基于压力发电的照明装置研究

杨亮 杨一帆 钱成龙 徐坤 邓凯博 董帅强

摘 要：本文提出了一种基于压力发电的照明装置，它使用压电陶瓷材料将人们行走时产生的机械能转化为电能，通过分析压电陶瓷材料的发电原理，总体电路的设计，电能的储备以及使用规划，可知该装置适合应用于人流较密集的场合，如地铁、火车站和商场等，从而能够在很大程度上减少对电量的消耗，符合当今社会节能环保的要求，并有较高的可行性和经济效益。

关键词：压力陶瓷;压力发电;照明系统;STM32单片机

随着传统能源的不断减少，新类型能源的开发和使用已成为当今社会迫切需要解决的问题，然而在现实生活中，真正利用压力能技术的场合并不多[1]。因此，本文主要对人流脚步踩踏产生的压力能量的收集和照明使用展开研究。本装置的开发主要应用于大人流量场所的照明系统。该装置的设计思想来源于压电陶瓷材料发电装置。

一、研究内容及原理

压电陶瓷是一类具有压电特性的材料。该种材料在压力的作用下其表面会产生带电离子，这一现象称为正压电效应[2-3]。当人们行走时会对压电材料产生压力，通过将压电陶瓷材料并联或串联组成一个发电电路，该电路将这种机械能转换为电能[4-5]。本文所设计的装置就是利用此原理将压力能转化为电能，通过一个蓄电池进行储能，其电能使用规划以及电路的控制则以STM32单片机为核心，配合相应的电源稳压器、光敏电阻，以及A/D、D/A转换模块来实现。人们行走为本装置提供能源并被储存起来，当光线充足时，由于受到光敏电阻的控制，蓄电池不会为电灯供电。当光线暗淡并有人踩踏时，压电陶瓷材料会产生一个电压，STM32单片机通过A/D转换模块检测到该信号，从而控制蓄电池为电灯供电。本装置的总体结构图如下：

二、实验材料及装置

（一）压力发电部分的系统设计

压力发电部分大体上可分为两个部分——压电材料的发电以及电能的处理和储存。其中压力材料发电部分需要考虑的问题是：能否产生足够大的可驱动后续控制以及照明部分的电能;电能的处理和储存部分要考虑的问题是：压电材料所产生的电能是否稳定，能否为蓄能装置充电等问题。基于上述问题，故发电总体结构如图2所示：

（二）电能的产生

本装置的发电部分由压电陶瓷组成，压电陶瓷由金属片和压电片构成。压电片放置在金属片的表层上，人们行走时的压力使压电振子变形，由于压电陶瓷的压电效应，会在板的上下表面產生电量相同极性相反的电荷，从而产生电压。经过实验后得出如下结论：当压电陶瓷多片并联后，其两头产生的电压会多倍增加。由于单片压电陶瓷产生的电能不足以供给控制和照明部分所需，故本系统采用了多片压电陶瓷并联的方式来增加压电陶瓷产生的总电能。

（三）能量采集及存储

本系统的电能存储电路是以充电电池为存储媒介的电路，其作用是将压电陶瓷的压电振子产生的电能储存在镍氢电池中。发电装置由多片压电陶瓷并联组成，可以产生足够大的电能供后续使用。因为人走动过程中用力的随机性，导致压电陶瓷受到的压力大小不同，所以压电陶瓷输出的电压会不稳定因而会产生交流电。所以本系统使用全桥校正器对不稳定的交流电进行整流，之后经过储存电容元件，将电压稳定下来，从而能够储存到可充电的镍氢电池中，该电池中的电能也能够被后续部分使用。该部分电路如图3所示：

（四）照明系统控制设计

照明装置部分主要由单片机，A/D转换模块，光敏电阻，电压稳压器，电磁继电器来控制照明器件的工作。单片机我们采用STM32F103C8T6核心板，STM32F103C8T6是一款基于ARM公司Cortex-M内核的微控制器，程序存储器的容量大小为64KB，其输入电压为2V-3.5V，可以在温度为-40℃～80℃之间的环境中工作，内部含有12位转换精度的A/D转换模块。除此之外，STM32F103C8T6造价比较低廉，拥有比同价位80C51系列的单片机更多的功能，可以满足照明控制的需求。

整个系统的供电都是由微型电池来完成。蓄电池的输出电压与电源稳压器连接后，可以得到不同的电压供给STM32F103C8T6单片机和电磁继电器的输出回路，电磁继电器的输出回路与照明器件连接。之后把STM32F103C8T6其中一个IO口设置为输出模式，将该IO口所对应的引脚与电源稳压器连接后，接到电磁继电器的输入回路作为电源，这样，通过单片机程序设置该引脚的电平就可以控制电磁继电器输出回路通断，从而控制照明器件的工作状态。

照明器件是否工作主要取决于外界环境。通过A/D转换模块，单片机可以检测压力发电装置是否在发电，同样可以检测光敏电阻的阻值。当检值测到压力发电装置有电压产生，且光敏电阻阻值较小时，说明此时光线暗淡且有人通过，此时单片机控制电磁继电器输出回路接通，使照明器件工作。

三、实验结果分析与讨论

经过设计与测试，本实验系统最终完成了将人体踏走的动能利用起来进行压力发电的目的，实现了压电供给照明的功能。通过在楼道内放置压电陶瓷材料，将人们行走所产生的压力能，转化为电能并储存起来，供照明系统使用。当夜晚或楼道内光线不好时，光敏电阻阻值改变，此时，当有人经过，并踩踏压电材料，系统将检测到电信号并打开照明装置;当人完全经过楼道，系统检测不到电信号时，经一段时间的延时后，照明系统关闭。当白天光线较好时，本系统只进行能量的转换和储存，无论是否有人经过，均不启动照明。与传统照明设备相比，该装置具有以下特点和创新之处：

（1）压电陶瓷具有十分敏感的特性，可以将极其轻微的振动转换成电信号，能有效地将压力转化为所需的电能，提高能量利用率。除此之外，此类装置还具有节能环保、不易发热的特点，可以避免电磁干扰，易于实现集成化，适用范围较为广泛。

（2）本系统采用压电陶瓷发电技术，能够将人行走时所产生不可利用的机械能，通过相关技术转化为广泛使用的电能，具有低污染、低能耗、高效能的优点。装置连接储能和整流供电电路，踩踏产生的电能既可以用于直接供电，又可以储存起来作为备用能源，而且装置简单，极易安装，成本较低。

（3）相较于其他新型能源技术，压电陶瓷具有能源转换率更高的优点。据有关资料显示，压电陶瓷的能量转化效率在90%以上，而其它新能源技术的能量转化率基本都在50%以下。由于主要依靠人体踩踏产生能量，该技术在人口众多的中国具有很大的发展前景。

（4）该装置可移植性高，可以直接接入原有的照明装置系统中作为辅助功能，可解决部分道路周边的用电需求。在道路的两边一般会有引导和照明设施，压力发电装置产生的电量可以为这些设施提供电能，尤其是在供电不利的情况下，压力发电装置能够发挥很大作用。

四、结论

通过以上测试与分析，本文提出的压力发电照明装置基本可满足人们的使用需要，在人流量较大场所，产生的能源总量是非常可观的。本系统的产能不仅可以供给照明装置的使用，而且可以给所在区域传送电能，实现对能源的高效利用，节省对传统发电所产生的电能的使用量，减少碳排放量，更加环保。但是由于压电陶瓷材料比较脆弱。在使用过程中必须增设保护措施，以延长材料寿命。目前国内相关技术应用较少，此方面研究意义长远。

参考文献：

[1]闫强，王安建，王高尚.我国新能源产业发展战略研究[J].商业时代，2009（26）：105-107.

[2]齐洪东，杨涛，岳高铭，等.微型压电陶瓷振动发电技术研究综述.传感器与微系统，2007（5）：1-4.

[3]曾平，佟刚，程光明，等.压电发电能量储存方法的初步研究.压电与声光，2008（4）：230-233.

[4]王军龙.基于压电材料的振动发电装置的研究[D].江苏大学.

[5]林玲，刘辉.压电发电技术研究应用[J].硅谷，2008（14）：120.

基金项目：河南科技大学大学生研究训练计划（SRTP）项目资助（2019104）