基于压电陶瓷的人体踩压能量收集及利用装置

基于压电陶瓷的人体踩压能量收集及利用装置

作者：邬登金刘牛赵肖宇陈泽瑾哈龙

来源：《山东工业技术》2015年第14期

摘要：压电陶瓷经过人或车辆踩压发出微弱不稳定交流电，根据此特点制作了基于压电陶瓷的人体踩压能量收集及利用装置，此装置包括储能和利用两部分。在储能方面，设计了能量收集模块，把压电陶瓷发出的交流电整流后存入超级电容中。在能量利用方面，此装置实现了多种利用方式：可通过USB接口为多种设备供电，可取代火车站的手机加油站等；作为夜晚楼道感应灯，结合设计的震动模块和可编程定时器，实现人来灯亮人走灯灭的功能。整体结构由亚克力板支撑，节约了制造成本且耐用性好。本作品实现了对闲置的踩压能量的储存和低成本利用，节约能源，为当今人们的低碳生活提供了新的理念，具有广阔的应用前景。

关键词：压电陶瓷；亚克力板；能量收集模块；超级电容；震动模块；定时器

1 作品设计背景

随着对绿色能源的不断开发与利用，压电陶瓷越来越受到人们的关注。日、美、欧等发达国家对于压电发电自助供电系统已经进行了多年研究。2006年至2009年期间，日本旅客铁道株式会社在东京火车站进行过三次“发电地板”试验。2010年上海世博会上，日本馆展示了压电发电地板。同样，以色列技术研究院也在普通路面的沥青中植入大量的压电晶体，通过汽车驶过时的压力转换来发电。

国内对压电陶瓷的应用还停留在点火装置、仪表测量等方面。由于其发出的电能具有微弱、不稳定、波动大、难收集的特点，发电潜能的研究还处在初级阶段。即使有些产品利用其发电，也只是即发即用，未实现储存功能，这在很大程度上限制了它的发展。本作品在其基础上进行了实验研究和模型制作。

2 系统总体设计

系统的功能规划：

（1）将压电陶瓷发出的高电压、低电流、不连续、波动大的电能进行整流处理，变为稳定电流，存入超级电容。

（2）给手机等小功率电器供电。

（3）利用人体踩压的能量来用于楼道照明，并实现人来灯亮人走灯灭的功能。

根据实际情况以及方案构想，我们所设计的装置运作图如下：

2.1 压力发电模块设计

本装置利用的是正压电效应，当对压电材料施加外力产生变形时，会引起材料内部正负电荷中心发生相对位移而产生电的极化，从而导致材料两个表面上出现符号相反的束缚电荷，而且电荷密度与外力成正比。这种现象称为正压电效应，其作用机理如图2所示。

2.1.1 压电陶瓷

（1）介电常数

介电常数ε反映材料介电性质，ε与元件电容C，电极面积A和电极距离t之间关系为：

ε=c*t/A （1）

式中，各参数的单位为：电容量C为F，电极面积A为㎡，电极间距t为m，介电常数ε为F/m。有时使用相对介电常数，它与绝对介电常数ε之间的关系为：

（2）

式中，ε0为真空（或自由空间）介电常数，ε0=8.85*10（-12）（F/m），无单位，是一个常数。

（2）压电常数。

压电陶瓷具有压电性，即施加应力时能产生额外的电荷。其产生电荷与施加应力成比例，对于压力和张力来说，其符号是相反的，用介质电位移D和应力T表示如下：

（3）

式中，d的单位为库仑/牛顿（C/N），称为压电应变常数。

由于我们只考虑一个方向的压力，则：

（4）

（3）机电耦合系数

机电耦合系数K是综合反映压电材料性能的参数，它表示压电材料的机械能与电能之间的耦合效应。机电耦合系数可定义为

（5）

（4）压电应变常数。

在电场作用下，压电材料会发生形变，而讨论电量与形变之间的比值，即为压电应变常数。是压电材料机电耦合时一项主要的特性参数，具体定义为：

（6）

而电位移与电场强度的关系式为：

（7）

电压与电场强度之间的关系为：

（8）

若忽略外导线的电阻，取内阻为Rr，则电流

（9）

最后根据实验结果计算出单片陶瓷片的数据（如表1）。

2.1.2 亚克力板

为了让发电装置更加环保耐用，基于以下这些优点，我们选择了亚克力板为该装置的支撑结构：

（1）亚克力板耐候性及耐酸碱性好，不会因长年累月的日晒雨淋而产生水解的现象，与其它材料制品相比，它的寿命更长；

（2）亚克力板抗冲击力强，适合安装在地铁站等作用力大的地方；

（3）亚克力板自重轻，建筑物及支架承受的负荷小；

（4）亚克力板可塑性强，造型变化大，加工成型容易；

（5）亚克力板的可回收率高，为日渐加强的环保意识所认同。

随着压电陶瓷材料的不断更新，单个压电片所能发出的电量不断升高。通过对目前的压电陶瓷进行试验选择，本作品采用上述50*50*0.2mm的方形压电双晶片，其平均输出电

压>=8V，输出电流为8mA。发电部分由十二个发电片组成，为了提高电流采取并联方式连接。我们根据人脚型及其与地面接触时受力分布特点对压电片进行排布。为了增加振动幅度，我们对压电片进行架空处理，如图3所示。同时，为了增加对压电陶瓷的保护，要对其架空距离进行控制，即增加震动幅度的同时，防止其因受力较大导致形变过度而损坏。结合压电陶瓷的相关参数，其发电部分最大有效形变量为3mm，因此架空距离设为3mm。

经实验，其输出为不稳定交流电，最高电压达20V，平均输出电压为10V，示波器输出波形如图4所示。

2.2 能量收集储存模块设计

（1）LTC-3588芯片的功能与特点

为了便于微电流的收集并将其储存于超级电容，采用了凌力尔特公司的LTC-3588芯片对其进行处理。

LTC3588-1 集成了一个低损失全波桥式整流器和一个高效率降压型转换器，可对高输出阻抗能源进行能量收集。它具有一个宽迟滞窗口的超低静态电流欠压闭锁（UVLO）模式，允许电荷在一个输入电容器上积聚，直到降压型转换器能够有效地将一部分存储电荷转移至输出为止。当处于调节模式时，LTC3588-1 将进入一种睡眠状态（在该状态中，输入和输出静态电流都非常小）。降压型转换器根据需要接通和关断，以保持调节作用。

输出电压可通过引脚选择（分别为1.8V、2.5V、3.3V 和3.6V），连续输出电流高达

100mA，在电流增大的同时可以选择合适大小的输出电容器来提供较高的输出电流脉冲。对于某个给定的输入电容值，一个设定在 20V 的输入保护性分路器实现了较高的能量存储。此芯片具有以下特点：（1）950nA 输入静态电流（输出处于调节状态—无负载）在UVLO 模式中的输入静态电流为450nA ；（2）2.7V 至20V 输入工作范围；（3）内置集成化低损失全波桥式整流器；（4）高达 100mA 的输出电流；（5）内有高效率集成迟滞降压型 DC/DC 转换器及输入保护性分路器—高达25mA 的下拉电流（在VIN ≥ 20V）；（6）宽输入欠压闭锁（UVLO）范围。LTC-3588输入-输出特性曲线如图5所示。

（2）超级电容性能分析

超级电容器通过极化电解质来储能，是一种电化学元件，但在其储能的过程并不发生化学反应，这种储能过程是可逆的，因此超级电容器可以充放电数十万次。超级电容器可以被视为悬浮在电解质中的两个无反应活性的多孔电极板，在极板上加电，正极板吸引电解质中的负离