壓電技術在步行集能中的應用

文／吉林建筑大學 李正安 張飛軍

長春工程學院 徐廣彬

0 引言

2014年，交通運輸部提出了與交通運輸科學發展目標相符的四大戰略任務，即開展全面深化改革，加大綜合、智慧、綠色和平安四大交通任務的快速完善[1]。因此，為實現綠色交通的目標，在城市行人密集區收集行人步行產生的能量，通過相應的技術手段將其轉換為監控、照明及通訊等設備供電所需的電能，成為了各國學者近年關注的重點熱點課題[2]。

1 步行壓電技術應用現狀

1.1 國外應用現狀

日、美、歐等發達國家對壓電集能系統進行了較長一段時間的研究，在步行壓電集能方向取得了較多的應用成果。

日本音力公司設計發明了一種可用于轉換行人步行振動機械能的發電地板，行人每踩踏一次即可產生0.2W左右的電能。東日本旅客鐵道株式會社曾在東京火車站安裝了“發電地板”，進行了收集使100W燈泡發光0.1s的電量試驗[3]。

美國喬治亞理工大學Orr等[4]利用壓電效應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]都針對行人交通研發出了用于收集步行能量的壓電裝置并對其進行了多次測試。美國麻省理工學院James Graham等[6]曾利用動力壓電地板收集火車站人群步行產生的振動能量，發現行人每踩踏一步便可使兩只60W的燈泡亮1s。Shenck等[7]將微型壓電發電系統植入行人的鞋內以收集行人步行時的振動機械能，結果表明在0.9Hz的行人步頻下，壓電發電鞋的平均輸出功率為1.3mW。麻省理工大學Kymisis等[8]探究了三種可以放于鞋底的壓電能量收集裝置，用于分析行人荷載下的能量轉換。

1.2 國內應用現狀

我國也曾圍繞步行壓電技術進行探索，并進行了相關的模擬試驗，研發出適用于分析行人步行壓電集能的實驗設備，目前還處于研究的初期階段。

2011年，中科院上海硅酸鹽研究所曾在上海黃浦區南京路行人密集區安裝過其開發的壓電地板，只要行人在上面踩踏或者奔跑便可產生電能，它也是我國第一個利用壓電技術原理制成的發電地板[9]。大連理工褚金奎等人將壓電換能單元安置于鞋底，收集行人步行踩踏過程中產生的能量并用于發電。馬雪芬、施建波[10]等設計出了能夠發熱的保溫壓電鞋，將蓄電池和壓電發電設備結合置于鞋內，通過收集行人運動產生的能量為足部供暖。長安大學的張寶亮等[11]針對行人步行產生的機械能，利用壓電效應原理研發了一種換能裝置并將其運用于人行天橋融雪方案中。北京交通大學的梁林峰和商程宇[12]等人也都設計出了可用于收集行人荷載能量的壓電俘能器。

可見，國內外大多數對壓電技術的應用研究主要側重步行踩踏系統開發，鮮有針對行人步行能量的采集及應用方面的研究。因此，根據壓電技術原理入手，分析步行壓電技術實現方法，對于城市道路中行人密集區照明、監控等設備供電具有重要意義。

2 步行壓電技術原理

在城市行人密集區應用壓電技術，是通過收集道路振動能量的壓電換能單元，利用正壓電效應原理，實現行人步行振動機械能向電能的轉化。步行壓電集能技術是基于壓電效應原理，利用行人踏走過程中自身重力做功，形成步行動荷載并對道路造成的低頻率振動，通過壓電換能單元將行人步行產生的振動機械能轉換成電能，實現城市道路行人密集區壓電技術應用目標。

2.1 壓電效應

自然狀態下的壓電材料，其內部電荷的分布處于平衡狀態，在受到外來作用力下，壓電材料內部帶電粒子發生了相對位移，一定程度造成了電介質的總電矩改，產生了壓電效應[13]。正壓電效應，是指機械能轉化為電能的過程；逆壓電效應是指電能轉化為機械能的過程，即通過施加電場的作用能夠使壓電材料發生結構形變的現象。具有正壓電效應的壓電材料同時也一定具有逆壓電效應。

2.2 壓電方程

壓電方程[14]是用來描述壓電效應原理的一種數學模型，它反映了壓電單元所受應力、應變與電位移、電場等物理量之間的關系，是壓電能量轉換研究的重要參考依據。

步行壓電集能的目的是為了將行人經過路面時產生的機械振動能量轉變為電能并對其儲存利用，其工作時的狀態符合正壓電效應。此時可以運用壓電方程（2-1和2-2）對其進行表述：

式中，D表示電位移；E為電場強度；S為應變張量；T為應力；sE為壓電材料在電場下的彈性模量；d為壓電常數，dt為d的轉置；εr為壓電材料在應力作用下的介電常數。

2.3 行人步行荷載

壓電單元在外部荷載作用下具有一定的機電轉換功能，行人步行產生的能量可以通過壓電單元實現。而步行荷載是壓電方程的一個重要力學參數，是指行人行走時人體對地面的作用力，它是導致道路結構內部產生應變能和動能的主要來源之一，其大小作為對壓電單元轉換出的電能大小有直接影響[15]。因此，基于行人步行荷載進行了行人壓電集能系統設計。

3 系統設計

行人壓電集能系統設計是利用壓電技術原理，將行人踏走產生的行動荷載轉化為電能，從而滿足城市道路行人密集區低能耗設備供電需要的系統設計，具體構成如下：

圖1 城市行人密集區步行壓電集能系統構成圖

4 結論

壓電技術具有廣闊的應用空間和發展前景，目前已在部分行業有所應用，但在交通運輸工程領域應用較少。各國針對壓電技術展開的研究內容不盡相同，但原理基本一致，其主要區別在于壓電器件的工作模式、應用環境和能量采集等方面。換言之，步行壓電技術作為一種可再生的新型節能技術，可以將行人荷載作用產生的機械能轉化為電能。尤其是在人流密集的城市道路中，通過壓電技術采集行人步行時產生的能量，不僅可以滿足微小型電子元器件的用電需求，形成路用設備的自供電模式，緩解用電壓力，而且能夠節約資源、減少道路建設成本，符合節能減排、綠色環保的“建設節約型社會”建設理念，順應了我國可持續發展的要求。