腳踏發(fā)電板

李坤模 許齊瑞 仝翠平 楊志毅 申思遠(yuǎn)

摘要：節(jié)能減排已成為社會發(fā)展的重要課題之一，其中能源的產(chǎn)出和消耗是人們普遍關(guān)心的焦點問題，如何使能源更多產(chǎn)出而更少消耗是當(dāng)今能源研究課題的重。電能便是其中的重點之一，主要存在的問題有能源轉(zhuǎn)化效率低、污染排放量大等問題，近年來，國家加大投入了核電、光伏發(fā)電、風(fēng)力發(fā)電等新能源的投入，未來的趨勢向著能源轉(zhuǎn)化率高且污染量小的方向發(fā)展。

關(guān)鍵詞：腳踏發(fā)電;發(fā)電板;節(jié)能減排

1立項依據(jù)

1.1研究目的

節(jié)能減排已成為社會發(fā)展的重要課題之一，其中能源的產(chǎn)出和消耗是人們普遍關(guān)心的焦點問題，如何使能源更多產(chǎn)出而更少消耗是當(dāng)今能源研究課題的重點，電能便是其中的重點之一。

據(jù)資料顯示，目前我國電能的來源主要以火力發(fā)電為主，主要存在的問題有能源轉(zhuǎn)化效率低、污染排放量大等問題，近年來，國家加大投入了核電、光伏發(fā)電、風(fēng)力發(fā)電等新能源的投入，未來的趨勢向著能源轉(zhuǎn)化率高且污染量小的方向發(fā)展。腳踏發(fā)電板基于能量之間轉(zhuǎn)換的思想，從而實現(xiàn)電能的輸出。

腳踏發(fā)電板綜合能量轉(zhuǎn)換、采集、儲存等技術(shù)，是一種新型的發(fā)電裝置，最根本的原理是利用電磁感應(yīng)定律，從而實現(xiàn)腳踏的機械能到電磁場的磁能再到電能的轉(zhuǎn)化，最終實現(xiàn)電能的產(chǎn)出。

1.2國內(nèi)外研究現(xiàn)狀和發(fā)展動態(tài)

國內(nèi)外都非常重視該項技術(shù)和產(chǎn)品，希望在該領(lǐng)域有較大的突破，緩解日益短缺的能源需求。對壓電效應(yīng)相關(guān)技術(shù)的研究和利用，技術(shù)比較成熟的國家有美國、日本等國家，尤其以日本的技術(shù)較先進。 在上海世博會上，日本館展示了其壓電發(fā)電地板技術(shù)，參觀的人們只要把雙腳輪流向地板踩踏幾下，指示發(fā)電量的指示燈就會顯示出實際產(chǎn)生的電量。此外日本音力發(fā)電公司的發(fā)電地板也有相關(guān)的展示和報道。該公司的發(fā)電地板由每塊面積50平方厘米的發(fā)電瓷磚組成，每塊瓷磚踩一下就能發(fā)出0.1瓦特電點亮周圍50至100個發(fā)光二極管燈泡。

2007年美國麻省理工學(xué)院學(xué)生提出了把人流踩踏地板的沖擊力接收來并轉(zhuǎn)換為電能的構(gòu)想，而后美國芝加哥的自由設(shè)計師在人行道上試驗了4塊2英尺乘4英尺的壓電板裝置，成功點亮了4個發(fā)光二極管。

國內(nèi)近年來進行的壓電材料研究也取得了較好的成果。2009年西安交大研發(fā)出對環(huán)境無害的無鉛壓電材料“鋯鈦酸鋇鈣”，其壓電性能50年來首次超越含鉛壓電材料，有可能引發(fā)工業(yè)界向無鉛材料的變革，解決鉛對環(huán)境的污染問題。然而對于具體的壓電發(fā)電地板產(chǎn)品，國內(nèi)還沒有成熟的技術(shù)和產(chǎn)品，更缺乏相關(guān)的展示和報道。相關(guān)的新材料研制、結(jié)構(gòu)設(shè)計、電能采集和儲存等技術(shù)還需要進行深入、系統(tǒng)的研究。

2研究內(nèi)容

本項目主要的研究內(nèi)容是針對日常學(xué)習(xí)生活中的腳踏振動等機械振動的能量轉(zhuǎn)換及存儲問題。主要研究可以分為以下幾個方面：

2.1研究利用人體踩踏發(fā)電板產(chǎn)生的振動，通過設(shè)計一個踩踏裝置，使踩踏的振動能夠最大效率地轉(zhuǎn)化為機械能，這就取決于發(fā)電板的上表面組成設(shè)計。基本設(shè)計思路為上表面由若干個圖形（如正方形、三角形等，每個圖形為一個微元），在幾何圖形的各個頂角下方放置能量轉(zhuǎn)換裝置（將機械能轉(zhuǎn)化為磁能）。

2.2研究振動的傳導(dǎo)機制。基本設(shè)計理念為設(shè)計一個連接體，通過此連接體將腳踏板上層的振動與下方的永磁體連接起來，從而腳踩的機械振動帶動永磁體的上下振動。傳導(dǎo)體的設(shè)計應(yīng)滿足以下兩個要求：

2.3兩者間的連接體質(zhì)量不宜過重，避免將下方的永磁體壓得過低，不便于永磁體的復(fù)位。

2.4傳導(dǎo)體與下方應(yīng)設(shè)計一緩沖結(jié)構(gòu)（如彈簧），其緩沖結(jié)構(gòu)加上磁體間的排斥作用可以保證永磁體的復(fù)位，進而反復(fù)切割磁感線發(fā)電。

2.5研究永磁體切割磁感線發(fā)電。基本設(shè)計思路為在連接體的周圍放置一繞有線圈的導(dǎo)管，導(dǎo)管底部放置一磁鐵，利用同極相斥的原理，使永磁體能夠懸浮在導(dǎo)管中。永磁體在導(dǎo)管中的上下移動使得線圈的磁通量發(fā)生改變，在線圈中產(chǎn)生感應(yīng)電流。

2.6穩(wěn)流穩(wěn)壓及整合問題，設(shè)計器件和線路使產(chǎn)生的微弱電流能夠穩(wěn)定輸出，通過電路聯(lián)結(jié)使電流互不干擾有序地輸入蓄電池中。

3技術(shù)路線、擬解決的問題

3.1擬解決問題：

（1）發(fā)電地板的發(fā)電效率問題;

（2）發(fā)電地板的防水、防塵、使用壽命等可靠性問題;

（3）多塊發(fā)電地板所發(fā)電能的綜合儲存與利用問題;

（4）發(fā)電地板的性價比問題。

3.2技術(shù)路線：

1. 發(fā)電地板將分為頂層，磁懸浮壓力發(fā)電模塊，底層三個部分：

（1） 頂層由耐磨、防滑、強度高的材料制成，架設(shè)在由磁懸浮壓力模塊陣列組成的中間層上，并用機械結(jié)構(gòu)與其固定在一起。

（2） 磁懸浮發(fā)電模塊由一個中空的錐臺形狀的外殼，頂部一塊可活動的柱狀永磁體，底部一塊圓形固定永磁體，外部纏繞的線圈組成，磁體之間通過同極相排、異極相吸原理，讓中間柱狀永磁體呈懸浮狀。然后通過對永磁體的不斷施加壓力，使頂部永磁體在外殼中上下滑動，讓磁力線不斷切割線圈來發(fā)電，該模塊無機械傳動結(jié)構(gòu)，無聲且無需潤滑，可靠性高。發(fā)電地板的中間層將由數(shù)個這樣的磁懸浮發(fā)電模塊構(gòu)成。

（3） 底層將由電路系統(tǒng)與蓄電池組成，磁懸浮發(fā)電模塊輸出的電流將由底層電路穩(wěn)壓、濾波后存入蓄電池中等待利用。

3.3目標(biāo)：

（1）近期目標(biāo)完成磁懸浮發(fā)電模塊、電路系統(tǒng)、地板結(jié)構(gòu)的原型設(shè)計，制作出模型，并對發(fā)電量、可靠性等參數(shù)進行實驗、測試。

（2）中期目標(biāo)對磁懸浮發(fā)電模塊與電路模型進行改進，做出一塊完整可投入實際生活環(huán)境的可發(fā)電、可蓄電的發(fā)電地板。

（3）長期目標(biāo)經(jīng)過改進做出一塊防水、防塵、耐用、發(fā)電量大、實用、可完全適用于大型多人公共場所的腳踏發(fā)電板。

4項目創(chuàng)新點與特色

4.1該腳踏發(fā)電板具有廣泛的應(yīng)用價值和應(yīng)用前景，能夠?qū)⑸钪袩o處不在的機械能轉(zhuǎn)化為電能，實現(xiàn)機械能量的循環(huán)與再利用。例如可以放置在地鐵閘機口等狹窄出入通道處，可以有效采集路過乘客的能量，把乘客的重力勢能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔軆π钇饋恚渌娜丝诿芗幰彩茄b置安裝的理想地點。

4.2此裝置在轉(zhuǎn)化與儲存能源的過程中不會產(chǎn)生任何的環(huán)境污染，它可以廣泛應(yīng)用于樓道、地鐵站等人密集的地方，產(chǎn)生的電能可與照明等聯(lián)系在一塊。本裝置與風(fēng)力發(fā)電、水力發(fā)電等模式類似成功實現(xiàn)了能量的無污染化處理，本設(shè)計就可以通過每個人自身微小的做功達(dá)到電能生產(chǎn)與儲蓄的大效果。

4.3此項目的應(yīng)用符合節(jié)能減排以及綠色環(huán)保的原理的理念，能夠為緩解能源危機貢獻力量。本產(chǎn)品亦可推廣到海關(guān)安檢、公園門禁等地，實現(xiàn)上述場所節(jié)能減排的目標(biāo)，達(dá)到國家節(jié)約能源的目標(biāo)，符合綠色環(huán)保與新能源開發(fā)的要求。

4.4性價比高，方便維護，造價低廉。已有的壓敏陶瓷發(fā)電和線圈發(fā)電，均是應(yīng)用行人重力勢能轉(zhuǎn)化為電能發(fā)電的原理，然而其造價成本比本設(shè)計的發(fā)電裝置高，能量轉(zhuǎn)化效率較低，投資回收困難，不能為社會帶來可觀的環(huán)境收益。

4.5設(shè)計簡潔、構(gòu)思精簡。本裝置的設(shè)計采用最原始的發(fā)電原理思路，通過對電感、磁鐵、線圈等有機組合實現(xiàn)機械能量的極大轉(zhuǎn)化，構(gòu)思精簡，設(shè)計上也較為簡潔，但是突破了現(xiàn)有的發(fā)電傳統(tǒng)思維，具有一定的創(chuàng)新性，值得被改善與推廣。

5項目預(yù)期成果

該項目實際實施之后，能夠?qū)崿F(xiàn)對于腳踩這一簡單的機械振動轉(zhuǎn)化為可利用的電能的目的。在人口密集的地方，如教室的出入口以及宿舍的樓道處應(yīng)用此裝置可以實現(xiàn)電能的輸出，和樓道燈、教室燈等結(jié)合以達(dá)到節(jié)能減排、綠色環(huán)保的預(yù)期目的。

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