基于人体踏走的压电发电装置设计与分析

周浩+许有熊+陈佩嘉

摘要：指出了利用人体踏走的动能进行压电发电，符合当前节能环保的要求，并具有较高的经济效益。分析了压电陶瓷发电机理，设计了一种利用轨道交通等频繁人体踏走的压电发电装置及其能量存储电路，并进行了相关的理论分析。该装置可放置在轨道交通车辆和车站，如地铁、轻轨，和商场等具有大流量的场合门口，将频繁人体踏走的动能进行压电发电，以供用电负载使用或存储，以达发电节能的效果。

关键词：压电；人体踏走；发电装置

中图分类号：TM619

文献标识码：A 文章编号：1674-9944（2017）6-0161-03

1 引言

随着常规能源的日趋紧张和人们环保意识的日趋增强，节能环保问题日益突出，清洁环保无污染能源的开发与利用倍受世界各国的关注和重视，新绿色能源的研究已成为当务之急。

压电材料在外力的作用下表面产生电荷的现象，称为正压电效应[1]。压电发电利用此原理将振动的机械能转变为电能。其优点主要集中在体积小，结构简单，便于实现及小型集成化以及无电磁干扰等方面。符合当前环保节能，可持续发展的要求，正越来越受到各国研究人员的关注[2，3]。另外，压电发电可方便与微机电系统（MEMS）结合，为其提供能源，也成为MEMS研究领域的热点之一。目前，欧美、日本和韩国等许多国家与地区已经对与压电发电相关的技术展开了深入的研究，并且取得了一定的成果，而国内的压电发电技术尚处于起步的阶段。目前，压电发电技术主要有以下几个方面。

1.1 利用车辆或路面振动进行压电发电

将压电发电装置放入如汽车等减震系统或车辆悬挂系统中，利用正压电效应将震动能量转变为电能，并加于存储和利用。或者，将压电发电装置作为路面的组成部分或安置于路面内，利用汽车在路面上行驶时产生的振动来发电，所产生的电能经电路调整后可作为道路灯具等使用，或经储能装置加以存储和利用。以色列于2009开放了世界上第一条可发电的公路[4]。

1.2 利用自然环境能量进行压电发电

利用自然环境能源如海浪（流）能、风能等进行压电发电。位于美国新泽西州的普林斯顿海洋动力技术公司研制了一种压电聚合物，并将其放置在海洋中，利用海浪（流）产生的压力和应力进行压电发电。美国德克萨斯大学Priya S发明了一种袖珍压电风车装置，将风能转换为电能，为无线网络供电[5]。

1.3 利用人体动能进行压电发电

1998，美国麻省理工大学发明了一种足底压电发电鞋，它的原理是把压电发电装置放入鞋底内部，利用人行走时脚对鞋底的压力，使压电材料变形从而产生电荷。2010上海世博会，日本馆展示了压电发电地板，行人从上面踩过，该地板可进行发电。2011年，中国科学院上海硅酸盐研究所研发了类似的国内首块压电发电地板，将人们日常行走运动的部分能量转换为电能[6]。

利用人体动能进行发电的压电地板，符合当前节能环保的要求，并具有很高的经济效益，是目前的研究热点。本论文主要研究一种基于人体踏走的新型压电发电装置，该装置可放置在轨道交通如地铁、轻轨和商场等具有频繁人行流量的场合门口，将频繁人体踏走的动能进行压电发电，以存储或供用电负载使用，具有发电节能的效果。

2 总体结构设计

2.1 压电陶瓷发电特性分析

根据压电方程，可得单压电晶体片在d33模式下，其产生的电荷和两端的电压为：

为了提高压电陶瓷的输出电压（或电荷），将多个压电晶体片在物理上串联连接，电学上串联或并联连接，如图1所示。

从上述式（3）～（6）可以看出，两种连接方式的总电能是一样的。对于串联连接来说，输出的电荷量大；对于并联连接来说，输出的电压大。为了提高本压电发电的输出电压，本研究采用并联连接的压电叠堆。

2.2 总体结构设计

从上述的分析可以看出，压电陶瓷发电的电压或电荷与作用力F、晶体片数n成正比，因此，为了提高压电发电性能，采用多片串联而成的压电叠堆。另一方面，人体行走时对压电叠堆的作用力小且缓慢变化，若此作用力直接作用于压电叠堆，其发电量小，达不到实用的目标。因此，需要将此作用力進行放大以实现对压电叠堆的快速冲击，提高发电量。基于上述考虑并结合压电叠堆的结构特点，设计了如图2所示的基于人体踏走的压电发电装置。其中，压电叠堆1通过粘接固定在底板8上，杠杆架2通过螺钉连接固定在底板8上。

其工作原理为：踏块5在人体踏走的作用下，向下运动并压缩支撑弹簧7，杠杆3短臂向上运动并压缩预紧弹簧4；当人体踏走后，在预紧弹簧4和支撑弹簧7的作用下，杠杆3短臂迅速向下运动并敲击压电叠堆1，压电叠堆1在外力冲击下产生电能。在频繁人体踏走的作用下，上述的压电发电单元不断重复上述的发电过程，源源不断地进行发电。

限于结构尺寸，不可能选用大长度的压电叠堆和采用大放大比的杠杆，故单个压电发电单元的发电量是有限，其应用场合有限。因此，采用多个压电发电单元按照串联或并联的方式进行连接，制成类似地砖的结构型式，如图3所示。该装置可放置在具有频繁人体踏走的场合门口如地铁、轻轨和商场等，将人体踏走的部分动能进行压电发电。与压电鞋等相比，本装置还具有发电集中，发电量大等特点。

3 发电储能装置设计

利用人体踏走的压电发电所产生的是低交流电压，且是随机不规则变化的，因此该电能不能直接应用于用户负载，需要经整流储存后，才能适合外部电子设备等用户负载使用。另外，由于压电叠堆在电路上等效于电容，因此当人体踏走的作用力消失后，压电叠堆产生的电压随即消失（放电），因此需要对所产生的电荷进行储存。综上，为了有效利用该发电量，需要设计相关电路以实现对压电发电装置产生的电能进行能量转换和存储。

3.1 电容储存

压电发电的电容储存电路如图4所示，压电发电装置所产生的电量经整流电路后储存于电容。之所以采用全波整流电路，这是由于其能充分利用交变电的正、负两个半波，能大大减小输出电压的脉动度，有效提高整流效率。另外利用储能元件电容两端的电压不能突变的特性，储能电容还具有滤波的作用，能滤掉整流电路输出电压中的脉动成分，达到稳压目的。

3.2 电池存储

由于普通电容容量有限，容易达到饱和电压。又因为放电速度较快，所以普通电解电容只能作为一种短期的储能元件提供瞬时的较大功率输出。而电池能储存的电荷远大于电容，电荷保持能力也更胜一筹，所以广泛应用在各种能量收集系统中。如图5所示，电池储能电路将来自压电发电装置的电量，经全桥整流电路和电容，储存到一个镍氢纽扣电池中。

4 结语

本文利用人体踏走的动能进行压电发电，设计出了一种压电发电装置，并进行了相关的理论分析与设计。该装置中运用了杠杆放大将人体缓慢踏走的作用力进行放大以实现对压电叠堆的快速冲击，从而提高发电量。该装置所产生的电能经整流电路后储存于电容或电池以供用电负载使用。该装置可放置在轨道交通车辆和车站，如地铁、轻轨，和商场等具有大流量的场合门口，将频繁人体踏走的动能进行压电发电，具有发电节能的效果，符合当前节能环保的要求。

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