节能减排，从细节做起

邓述珍 贺奔 梁美 贺昕兴 陈希杰

全国大学生节能减排社会实践与科技竞赛是由教育部高等学校能源动力类专业教学指导委员会指导，全国大学生节能减排社会实践与科技竞赛委员会主办的学科竞赛。该竞赛每年举办一次，以“节能减排、绿色能源”为主题，紧密围绕国家能源与环境政策，是一项具有导向性、示范性和群众性的全国大学生竞赛。

中南林业科技大学每年都会举办该项赛事，为参加国赛选拔队员，校赛主要在机电工程学院举办，我们又是机电工程学院新能源科学与工程专业的学生，大赛主题与我们的专业息息相关，于是我们决定组队参赛。

通过前期的充分调研，我们将目光锁定公共交通拉环，希望以它为载体，满足人们及时为小型电子设备充电的需求。下面就让我们简单介绍一下“基于压电材料的拉杆发电蓄电系统”的设计制作过程吧。

随着人口剧增，城市化进程加快，堵车、限行有时会让私家车“寸步难行”，越来越多的人响应“低碳生活绿色出行”的号召，选择搭乘公共交通出行。在搭乘公共交通出行时人们常用电子产品打发时间，但电子产品续航时间短，在公共交通上能及时充电成为人们的需求。我们小组思考，能否合理利用公共交通上可收集的能量，设计一种成本较低、结构简单的发电蓄电系统？我们计划以公共交通拉环为载体，利用人手拉拉环的压力将机械能转换为电能，最后经整流储存在蓄电池中，为小型电子设备及时充电。

之后，我们分组在不同时段对长沙的公交车、地铁进行了调研，在上、下班高峰期，车厢内的拉环使用率很高，统计结果显示，一辆公交车一天约有13个拉环被使用，平均每个拉环被使用约6个小时。拉环在被使用的时间内道路拥堵，公交车时停时启，人们手握拉环，对拉环的压力不断变化。初步计算得出，长沙市一辆公交车车厢内的拉环在使用过程中可储存约2度电，理论上能为一部电池容量为3500 mAh的手机充电80次。所以，本装置不仅可供手机充电，也能为公交上的车载电视等其他电子产品供电。

如何将拉环上储存的压力转变为电能？我们决定利用压电材料试做系统。

一、材料选取

我们选取压电陶瓷作为发电材料，再比较各种型号的压电陶瓷性能参数，最终选取灵敏度高、压电常数和介电常数相对较高，在相同荷载条件下具有更好发电性能的PZT-5H为压电材料。

二、设计及优化悬臂梁结构

经测试，我们选取将悬臂梁结构应用于拉杆发电蓄电系统。图1（a）（b）为压电陶瓷悬臂梁结构，一端固定，另一端可自由活动。其中，虚线部分构成一个压电振子（压电振子由中间的金属片和上、下的压电片构成），在梁的上、下两面分别设置电极，在自由端加一个外在作用力，使悬臂梁发生弯曲变形，在其电极上就会有电荷产生。此时，一个压电振子相当于一个电荷源，从而实现对外输出电能。

压电陶瓷常见厚度为0.5 mm～2 mm，一般不超过10 mm，太薄或太厚的生产成本都将上升，在超过7 mm后，其加工成本急剧增加，并且材料稳定性变差。我们通过优化计算，选择每个系统用五个压电振子。最后，我们利用3D打印技术制作了模型，并进行了发电实验。

以上就是“基于压电材料的拉杆发电蓄电系统”的设计及制作过程。该作品在校赛中得到了学校专家评委的认可，获得学校节能减排大赛一等奖，之后我们申报了学校大学生创新创业训练项目并获批！

这次比赛激发了我们的科研兴趣和创新热情。三年过去了，我们团队的五位成员或被保送研究生或考上研究生，继续自己的科研之路。（指导老师：唐若晗）

随着人口剧增，城市化进程加快，堵车、限行有时会让私家车“寸步难行”，越来越多的人响应“低碳生活绿色出行”的号召，选择搭乘公共交通出行。在搭乘公共交通出行时人们常用电子产品打发时间，但电子产品续航时间短，在公共交通上能及时充电成为人们的需求。我们小组思考，能否合理利用公共交通上可收集的能量，设计一种成本较低、结构简单的发电蓄电系统？我们计划以公共交通拉环为载体，利用人手拉拉环的压力将机械能转换为电能，最后经整流储存在蓄电池中，为小型电子设备及时充电。

之后，我们分组在不同时段对长沙的公交车、地铁进行了调研，在上、下班高峰期，车厢内的拉环使用率很高，统计结果显示，一辆公交车一天约有13个拉环被使用，平均每个拉环被使用约6个小时。拉环在被使用的时间内道路拥堵，公交車时停时启，人们手握拉环，对拉环的压力不断变化。初步计算得出，长沙市一辆公交车车厢内的拉环在使用过程中可储存约2度电，理论上能为一部电池容量为3500 mAh的手机充电80次。所以，本装置不仅可供手机充电，也能为公交上的车载电视等其他电子产品供电。

如何将拉环上储存的压力转变为电能？我们决定利用压电材料试做系统。

一、材料选取

我们选取压电陶瓷作为发电材料，再比较各种型号的压电陶瓷性能参数，最终选取灵敏度高、压电常数和介电常数相对较高，在相同荷载条件下具有更好发电性能的PZT-5H为压电材料。

二、设计及优化悬臂梁结构

经测试，我们选取将悬臂梁结构应用于拉杆发电蓄电系统。图1（a）（b）为压电陶瓷悬臂梁结构，一端固定，另一端可自由活动。其中，虚线部分构成一个压电振子（压电振子由中间的金属片和上、下的压电片构成），在梁的上、下两面分别设置电极，在自由端加一个外在作用力，使悬臂梁发生弯曲变形，在其电极上就会有电荷产生。此时，一个压电振子相当于一个电荷源，从而实现对外输出电能。

压电陶瓷常见厚度为0.5 mm～2 mm，一般不超过10 mm，太薄或太厚的生产成本都将上升，在超过7 mm后，其加工成本急剧增加，并且材料稳定性变差。我们通过优化计算，选择每个系统用五个压电振子。最后，我们利用3D打印技术制作了模型，并进行了发电实验。

以上就是“基于压电材料的拉杆发电蓄电系统”的设计及制作过程。该作品在校赛中得到了学校专家评委的认可，获得学校节能减排大赛一等奖，之后我们申报了学校大学生创新创业训练项目并获批！

这次比赛激发了我们的科研兴趣和创新热情。三年过去了，我们团队的五位成员或被保送研究生或考上研究生，继续自己的科研之路。（指导老师：唐若晗）

邓述珍，现为华中科技大学中欧清洁与可再生能源学院2020级硕士研究生;

贺奔，现为湖南大学机械与运载工程学院2020级硕士研究生;

梁美，现为南京理工大学能源与动力工程学院2020级硕士研究生;

贺昕兴，现为中南大学能源科学与工程学院2021级硕士研究生;

陈希杰，现为福州大学计算机与大数据学院2020级硕士研究生。