120mm×21．5mm的圆柱体）内，对一定数量的压电片作用时，采用此传力结构，可以使水平放置的压电片极化面上单位面积的受力，相比没有中心机械振子而直接压在竖直放置的压电片极化面上，单位面积的受力提高了3．2倍。

1．2 磁电发电部分

磁电发电部分主要是针对发电装置内的剩余空间所设计的，它应用了切割磁感线的原理。当压电部分的中心机械振子运动时，带动上壳内壁上的线圈切割磁感线，从而产生电能，其结构如图3所示。

此磁电发电部分在给定空间为 φ120mm×21．5 mm、φ0．11mm×240 匝漆包线的条件下工作时，可以产生5．28V、0．138A的电能输出。磁电发电占总发电量的24%左右，压电发电占总发电量的76%左右。

2 调节充电电路

▲图3 磁电部分结构图

压电部分与磁电部分产生的电流均具有瞬时性和不稳定性，并且压电部分产生的是高电压、低电流的电能，磁电部分产生的是低电压、高电流的电能。为将其整合后统一稳定输出，本系统采用的方法是，先将压电部分、磁电部分分别调节至稳定后，然后存入同一超级电容内，再统一输出。

在压电部分，先通过降压增流电路调到充电电路的输入范围内，再进行具体调节，充电电路板的电路图如图4所示。

该电路具有过充电压保护和过放电压保护，同时也具有充电饱和指示等功能。对于磁电部分，单独使用一个简单的调节模块，将电能调至稳定后，再与压电部分产生的电流导入同一电容中。选用的超级电容的容量较大，可以起到瞬时储存电能的作用，同时减少不连续充电时对实际充电电池造成的损害。

3 实物展示

▲图4 压电部分充电电路图

图5 组合式踩踏压电发电装置实物图

组合式踩踏压电发电装置的实物外型如图5所示，其工作过程为：踩压装置时，上壳带动中心机械振子对四周的压电叠堆进行周期性挤压，产生电能；同时，上壳下降时带动壳内壁的线圈向下运动切割磁感线，也产生电能。通过调节充电电路，将这两部分电能调至稳压后存储在同一超级电容中。本装置占用空间小，结构简单，完全密封，单位空间发电量高，可靠性好，而且只需要体重为60kg的人将其踩下 5～7．5 mm （此范围在人体感觉到下陷的范围内），便能使装置内部的6组压电叠堆产生最大为158V的电压，磁电部分也同时正常工作。通过充电电路将产生的电能调至稳定后，存入超级电容中，然后为3．7V、500mA的设备充电。

4 实验结果与分析

影响压电部分发电量的主要外界因素是压电片上的受力大小、均匀分布程度以及激励力的频率等，图6所示的是在15kg冲击力的作用下得到的发电情况。

▲图6 压电部分发电电压信号图

▲图7 磁电部分发电电压波形

从图6中可以看出，对压电部分的传力振子在某一时刻施加力的时候，压电片受力变形，产生一个峰值电压；压电振子不再变形时，电压减小到零；撤去载荷时，压电振子恢复变形，产生反向的峰值电压；变形完全恢复时，峰值电压又减小到零；所产生的峰值电压为40．8 V。

对于磁电部分，影响因素是激励力的频率及作用幅度等。当中心的机械振子往复运动时，带动上壳运动，使上壳内壁的线圈切割磁感线，产生电能。在给定空间为 φ120mm×21．5mm，φ0．11mm×240 匝的漆包线的条件下，其发电情况如图7所示。当压电片被迅速下压时，磁电部分可以产生5．2V的电压，向上弹起时，由于弹起的力度不大，导致其频率较低，故产生的电压在-0．2V左右，该现象可以通过适当调节弹簧的刚性来改善。

5 总结

对发电装置的机械结构和电能调节电路进行了试验，试验结果表明，该发电系统的压电部分最大可以产生158V的电压，磁电部分可以产生约5V的电压，通过调节充电电路，将电能存储在超级电容中，待使用时再集中放出。该装置具有结构简单紧凑、发电量大的特点，可以放置在踩踏密度较大的区域，为手机、USB充电设备以及应急灯供电。

［1］ 电子陶瓷情报网．压电陶瓷应用［M］．济南：山东大学出版社，1986．

［2］ T．Starner．Humanpowered Wearable Computing ［J］．IBM Systems Journal，1996，35（3-4）：618-629．

［3］ 袁江波，谢涛，单小彪，等．压电俘能技术研究现状综述［J］．振动与冲击，2009，28（10）：36-42．

［4］ Lee C S，Joo J，Han S，et al．Poly （Vinylidene Fluoride）Transducerswith Highly Conducting Poly（3，4-ethylenedioxy thiophene） Electrodes ［J］．Synthetic Metals，2005，152（1-3）：49-52．

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