基于雙能源循環系統的發電地磚

劉 毅，黃沖沖，鄭寶柱，李 娜

中國礦業大學銀川學院，寧夏 銀川 750000

0 引言

利用道路發電的研究工作在國內外起步都較晚，但在研究人員的不懈努力下，道路發電取得了一定的成果。隨著科學技術的飛速發展，發電地磚也得到了技術改進，但是現有技術發電地板以壓電模式為主，并且處于較低水平，成本極高、發電效率低、輸出功率小，還不能進入商用階段[1]。

1 研究方法

1.1 文獻調研

2009年，坎貝爾·庫克所設計的原型地磚，受到了媒體的廣泛關注，經過技術改良和完善后，所設計的地磚長60 cm、寬45 cm，一旦有行人踩踏在地磚上，其轉換成的電能有5%將被收集起來用于點亮一個LED燈，而剩余95%的電能可用于其他用途，或者儲存在電池中。當大街上人來人往時，踩踏所產生的能量很多都將被收集起來加以利用，而這些行人可能都不知道自己正在為發電做貢獻。這種地磚還附帶防水功能，能夠在雨雪天氣和冰凍環境下使用。每一塊地磚的使用壽命約為5年[2]。

1.2 實地問卷調研

以走訪調研的形式了解發電地磚實際應用的情況和安裝方式。調查將發電地磚用于人行道、商場地面的可行性。調查數據顯示，該地磚的優點是容易清理、不易藏污、無污染，防火、防水、防腐性能好；缺點是熱得快、涼得更快，成本高、鋪裝復雜、施工煩瑣。

發電地磚由玻璃鋼和可回收再生的材料制成。地磚的綠色表面材料為回收再生的透明塑料PVC，內部壓電元件則使用再生鋁制造，而且產生電能的過程沒有污染，經久耐用[3]，可以用于人流密集場所。

2 模型建立

2.1 結構組成

模型主要由踩踏板、套管、復位彈簧、太陽能板、蓄電池、齒輪組、支撐軸、線圈、空心圓永磁鐵、飛輪、整流器、LED燈、濾波電容組成。

2.2 軟件建模

用三維仿真軟件UG NX12.0對磁電轉換機械結構進行建模，在新建的基準坐標系YOZ平面內選擇草圖界面，繪制輪廓，約束尺寸，繪制圓弧完成草圖繪制；返回基準坐標系YOZ進行回轉拉伸等操作，在指定區域（如套管、齒輪等）進行布爾求差，然后將模型存為.x_t通用格式。

2.3 模擬性能分析

結合實際考慮，齒數增加，其直徑也隨之增加，故主動輪齒數定為45～120齒，因增速齒輪速比小于1，為使傳動效率最大，從動輪齒數固定為最小值，為8齒。

式中：l為傳動比；z2為從動輪齒數；z1為主動輪齒數。

根據式（1）計算得出傳動比繪制成折線圖，如圖1所示。從圖1可以看出，隨著齒數增加，傳動比不斷減小。根據齒輪組配齒理論可知，一對齒輪的齒數盡可能彼此沒有公約數（1除外），且兩嚙合的周期越長越好，倘若不是，將加劇磨損，從而縮短使用壽命。由此可得，主動輪齒數為79齒，從動輪為8齒，無論從尺寸還是傳動比方面看都是最優選擇。

圖1 性能分析圖

2.4 材料性能分析

考慮到盡量不影響太陽能板吸收率，通過反射程度衡量板面材料。反射率可通過其折射率進行計算，兩者關系如下：

式中：R為反射率；n為折射率。

鋼化玻璃折射率n=1.473，通過式（2）計算可得，反射率為3.6%。PVC的反射率為4.5%。

根據式（2）計算出鋼化玻璃與PVC反射率都比較小，說明透光率大，透明性好，對太陽能板吸收率影響小。

3 硬件電路設計

3.1 設計思路

磁電轉換輸出5 V 0.12 A交流電，需AC/DC整流后與太陽能板18 V 20 W串聯，對內置充電電池進行充電儲能，四組LED發光管并于電源側，串接電源開關。因為踩踏產生電能波動較大，所以將一大一小兩個濾波電容并聯，以獲得更大的濾波頻段。大電容濾除低頻波，小電容濾除高頻波。電容值與濾除頻率的平方成反比。該電路選用 2 200 μF、100 μF。

3.2 硬件電路圖

BAT1模擬太陽能板輸出18 V直流電壓。交流發電機模擬磁電轉換機組輸出5 V交流電壓。全橋整流器交流電源正負半周變化，因二極管D1、D2、D3、D4單向導通性，在負載上便得到全波整流電壓[4]。C1、C2并聯濾波電容2 200 μF/100 μF，用來濾除交流成分，使輸出直流更平滑，提高濾波電容的工作效果。D6、D7模擬負載，D6為LED并聯燈組，由主電路直接控制，當兩個電源只要有一個工作就會通過LED顯示，可以作為檢測電路好壞的指標之一。D7模擬負載如路燈、廣告牌等直流用電設備。B1模擬蓄電池組，通過主電路完成充電任務，當合閘后為D7供電。接地、R1、D5都起保護作用。整體電路結構如圖2所示。

圖2 硬件電路圖

4 實物搭建

4.1 預期效果

通過總發電量衡量發電地磚的實用性。其計算式為

式中：W為發電量；t為發電時間；U為總電壓；I為總電流；cosφ為功率因數。

通過式（3）可得，每塊地磚總裝機發電量約為每天1.12 kW·h，對200 W路燈可持續供電5 h，對廣告牌1 000顆LED燈可持續供電10 h。

4.2 裝配順序

裝配順序如下：距上頂板安裝內套筒1，距下底板安裝外套筒2，套筒空心處安裝復位彈簧。安裝三組夾角120°的磁電轉換機組架，上頂板面覆蓋太陽能板并用塑料透明PVC防滑墊結合鋼化玻璃保護。

4.3 功能流程

地磚功能流程如圖3所示。太陽能、動能作為雙能源輸入，其動能經磁電轉換裝置轉換為交流電，再通過全橋整流器整流為直流電。直流電經過濾波電路去除諧波等干擾因素，為蓄電池充電和LED檢測氛圍燈直接輸出。蓄電池作為直流用電設備供電，用電設備若在地磚周圍發出可見光可直接被太陽能板再次吸收循環利用，從而實現動能→電能→可見光→電能的雙能源循環。

圖3 地磚功能流程圖

5 結論與展望

文章所設計的發電地磚以雙能源循環系統為基礎，采用太陽能與磁電轉換雙能源發電方式，實現每塊地磚總裝機發電量約為每天1.12 kW·h，對1 000顆LED廣告牌持續供電10 h，可安裝于人行道、辦公樓等人流密集場所。對于并網的實際要求，系統是否需要更新以及現有技術是否能夠滿足要求，都有待于進一步的研究，更先進的能源轉換系統以及更完美的傳動效率比也有待進一步探索。