一種新型組合式踩踏壓電發電系統*

□ 王亞男 □ 楊 琨 □ 張 琦 □ 李延偉

武漢理工大學 能源與動力工程學院 武漢 430063

荷蘭的 ThadStarner 等人［1、2］利用壓電陶瓷收集的運動能量來驅動筆記本電腦，開辟了壓電發電與能量儲存這一新的研究領域。用壓電陶瓷制成的發電裝置具有無污染、體積小、結構簡單、成本低的優點。但由于壓電發電產生的是高電壓、低電流，并且在單位空間內壓電陶瓷產生的電荷量是有限的，故無法為電量需求較高的電路充電。因此，提高有效空間內的壓電發電量并將其儲存起來進行利用成為亟待解決的問題［3，9］。目前對于此問題的解決方案主要是從材料和振子的分布方面來研究，如近年來出現的新型壓電材料PVDF、壓電光纖［4］，較之前的壓電陶瓷具有更好的柔韌性和更高的壓電轉化效率；采用并聯式的疊堆方式能使輸出電流增大，采用串聯的方式可使電壓增大。

人的踩踏可以產生較大的沖擊力，同時也具有分布密度大的特點，所以收集踩踏力產生的勢能將其轉換成電能具有較大的收益。本系統利用新型的壓電材料，從壓電發電裝置的設計和壓電發電裝置產生電量的存儲兩方面入手，設計了一種應用于人流密度較大場所的組合式踩踏壓電發電系統，并嘗試利用其對充電要求為3．7V、500mA的鋰電池充電。

1 工作原理及組成結構

筆者設計的組合式壓電發電裝置，是將踩踏時產生的沖擊力作用于壓電部分，推進壓電部分進行往復工作。為提高有效空間內壓電部分的發電能力，采用了基于拉密定理的機械傳力振子，從而使作用在壓電片上的力更大，提高了壓電部分的發電效率。同時，應用了磁電發電，進一步提高了剩余空間的發電利用率。

組合式壓電發電系統由壓電發電部分、磁電發電部分以及調節充電電路組成。

1．1 壓電發電部分

影響壓電發電電量的主要外部因素是壓電陶瓷所受擠壓力的大小，傳統的振子設計方案有懸臂梁式［5］、直壓式［6］、扭矩振子式［7］、鈸型片式［8］等。 為提高壓電發電效率，筆者采用了與之前不同的楔形振子傳力的方式，具體結構如圖1所示。

▲圖1 壓電部分傳力結構圖

踩踏力沿A方向作用在中心的機械振子上，通過楔形墊片將力分解到B方向上。其中，中心的機械振子采用了上半部為圓柱體、下半部為圓弧形的結構，其目的是減少與P面的接觸面積，降低摩擦力，也避免了中心機械振子與楔形墊片過早接觸而引起上端應力集中的問題。同時，通過理論計算和實驗得出，當對應六組壓電疊堆、楔形墊片的角度選在9～10°之間、受力點處于距P面下端2/5處時，壓電片上所受的力（B方向的力）與踩踏力（A方向的力）近似相等且分布均勻。位于機械振子深孔內的彈簧，其作用是為機械振子的復位提供回復力，從而使機械振子在踩踏力的作用下可以形成往復運動。位于最下端的托盤，其目的是，一方面利用其上端的小凸臺，固定彈簧避免其錯位，另一方面利用其與導軌的高度差來抵住楔形墊片，避免其在A方向的力施加下來時，產生下端翹起的現象，以固定楔形墊片。中心的機械振子通過其上端的螺栓孔與上殼相連，方便裝拆。選擇托盤厚度時，應考慮到導軌的厚度，因為楔形墊片與壓電片是放在同一導軌上的。在實際安裝時，應該在P面上涂抹潤滑脂，以減小機械振子工作過程中與P面的摩擦力，使振子工作更流暢。

▲圖2 力放大原理圖

圖2所示是力放大原理圖，其中分解后的力與未分解的力在采用楔形墊片傳力后，其大小是近似相等的，但兩者所對應的受力面積不同，作用在單位面積上的力也不同。在給定空間（φ120mm×21．5mm的圓柱體）內，對一定數量的壓電片作用時，采用此傳力結構，可以使水平放置的壓電片極化面上單位面積的受力，相比沒有中心機械振子而直接壓在豎直放置的壓電片極化面上，單位面積的受力提高了3．2倍。

1．2 磁電發電部分

磁電發電部分主要是針對發電裝置內的剩余空間所設計的，它應用了切割磁感線的原理。當壓電部分的中心機械振子運動時，帶動上殼內壁上的線圈切割磁感線，從而產生電能，其結構如圖3所示。

此磁電發電部分在給定空間為 φ120mm×21．5 mm、φ0．11mm×240 匝漆包線的條件下工作時，可以產生5．28V、0．138A的電能輸出。磁電發電占總發電量的24%左右，壓電發電占總發電量的76%左右。

2 調節充電電路

▲圖3 磁電部分結構圖

壓電部分與磁電部分產生的電流均具有瞬時性和不穩定性，并且壓電部分產生的是高電壓、低電流的電能，磁電部分產生的是低電壓、高電流的電能。為將其整合后統一穩定輸出，本系統采用的方法是，先將壓電部分、磁電部分分別調節至穩定后，然后存入同一超級電容內，再統一輸出。

在壓電部分，先通過降壓增流電路調到充電電路的輸入范圍內，再進行具體調節，充電電路板的電路圖如圖4所示。

該電路具有過充電壓保護和過放電壓保護，同時也具有充電飽和指示等功能。對于磁電部分，單獨使用一個簡單的調節模塊，將電能調至穩定后，再與壓電部分產生的電流導入同一電容中。選用的超級電容的容量較大，可以起到瞬時儲存電能的作用，同時減少不連續充電時對實際充電電池造成的損害。

3 實物展示

▲圖4 壓電部分充電電路圖

圖5 組合式踩踏壓電發電裝置實物圖

組合式踩踏壓電發電裝置的實物外型如圖5所示，其工作過程為：踩壓裝置時，上殼帶動中心機械振子對四周的壓電疊堆進行周期性擠壓，產生電能；同時，上殼下降時帶動殼內壁的線圈向下運動切割磁感線，也產生電能。通過調節充電電路，將這兩部分電能調至穩壓后存儲在同一超級電容中。本裝置占用空間小，結構簡單，完全密封，單位空間發電量高，可靠性好，而且只需要體重為60kg的人將其踩下 5～7．5 mm （此范圍在人體感覺到下陷的范圍內），便能使裝置內部的6組壓電疊堆產生最大為158V的電壓，磁電部分也同時正常工作。通過充電電路將產生的電能調至穩定后，存入超級電容中，然后為3．7V、500mA的設備充電。

4 實驗結果與分析

影響壓電部分發電量的主要外界因素是壓電片上的受力大小、均勻分布程度以及激勵力的頻率等，圖6所示的是在15kg沖擊力的作用下得到的發電情況。

▲圖6 壓電部分發電電壓信號圖

▲圖7 磁電部分發電電壓波形

從圖6中可以看出，對壓電部分的傳力振子在某一時刻施加力的時候，壓電片受力變形，產生一個峰值電壓；壓電振子不再變形時，電壓減小到零；撤去載荷時，壓電振子恢復變形，產生反向的峰值電壓；變形完全恢復時，峰值電壓又減小到零；所產生的峰值電壓為40．8 V。

對于磁電部分，影響因素是激勵力的頻率及作用幅度等。當中心的機械振子往復運動時，帶動上殼運動，使上殼內壁的線圈切割磁感線，產生電能。在給定空間為 φ120mm×21．5mm，φ0．11mm×240 匝的漆包線的條件下，其發電情況如圖7所示。當壓電片被迅速下壓時，磁電部分可以產生5．2V的電壓，向上彈起時，由于彈起的力度不大，導致其頻率較低，故產生的電壓在-0．2V左右，該現象可以通過適當調節彈簧的剛性來改善。

5 總結

對發電裝置的機械結構和電能調節電路進行了試驗，試驗結果表明，該發電系統的壓電部分最大可以產生158V的電壓，磁電部分可以產生約5V的電壓，通過調節充電電路，將電能存儲在超級電容中，待使用時再集中放出。該裝置具有結構簡單緊湊、發電量大的特點，可以放置在踩踏密度較大的區域，為手機、USB充電設備以及應急燈供電。

［1］ 電子陶瓷情報網．壓電陶瓷應用［M］．濟南：山東大學出版社，1986．

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