踩压式压力发电装置的研制

刘金柱 房灵猛 张亚萍

(中国石油大学(华东)理学院，山东 青岛 266580)

踩压式压力发电装置的研制

刘金柱 房灵猛 张亚萍

(中国石油大学(华东)理学院，山东 青岛 266580)

为了实现对压力的充分利用，应用永久磁铁和导电线圈，根据动生电动势的产生原理，设计了一种踩压式压力发电装置，并进行了理论分析和实验验证。当有压力施加于装置上时，装置会将作用的压力经内部线圈转变为正弦式交流电，经整流电路和稳压滤波电路的作用，输出稳定的直流电，较有效地将机械能转化为电能，最后由储能电路将产生的电能收集并储存起来。该压力发电装置在利用压力发电的过程中不会对环境产生任何污染，能够在绿色环保的前提下达到产生电能的目的。

压力发电；动生电动势；能量转化；节能减排

能源是人类生存与经济发展的物质基础[1]，但近年来，随着经济持续、高速发展，人类的经济生产活动不仅消耗了大量的传统化石类能源，而且产生了不少废气、废水、废渣等，严重污染生态环境和危害人类健康[2]。近年来，风能和太阳能等可再生能源的发展速度迅猛[3]，而压力发电作为另一种产生能源的方式也越来越受到人们的关注[4-6]。

1 实验原理

如图1所示，当线圈和磁铁以速度v0做相对运动时，导体中的自由电子也以速度v0与导体一起运动。根据动生电动势原理[7-9]，自由电子会因受到洛伦兹力而做定向运动，具体为

FL=-e0×B

(1)

图1 动生电动势原理图

自由电子在洛伦兹力FL的作用下绕线圈逆时针向a端运动，并在a端逐渐积累，根据电荷守恒定律，在a端积累负电荷的同时，b端逐渐积累正电荷，并在导体中建立静电场。电子受到电场力的方向与洛伦兹力的方向相反，当作用在自由电子上的电场力与洛伦兹力大小相等时，达到平衡状态，a、b间的电压达到稳定值，且b端电势高，a端电势低。由此可见，一段导体ab在磁场中运动相当于一个电源，非静电力就是洛伦兹力。作用于单位正电荷上的非静电力为

(2)

根据电动势的定义，则动生电动势为

dε=E非·dl=0×B·dl

(3)

所以，整个导体中产生的总动生电动势为

(4)

由于洛伦兹力FL=q0×B，与带电粒子速度0垂直，因此，洛伦兹力对带电粒子不做功。而在上面的讨论中又得到洛伦兹力是产生动生电动势的非静电力，作用于单位正电荷上的洛伦兹力所做的功即是动生电动势。上式中的0只是电子速度的一个分量，电子除了有随导体运动的速度0外，还具有相对导体运动的速度u，其合成速度为0+u，电子所受的总的洛伦兹力为

(5)

显然

F0·0=0，Fu·u=0，且F·0+u=0

(6)

于是

-Fu·0=Fv0·u

(7)

F0·0=-Fu·0=Fv0·u

(8)

式(8)说明，外力F0克服洛伦兹力的一个分量Fu所做的功通过洛伦兹力的另一个分量Fv0对自由电子做功，使自由电子作定向移动，形成电流。从而把外力做功所消耗的能量转换成电能。总的洛伦兹力并不做功，但洛伦兹力起了传递和转换能量的作用。

2 装置结构设计

2.1 压力发电装置结构设计

图2 压力发电装置结构设计简图 1-踩压板； 2-磁铁; 3-线圈; 4-弹性材料; 5-底板; 6-集电板; a、b-两个输出端

压力发电装置由内部的多组导电线圈和永久磁铁组成，其主要功能是当外界压力施加到装置上时，磁铁压缩弹性材料向下与线圈发生相对运动，撤销压力时弹性材料储存的势能释放，作用于磁铁并将其弹起，又与线圈发生相对运动，根据动生电动势原理便可产生近似的正弦式交流电。然后，经过集电板将每个线圈产生的电流收集起来，并向外输出。

2．2 控制电路结构设计

该压力发电装置电路设计主要由整流电路、选择电路、储能电路、储能检测等4部分构成，如图3所示。

图3 压力发电装置控制电路图

(1) 整流电路[10]：由4个单向导电二极管组成，其作用是把发电装置产生的正弦式交流电由2、3结点输入后，利用二极管的单向导电性，实现对电流方向的连续选择，再经1、4结点输出为直流电。

(2) 选择电路：由双掷开关S组成，其作用是控制装置处于电能的直接利用模式或能量储存功能模式。当开关S置于S1且断开S3时，电路处于直接利用模式。直接利用模式可以把产生的电能直接作用于用电器，本模型装置的直接利用模式是检测电路，可以检测整套装置电路情况和输出电流变化的瞬时值，以确定电路是否正常以及是否产生了电能。当开关S置于S1且闭合S3时，电路就会起到滤波作用，稳定检测电路两端电压；当开关置于S2且断开S3时，电路处于储能模式，能够把发电装置产生的电能暂时储存起来，以备他用。

(3) 储能电路[11]：由多个参数相同的电容并联组成，其作用是可以把发电装置产生的电能暂时储存起来，这部分电能可做他用。

(4) 储能检测：当装置在储能状态下工作一段时间后，断开开关S1、S2，闭合开关S3，可以根据发光二极管的工作状态来判断储能模块是否储存了电能，并依据二极管的发光程度和发光时间判断储存电能的多少。

3 装置工作流程设计

该压力发电装置利用动生电动势的产生原理，实现将机械能转化为电能。整个装置由发电模块、中间模块、功能模块由3部分组成。发电模块主要由发电装置组成，是本套装置的核心；中间模块由上文的整流电路、选择电路以及滤波电路组成，起传输电流稳定电压的作用；功能模块由检测电路和储能电路组成。

具体技术路线流程如图4所示：

图4 装置工作流程图

使用时，先将选择开关置于检测电路，当有压力作用于发电装置上时，能够明显地看到检测模块的数个发光二极管发出亮光，说明该压力发电装置能够产生电流；再将选择开关置于储能电路，当有压力作用于装置一段时间后，将储能模块的两端连接到发光二极管上，可以明显看到，发光二极管发出亮光，说明储能模块储存了发电过程中产生的电能。

4 装置测试与性能分析

4.1 工作线圈的发电能力

实验测量结果表明(如图5所示)，动生电压与线圈的匝数成正比关系，动生电压的大小随线圈匝数的增加而增大。在测量中线圈每增加25匝，动生电压就随之增加0.175V。

图5 不同线圈匝数下的动生电压值

4.2 储能装置分析

搭建简易储能装置，应用电容实现对瞬时微小电流的储存[11，12]，并对其进行测试分析。用10V直流电对储能装置进行储能，运用示波器进行测试，储能过程测量结果如图6所示，从测试结果来看，储能过程短暂，虽然储存能力较小，但基本可以满足本模型装置的需求。释能测试采用350Ω电阻作为负载，测量结果如图7所示，在测量过程中改变负载的阻值时，释能时间也会发生相应的变化，阻值越大，释放能量的时间越长。

图6 储能装置储能过程曲线图

图7 储能装置释能过程曲线图

4.3 压力发电装置的总体评估

图8为实际操作过程中示波器显示的压力发电装置工作过程电压输出曲线。由图8可知，经过连续多次施加压力，该压力发电装置的发电电压比较稳定，且电压的大小由施加的压力速度的高低决定，结果表明，该压力发电装置单次发电的瞬时电压平均值约为60V。

将图8的单个波形放大，如图9所示。

图8 压力发电装置产生电压波形图

图9 产生电压波形放大图

装置中的弹性材料在工作过程中受到外界压力作用，当撤去压力后，因为受到阻力作用，其振动过程不断克服外界阻力做功，消耗能量，振幅就会逐渐减小，经过一段时间，振动就会完全停止下来[13，14]。表现到电压上，就是在振动过程的开始阶段，也就是施加压力阶段，发电装置释放的电压会相当强，当撤去压力后，电压的大小会逐渐波动减小，最终变为零。

5 应用领域举例

(1) 该压力发电装置能够铺设到马路人行道上，利用行人行走踩压就可以实现发电。由于该装置厚度小、工作稳定，因此对人们的正常行走几乎没有任何影响。装置产生的电能能够储存起来，进一步应用到马路两旁的用电装置上，如路灯、小装饰等，既减少了能源的消耗，又给城市增添了不少趣味。

(2) 该压力发电装置适用于歌舞厅、商场等人流量比较多的公共场所。由于这些场所客流量大，因此该装置产生的电能相对较多，能够抵充部分甚至全部的店内用电需求。

(3) 该压力发电装置还可以用于家用。在家中合适位置合理铺设该装置，也能产生不小的电量。产生的电能储存起来，可以用于家庭的各种用电器工作，较大程度地实现家庭节约用电。

6 结论

经过对该压力发电装置模拟装置测试，结果显示其发电能力较强，发电量可观，具有较高利用价值。且发电动力来源广泛，通过把压力(机械能)转换为电能，可以达到对资源的整合利用，从而实现对能源的高效利用。发电过程中无污染物的产生，对环境友好、无破坏，节能环保。同时，该压力发电装置利用的是洁净的压力资源，可以降低人们对于煤炭、石油、天然气等不可再生能源的依赖，能够有效地缓解当今社会资源短缺的问题，可以产生较大的社会效益、经济效益和生态环保效益。

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THERESEARCHONSTEPTYPEPIEZOELECTRICGENERATORDEVICE

LIUJinzhuFANGLingmengZHANGYaping

(College of Science, China University of Petroleum(East China), Qingdao Shandong 266580)

In order to realize the full use of pressure, a kind of step type piezoelectric generator was designed by using permanent magnets and conductive coils, according to the generation principle of the motional electromotive force. The theoretical analysis and experimental verification were also carried on. When being applied of pressure, the device can change the pressure of the action into sinusoidal alternating current through the internal coil. After the function of rectifying circuit and voltage stabilizing filter circuit, the device will output stable DC power, converting the mechanical energy into electrical energy more effectively. Finally, the electrical energy will be collected and stored by the storage circuit. The piezoelectric generator will not generate any pollution to the environment during the working process, and can achieve the purpose of generating electric energy under the premise of the green environmental protection.

pressure power generation; motional electromotive force; energy conversion; saving energy and reducing pollution

2016-10-25；

2016-11-15

教育部教指委高等学校教学研究项目(DWJZW201522hd;DWJZW201603hd)；山东省本科高校教学改革研究项目(2015M022)；中国石油大学(华东)教学改革项目和研究性教学改革项目(JY-B201635；YK201520)；中国石油大学(华东)大学生创新创业训练计划项目(201710425067)。

刘金柱,男，在读本科生。

张亚萍，女，副教授，研究方向为物理实验教学与研究，纳米材料的合成、制备及其性能研究，材料腐蚀与检测等,zhangyp@upc.edu.cn。

刘金柱,房灵猛,张亚萍. 踩压式压力发电装置的研制[J]. 物理与工程，2017，27(6)：111-115.

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