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，

2011.12,27（6）：34-36 .）此设计极具现实意义，非常适合给假肢以及便携式医疗设备进行充电，但是关于此装置的结构强度以及相应的设计还是有一些值得进一步完善的地方，例如，整体设计中关于整个机械的重心不是始终和人体的重心相协调，以及关键装置过于集中，辅助装置设计结构简单但是体积过大等问题还需要进一步实践中进行检验。

2.3再往上面去一点是什么部位呢？没错，就是到了我们的大腿（在这呢，就权当是真条腿吧）。

对于整条腿来说呢，其实在利用方面还是要再三思量一下，因为虽然说腿是我们日常行为中，非常关键而且是运动幅度非常大的部位，然而相对于整条腿来说，要是简化一下就是两根长短相等的棍子，运动的方式是来回的摆动。从上面的集中发电方式的介绍我们也不难看出，利用的就大多数是变形为主的机械

运动，这个和人体机构及其相关，对于腿

来说，从简化模型来说，变形是不太合适

了，所以我们的设计师们采用了和机械运

动相关的方式，切割磁感线。具体的相关

装置可有下面的几个图片上面介绍可知。

左图为设计图，右图为原理图。从右图可以看出，如图设计是利用永磁体以及线圈在有人体产生的相对运动带动下，产生相对运动，从而产生相关的切割磁感线的运动，产生相应的电流。上图装置是运用在医学上面，为了器官移植以及电子心脏等体内供电器官而设计的，为移植在人体内部的发电装置，通过一系列的分析结论得出一直在小腿是较为合理的部位，同时又因为这个装置体积小，质量轻，集成度高，原理简单，在现代医学中有着很好的运用前景，解决了病人可能需要的多次手术更换体内装置的痛苦，也让身体成为电源，让自己的运动完成自己身体所需，真正的“自给自足”。但是装置也存在一些不足，如图，目前该装置的实物还是稍显笨拙，装置依然存在着可能的损坏问题等等。

2.4对于人体中的腿，其实利用的方式还有很多，主要是因为腿是人体行为最为剧烈的部位。当今还有很多的现代运用也利用到了腿部的运动。

例如，在日本繁忙的地铁站，有两块专门的压电发电板，上面会准确的显示电量，并且还会将储存的电量用于照明播音等等；在荷兰，有一家酒吧利用压电技术，宣称成功降低能耗30个百分点；一种新型个人步行器在美国问世。它不需外加能量，完全靠弹簧和杠杆的连动作用，能行进30 km/h 。一般人在行走时，所付出的能量总有一部分要浪费在垂直运动上。步行器则不仅能加大步幅，而且能避免能量浪费。在行走时，步行者脚的作用力通过缆索、滑轮和杠杆传递到高能弹簧，导致弹簧伸缩，弹簧伸缩产生的能量再传递到机械腿，以达到行走的目的。这里弹簧的作用是贮存能量并在下一步释放，将人抬高，弥补了行走时垂直运动所消耗的能量；在一些较为先进的商场等公共场合，科学家设计出一种利用步行来发电的新装置。他们将这种装置埋在公共场所的地毯下，上面是一排踏板，当行人踏在上面时，体重压到板上，使与之相连的摇杆也被压下。摇杆从一个方向带动中心轴旋转，从而带动发电机发电。 当众多行人连续在踏板上行走时，摇杆不断被压下，使中心轴不停地转动发电。这种装置所发出的电可以用来照明和驱动电风扇等等。对于腿部的利用更倾向于综合的运用，设计师们的设计在获取能源的同时，也帮人们设计好了怎样跟好的生活。

2.5再往上面去是什么了呢？来说说我们万能的手吧。

可能有些人还依稀记得有一种手电筒，只需要手握一握就能够发光发亮，还能够坚持一小段时间，虽然光的亮度不是很高，但是在一些特殊的场合

还是很能派上用场的。下面来较少一种手摇式发电的手电筒。

左图为电路图，右图为设计图。通过左图我们就可以得知，上线摇晃手电筒，就可以使永磁体发生相应的想多运动，从而产生电流，供手电筒照明。由于采用了超亮度的发白光二极管并且有镜片聚焦亮度和射程大于只使用聚焦电珠的五号电池手电筒。但这个电筒亦有个显著的缺点就是要不停地摇才能不断地发光。为了克服这个缺点和节约成本设计师没有采用镬充电池增加储能而是在Cl 两端并接两只CR2032锂电池。实践证明由于这个电筒的耗电t 量约为30mA 新的电池可以用较长的时间电量不足时摇动电筒又能用上一段时间反复多次后电池完全失效后取下电池仍然可以继续工作。如果经济条件许可将电池换成锂充电电池，那是最理想的了。上述手电筒的设计技术目前来说是在人体电能运用当中科技含量相对较低的了，但是也是目前为止适用范围最广制造成本最低的运用，毕竟人类的手是最为灵活的。

2.6

我们再来看一个和手有关的人体发电运用的例子。

199 8年12 月,一种能利用人体体温和气温之间的温差发电的手表在日本问世这种世界首创的名为THERMIC 的手表,采用了“运动”和“光”以外的所谓第三种能源“热能”。据说假设人体所发出的热量能够10%地得到利用的话,可以点亮一盏60W的电灯泡充分利用人体所发出的热能,是这次研制开发的初衷。两家“精工”经过3年的努力才终于获得成功,使该产品得以问世THERMIC 手表的发电原理是利用早就为人熟知的“温差电现象”金属材料或半导体材料的两端存在温差就可产生电压。这种原理是在1821 年由德国物理学家塞贝克发明的。这个原理除了用作行星探测仪的电源等宇宙开发项目之外,还用于将工厂及发电站的余热转换成电力的研究等方面THERMIC 手表所用的发电原材料是以秘和蹄的化合物为主要成份的半导体。只要两端的温差有1℃的话、就能产生约为O2 m V的电压。再将这些半导体串联,就可以产生较大的电力。在该手表底盖和表盘之间,存放有上千个串联在一起的长方形半导体棒。这些半导体棒的横截而为边长008m m的正方形,长为06 m m。通常气温和体温之间只要有10 ℃温差的话,就可以产生与普通干电池相同的1SV电压。但是,如果长时间搁置不戴在手腕上或是在热带地区气温和人体体温相近的情况下,由于没有了温差，手表也就不能发电。为克服这一缺点，手表内部设有自动储存电力的功能完全充电后手表可以持续走动10 个月。每只手表出厂时都经过完全充电。当温差渐渐消失的时候首先是秒针停止转动。其后若在3天内不被充电的话所有的表针都将停止转动这样设定的优点是可以减少能量的消耗,若你想知道现在的时间,只要按下一按钮,指针就会立即转动,指向现在的时刻。

目前还有很多对于人类手发电的应用，但是很多都是很低效的运用了这方面的资源，目的是为了在特殊环境下面很好的使用现代工具，说句稍微不怎么动听的话就是复古式的发电。例如现在有人发明了手摇式的发电机，信号接收器等等，其实这些运用都是有些刻意为之的倾向，况且人类的手是在人类生活当中起着至关重要的作用的，所以解放手才是关键。

2.7再往上面说呢，就到了人体最为关键的部位了----心脏。玩的就是心跳。

2006年12月，英国工贸部宣布启动一项开发体内微型发电机的计划，投资额高达百万英镑。该项目的设计工作大部分由南安普敦大学附属的一家公司负责。该公司已经研制出了一套原型，小约是预期装置的5 倍，并已在实验室中开始测试。公司首席执行官罗伊·弗里兰表示，他们分别从心跳以及肢体运动两个方面来研发这种利用人体动能发电的装置，但出于商业考虑，他不肯透露有关发电机工作原理的具体细节。

这个研究项目的带头人、英国桌联（Zarlink ）半导体公司商业开发部经理马丁·麦克休说，他们的最终目标是制造一个直径6 毫米、长20或30毫米的发电设备，大小与烟头相当，输出功率达到100 微瓦—150 微瓦，可以驱动心脏起搏器或者生物传感器，并希望这样的装置能够在 5 年内上市销售。

另一种将动能转化为电能的方法是利用压电效应。压电敏感元件受到外力作用时就会产生电流，但由于材料的脆弱性以及输出功率有限，其开发前景并不被看好。

不过，美国佐治亚理工学院的研究人员在这方面仍取得了一定的突破，并于2007年4 月公布了他们研制出纳米发电机的消息。发电机的基座上垂直密布着无数根直径只有40纳米的氧化锌电线，电线顶端覆盖着一块导电板，即使向导电板施加很小的压力，氧化锌电线也很容易发生弯曲，从而产生电流。

研究小组负责人王中林表示，氧化锌导线长短不一，只有不到1%的导线能够接触到导电板并参与发电。到目前为止，这款纳米发电机的输出电量只能达到几皮瓦（1 皮瓦=百亿分之一瓦），随着制作工艺的改进，其效率还将大幅提高。他相信，在两到3 年内，他们就

能够开发出具有实用价值的发电设备。他希望将来能够借助人体血管搏动或者肌肉运动产生的微小压力来形成电流，甚至还可以将这种纳米级的发电机植入胸腔，在不与心脏器官接触的情况下，将跳产生的动能转化为电能。由于这些研究都是出于科技前沿的东西，而且又是极其机密，所以在这方面的资料较为有限，但是这还是为我们指出了一条道路，人们可能在不久的未来，开始从自己的身体上面“剥削”能源来为自己所用。

2.8和心脏离得不远的是呢，就是我们的背啦。下面来看一组现代设计师们的设计。

设计的是一种基于人体重心波动变化的“被动”发电Array背包。其主要利用人体在行走时的重心往复波动，带动背

包内外背架发生相对运动并通过背架振动频率等于步行频

率而实现共振，从而实现背包两侧带增速机构的电机能在

较大转角范围内转动，并通过低功耗整流、滤波、稳压与

电源管理电路将波动弱电流存储于锂电池中。同时通过充

电电路实现USB接口充电，以此充分利用人体运动过程中

重心波动浪费的能量。

三、对于人体发电说到这也应该总结一下了，就用一张图来稍微概括一下。

（上图来源于网络）

这样的人看上去很是帅气，但是仔细看一下却透露着生层次的悲哀。

人体发电对于普通人来说或许真的是一个很新颖的创意，不过，人体发电既然有如此多的优点，那为何不大力发展呢？这句话说起来轻松，但做起来却不容易。在科学界，无论是从技术还是从伦理，科学家们都在进行着积极的探索。就生命发电本身来说，尚存在着很多的问题。

首先是电力微弱。人体发电的电力相当微弱，特别是若指望一个生物体产生的能量来驱动大型电器，显然就是奢求了，充其量也就是可以为随身的小型电子设备，像是手机或mp3这些小件充电，而且前提还是要持续不断供电。

其次是发的电不易收集。驱动电器工作需要有电池来储存电量，这个设备不能太过于沉重，最好是发的电能够实发实用，而不要再增加额外负担。

再次是电力不稳定。刚才我们说过要想支撑小型电器需要源源不断“发电”，热能还好说，但是走路毕竟不能永不停歇，这也就造成了无法持续供电。

第四是范围有限，我们的发电除了个人自给自足外还能惠及周边吗？恐怕很难，在身上再扯出一根电线不仅不方便也不美观，最重要的是电量也不足以大范围使用。

另外，生命发电还存在着伦理上的争议。在大力推进这一技术前，我们还需要进一步思考人类存在的意义和价值，是否我们就是为了那些用电器而存在的呢？究竟是机器服务人类还是人类服务机器？在电影《黑客帝国》中，强大的人工智能生命饲养了人类，依靠人类的生物电作为能源维持自身的能量，在这里，人类已经沦落为机器的奴隶。

但是，从长远来看，特别是能源枯竭、价格昂贵的大前提下，生命发电是一个很诱人的发展前景。把我们的身体从上到下扫视一遍，有很多方式都可以是电能的来源，比如呼吸、体温、心跳、脉搏、酶解反应甚至血液流动都有可能转化成电能。因此，面对着身边林林总总的用电设备，我们再也不必为了没电而担心或烦扰，只要我们还存在，我们就是终极电源。

四、参考文献

（1）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 （2）李君.吴少华.李振中.趁超临界燃煤发电技术是我国目前发展洁净煤发电技术的优先选择［J］.中国电力.2004，9:13-17

（3）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 （4）谢进，万朝燕，杜立杰.机械原理（第二版）.高等教育出版社，2009.

（5）管志光，庄伟，林明星.人体重心动态测试系统的研究. 1001-747X(2oo7)1)5-0048-03. （6）徐泽刚.谢少军.人体动能收集的发电装置研究.［J］.常州工学院学报.2007

（7）姚永刚.姚梦.压电陶瓷人体能量手机系统的设计与实验.［J］.机械设计与研究.2011，12：34-36

（8）刘鸿文.简明材料力学［M］北京: 高等教育出版社，2002

（9）程光明，庞建志，唐可洪，等.压电陶瓷发电能力测试系统的研制［J］.吉林大学学报( 工学版) .2007,37(2):367-371

(10)韦晓娟，刘静，周一欣.人体动能驱动的可植入式电磁感应供电方法研究［J］.Review. 随着我们看问题的深入，关于生命电源的问题我们做了一份简单的问卷调查。调查表如下。