压电技术在步行集能中的应用

文／吉林建筑大学 李正安 张飞军

长春工程学院 徐广彬

0 引言

2014年，交通运输部提出了与交通运输科学发展目标相符的四大战略任务，即开展全面深化改革，加大综合、智慧、绿色和平安四大交通任务的快速完善[1]。因此，为实现绿色交通的目标，在城市行人密集区收集行人步行产生的能量，通过相应的技术手段将其转换为监控、照明及通讯等设备供电所需的电能，成为了各国学者近年关注的重点热点课题[2]。

1 步行压电技术应用现状

1.1 国外应用现状

日、美、欧等发达国家对压电集能系统进行了较长一段时间的研究，在步行压电集能方向取得了较多的应用成果。

日本音力公司设计发明了一种可用于转换行人步行振动机械能的发电地板，行人每踩踏一次即可产生0.2W左右的电能。东日本旅客铁道株式会社曾在东京火车站安装了“发电地板”，进行了收集使100W灯泡发光0.1s的电量试验[3]。

美国乔治亚理工大学Orr等[4]利用压电效应原理制作出了可用于收集行人步行能量的智能地板。Alexander和Yoshiyasu Takefuji等[5]都针对行人交通研发出了用于收集步行能量的压电装置并对其进行了多次测试。美国麻省理工学院James Graham等[6]曾利用动力压电地板收集火车站人群步行产生的振动能量，发现行人每踩踏一步便可使两只60W的灯泡亮1s。Shenck等[7]将微型压电发电系统植入行人的鞋内以收集行人步行时的振动机械能，结果表明在0.9Hz的行人步频下，压电发电鞋的平均输出功率为1.3mW。麻省理工大学Kymisis等[8]探究了三种可以放于鞋底的压电能量收集装置，用于分析行人荷载下的能量转换。

1.2 国内应用现状

我国也曾围绕步行压电技术进行探索，并进行了相关的模拟试验，研发出适用于分析行人步行压电集能的实验设备，目前还处于研究的初期阶段。

2011年，中科院上海硅酸盐研究所曾在上海黄浦区南京路行人密集区安装过其开发的压电地板，只要行人在上面踩踏或者奔跑便可产生电能，它也是我国第一个利用压电技术原理制成的发电地板[9]。大连理工褚金奎等人将压电换能单元安置于鞋底，收集行人步行踩踏过程中产生的能量并用于发电。马雪芬、施建波[10]等设计出了能够发热的保温压电鞋，将蓄电池和压电发电设备结合置于鞋内，通过收集行人运动产生的能量为足部供暖。长安大学的张宝亮等[11]针对行人步行产生的机械能，利用压电效应原理研发了一种换能装置并将其运用于人行天桥融雪方案中。北京交通大学的梁林峰和商程宇[12]等人也都设计出了可用于收集行人荷载能量的压电俘能器。

可见，国内外大多数对压电技术的应用研究主要侧重步行踩踏系统开发，鲜有针对行人步行能量的采集及应用方面的研究。因此，根据压电技术原理入手，分析步行压电技术实现方法，对于城市道路中行人密集区照明、监控等设备供电具有重要意义。

2 步行压电技术原理

在城市行人密集区应用压电技术，是通过收集道路振动能量的压电换能单元，利用正压电效应原理，实现行人步行振动机械能向电能的转化。步行压电集能技术是基于压电效应原理，利用行人踏走过程中自身重力做功，形成步行动荷载并对道路造成的低频率振动，通过压电换能单元将行人步行产生的振动机械能转换成电能，实现城市道路行人密集区压电技术应用目标。

2.1 压电效应

自然状态下的压电材料，其内部电荷的分布处于平衡状态，在受到外来作用力下，压电材料内部带电粒子发生了相对位移，一定程度造成了电介质的总电矩改，产生了压电效应[13]。正压电效应，是指机械能转化为电能的过程；逆压电效应是指电能转化为机械能的过程，即通过施加电场的作用能够使压电材料发生结构形变的现象。具有正压电效应的压电材料同时也一定具有逆压电效应。

2.2 压电方程

压电方程[14]是用来描述压电效应原理的一种数学模型，它反映了压电单元所受应力、应变与电位移、电场等物理量之间的关系，是压电能量转换研究的重要参考依据。

步行压电集能的目的是为了将行人经过路面时产生的机械振动能量转变为电能并对其储存利用，其工作时的状态符合正压电效应。此时可以运用压电方程（2-1和2-2）对其进行表述：

式中，D表示电位移；E为电场强度；S为应变张量；T为应力；sE为压电材料在电场下的弹性模量；d为压电常数，dt为d的转置；εr为压电材料在应力作用下的介电常数。

2.3 行人步行荷载

压电单元在外部荷载作用下具有一定的机电转换功能，行人步行产生的能量可以通过压电单元实现。而步行荷载是压电方程的一个重要力学参数，是指行人行走时人体对地面的作用力，它是导致道路结构内部产生应变能和动能的主要来源之一，其大小作为对压电单元转换出的电能大小有直接影响[15]。因此，基于行人步行荷载进行了行人压电集能系统设计。

3 系统设计

行人压电集能系统设计是利用压电技术原理，将行人踏走产生的行动荷载转化为电能，从而满足城市道路行人密集区低能耗设备供电需要的系统设计，具体构成如下：

图1 城市行人密集区步行压电集能系统构成图

4 结论

压电技术具有广阔的应用空间和发展前景，目前已在部分行业有所应用，但在交通运输工程领域应用较少。各国针对压电技术展开的研究内容不尽相同，但原理基本一致，其主要区别在于压电器件的工作模式、应用环境和能量采集等方面。换言之，步行压电技术作为一种可再生的新型节能技术，可以将行人荷载作用产生的机械能转化为电能。尤其是在人流密集的城市道路中，通过压电技术采集行人步行时产生的能量，不仅可以满足微小型电子元器件的用电需求，形成路用设备的自供电模式，缓解用电压力，而且能够节约资源、减少道路建设成本，符合节能减排、绿色环保的“建设节约型社会”建设理念，顺应了我国可持续发展的要求。