人体踩踏动力绿色压电发电系统研究

杨鑫铭　殷振　钱蜜　伯洁

【摘 要】本文基于压电陶瓷的正压电效应，设计了一种对人体踩踏机械能进行回收利用的压电发电装置和能够提高该压电发电装置转换效率的转换电路，并利用该压电发电装置样机进行了压电发电相关实验，取得了较为满意的发电效果，为新能源的开发和利用提供了一种新的方法。

【关键词】踩踏动力；绿色能源；压电发电；机电转换

0 引言

随着人类社会的不断发展，传统能源被不断的消耗，同时也带来了严重的环境问题。为了减少环境的污染，保证能源的可持续利用，从长远发展的角度看，寻找、应用绿色可再生资源成为我国开发新能源的重要内容。基于人体踩踏动力的压电发电装置是一种利用正压电效应对能量进行重新回收利用的新型能源回收技术，它完全满足可持续发展绿色能源的要求。将人体踩踏动力的压电发电装置安装在楼梯上、楼梯口、地铁出入口等人口密集的地方，加以固定就可以方便使用。其结构简单巧妙、安装使用方便、制造成本低、占用空间小、无踩踏不适感、发电过程无二次污染和噪音，不受天气、日照等自然因素的影响，清洁绿色，适应性广，有利于能源的可持续发展利用。

该人体踩踏动力的压电发电装置包括压电发电结构、整流模块、储能模块、充电芯片等。压电发电结构在人体踩压时，产生电荷并加以输出；整流模块能够将收集到的瞬时、突发的交变电流进行整流、滤波；储能模块通过内含的超级电容、蓄电池等可充电装置进行电能储存和利用。

1 人体踩踏动力绿色压电发电装置结构

如图1所示的基于人体踩踏动力绿色压电发电装置，包括踏板、基板、支撑限位条、弹簧和压电发电单元。三个支撑限位条、两列弹簧和两列压电发电单元安装在基板上，踏板设置在压电单元和弹簧的上方，支撑限位条限制踏板向下运动的距离为0.8mm，弹簧用于将踩下的踏板向上反弹回原位。

压电发电单元为一个悬臂杠杆结构，如图2所示，主动压块安装在距悬臂梁末端4/5长度的上方位置，而从动压块安装在悬臂梁的末端下方，在竖直方向上，弹簧和主动压块的上表面高度均比上压板和支撑限位条上表面高度高出0.8mm。当人体踩踏踏板向下移动后，踏板驱动压电发电单元的主动驱动块向下移动0.8mm，根据杠杆原理，从动压块将向下移动4mm，从而提高了压电发电板的压电转换效率。同时避免踩踏压电发电装置时有踩空等不适感，避免了人体踩踏冲击力和压电陶瓷片的直接接触，保证压电陶瓷片不被直接冲击破裂或损坏。由于踏板较大，当有人踩踏压板时，同时驱动多个压电发电单元进行发电，最大限度的利用了人体踩踏产生的动能。

2 人体踩踏动力绿色压电发电装置电能回收电路

压电振子是该压电发电装置的核心部件，由金属片、压电片组成，在金属表面粘贴压电片，分别从金属片和压电片上引出电极，利用正压电效应将人踩踏地面消耗的机械能转化为电能。由于人走动过程中产生的能量不稳定，压电振子输出的电压不是稳定值，收集到的电能是瞬时、突发的交变电流，不能直接供电器使用，不能直接储存，需要经AC-DC转化，转化过程就由整流模块完成。设计采用桥式整流电路，桥式整流电路整流效率高，不会出高电压、低电流的现象。

整流过的电能经过储能模块进行电能储存，储能模块分为一级储能和二级储能两部分。储能器件主要有普通电容、超级电容和可充电电池。普通电容电荷密度低，储存能力有限，容易饱和，只能短期大功率输出；超级电容功率密度高，短时间可放出大电流，充电快；充电电池对电路有特殊要求。综上，我们将采用超级电容作为一级储能元件，来收集压电陶瓷产生的电荷；充电电池作为二级储能元件，当超级电容电荷累积到一定程度，可通过充电模块来对充电电池充电。充电芯片采用美信公司生产的USB接口锂电池充电芯片MAX1811，它可以直接由USB端口供电，或由其他外部电源供电，电源电压可达+6.5V。MAX1811无须微处理器控制，最大充电电压可由引脚设置为4.1V或4.2V，最大误差为0.5%。设计的压电发电装置电能回收电路原理图如图3所示。

3 人体踩踏动力绿色压电发电系统性能测试

搭建的人体踩踏动力绿色压电发电实验装置如图4所示，实际的人体踩踏动力绿色压电发电装置如图5所示。模拟人踩踏时的状态，对发电装置进行踩踏，使得压电悬臂梁装置受力形变，压电振子产生电能，这部分电能经过整流由超级电容收集并储存。利用数字示波器和数字电压表对电容两端电压进行实时监控，每踩踏相同时间，记录电压表上读数，与示波器实时波形。最后利用所测电压数据计算出电容这段时间内电压上升值和储存的电能。

将压电板在长度方向上划分为三个区域，比较三个区域在不同踩踏次数情况下的平均功率，得到的实验结果如图6所示，从图中可以看出，区域一和区域三的平均发电功率比较接近，区域二部分的平均功率较小，区域一和区域三的平均发电功率是区域二平均发电功率的1.5-2倍；随着踩踏区域的随机变动，整个压电发电装置的平均压电发电功率为0.08～0.18×10-3J/次。

1.DT-830B数字电压表；2.DS 5102CA数字示波器；3.测试软件；4.计算机；

5.压电发电装置

在其它条件相同的情况下，采用不同的激振加速度，对压电发电片进行激振，在连续激振后，对收集电能电路总的电容两端电压进行测量，并由公式W=■CU2得出两种激振方式下收集到的电量，两种激振方式下收集得到的电量如图7所示。实验结果表明：激振加速度为5m/s2时所收集的电能明显高于加速度为0时所收集的电能，相同激振次数下，前者产生电能为后者的1.8-2倍，且在同一总条件下，压电发电板产生的电能与激振的次数成正比。

4 结论

设计了一套人体踩踏动力压电发电压电发电装置，并利用该压电发电装置样机进行了压电发电相关实验，对压电发电板各个区域单次踩踏的平均功率进行了对比，得出在随机踩踏时，整个压电发电装置的平均压电发电功率为0.08～0.18×10-3J/次。并得出在激振加速度为5m/s2时所收集的电能明显高于加速度为0时所收集的电能，相同激振次数下，前者产生电能为后者的1.8-2倍，且在同一总条件下，压电发电板产生的电能与激振的次数成正比。为人体踩踏动力绿色压电发电装置的研究提供了一定的理论和实验研究基础。

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[责任编辑：王楠]