新能源 人体发电 压电技术

能动学院

新能源大作业

题目：人体发电大探索

班级：新能源 1 1 0 2 组员：李寒剑（3110207037）

吴泳（3110207036）

蒋宁（3110207031）

人体发电大探索

前言：在当今这个电气化的时代里，人们生活中每一处都离不开电。目前我们的发电技术可谓是无所不用，包括我们大家都知道的火力发电，水利发电，风力发电，太阳能，光能，潮汐，地热，核能等等。作为新能源专业的学生我们还能了解到一些新新发展出来的发电技术。例如：新新的“温差发电技术”---利用热电转换材料直接将热能转化为电能的发电技术, 具有无运动部件、体积小、重量轻、移动方便和可靠性高等特点, 是绿色环保的发电方式。随着能源与环境问题的日益突出, 温差发电技术在节能领域的应用日新月异, 它是一种合理利用太阳能、地热能、海洋温差、余热和废热等热能转换为电能的有效方式。水泥窑余热发电技术（详见唐金泉.我国水泥窑余热发电技术的现状发展趋势及存在的问题［J］.水泥.2000，11:5-12）、、、、、、然而，在我看来这些新新的发电技术，在选材上面都忽视了一个远在天边近在眼前的能源，那就是我们的人体，本次大作业我小组就是就人体发电进行进一步的学习思考。

一、在此之前也有人幻想过要是人自身能够发电那会是怎样一个情形。我们先来看看人体自身发电的情形。

在意大利罗马南方的一个村子里，住着一位名叫斯毕诺的19岁青年人，他的叔父艾斯拉模斯毕诺首先发现了他的奇异之处：每当斯毕诺来到他家时，他家里的电器产品就会发生故障，而且他身边的床会无缘无故发生自燃，油漆罐也会着火爆炸。英国的贾姬普利斯曼夫人是另一个会发电的人，贾姬的丈夫普利斯曼先生是位电气技师，但他的夫人却时时发电：一旦她靠近电器，电器制品就会损坏，电视会自己转台，灯泡会爆炸。科学家用尽各种办法来研究以求解开这个不可思议的人体发电现象。他们从电鳗的健康与发出电能的相关关系得到启发，纽约州立监狱的南萨姆医师用囚犯做实验，用肉毒菌让被试验者暂时得病，暂时发电的现象在病人身体上出现了这时病人的体内可以检测出大量的静电，不过，病人的身体一旦恢复健康，发电的现象便消失了。这个实验证明，人生理机能的失衡引起了人体的发电现象而韦恩柯尔博士认为，从理论上来讲，约一立方厘米的人类肌肉细胞可以产生万伏特的电压他实验利用冥想在肌肉中产生静电，试验取得了成功其实人人都可能隐藏着会发电的潜力如果照柯尔博士所说，通过冥想就能发电，那么，就让我们在日常生活中多多冥想吧，那样的话，我们的电气化时代就名副其实地来到身边了。但这只是说说而已。

就像上文所述，人体发电一旦真的实现的话，那将会是人类进步史上的一大突破，但是我们不应该寄托在那些微乎其微的个例上面，也不能依靠稍显飘渺的冥想上面，现代工程师们利用人体，正在进行着一次又一次的尝试。

二、利用科学的研究说明方式，也从更加直观更加有条理的角度，我们从人体的各个零部件来说。

2.1首先是人体的一个重要零件---脚。

脚是一个大家较为熟知的器官，也是目前应用较为广泛的一个部位，目前的应用方式主要是如上图所示的三大类。

第一类：压电踩踏式，如图一所示。这种方式是目前真正投入生产使用的一种方式，率先由美国人提出和制造。这种方式主要是采用的压电技术，利用特殊材料在收到压迫时会产生电压的原理而制成，鞋跟部运用的是PZT材料，注重的是在垂直方向的踩踏而产生的电压，脚前掌采用的是PVDF材料，主要是用以采集拉伸变形而产生的电压，如此综合运用压电材料的多重特性，可以说是对压电材料的较为完美的综合利用。但是，由于压电材料本身在能量储存方面的目前技术发展的不足，目前此种发电方式综合能源利用率还是相对较低。

第二类，电磁发电装置。利用人体在行走时踩踏过程中产生的上下运动，形成对磁感线的切割，从而获取相应的电能，如图二所示。这种装置中采用弹性机构，由人体做工来产生相应的切割磁感线的运动，再由弹性机构使得变形回缩，再次产生对永磁体磁感线的切割，从而产生并且得意储存相应的电能。这种方式直接利用了人类较早的产生点的方式，装置简单，价格低廉，电能易搜集，但是由于产生相应的切割装置影响人体行走的舒适度，与此同时，其使用寿命以及相应的维护较为困难，装置位于集中受力部位，容易产生损坏，更会影响人体的正常奔跑跳跃的相应活动，在实际运用中还有相关的一些类问题需要解决。

第三类，惯性能量收集装置。利用人体行走时的惯性来进行发电，如图三所示。在鞋子

的斜面上面可以安装一个如图装置，其中，其

主要作用的是一个偏心选装机构，如右图，同

时设计相关的电磁耦合电路，对其产生的电能

进行采集。此种方式避开的可能对装置产生较

大磨损的部位，同时很好的利用了人体行走时

的惯性，采用较为柔和的能量采集方式进行了

能源的利用，但是，对人体的行走还是有一些

影响，同时对环境的适应性，整体设计等诸多

方面存在着一些问题，能量的利用和储存依旧是一个比较棘手的问题。

2.2说完脚，我们就往上面来一点，来看看现代工程师们是

怎样利用膝盖的。

如左图所示，这是一套利用人类行走时的膝盖部位的弯

曲产生的变形来产生电能的装置，其核心部位是一个压电凸

轮机构。如右下图所示。此设计来源于人体仿生学，利用的

是由一系列运动机构产生和

人体相一致的运动，选择性地

在腿部摆动结束阶段连续地

按压压电陶瓷片参与发电，再

利用运动过程中产生的压力

从而产生相应的电压。核心设

计就是中间的那块三角形的

凸轮，设计者还考虑的凸轮中

压电材料的优化设计，对于不同位置安放压电材料进行了分

析，得出了一些合理设计的方式。（详见姚永刚，姚梦.压电

陶瓷人体能量收集系统的设计与实验［J］.机械设计与研究，