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
子，负极板吸引正离子，实际上形成两个容性存储层，被分离开的正离子在负极板附近，负离子在正极板附近，超级电容原理图如图6所示。

超级电容与化学电池相比有以下特点：（1）充电速度快，充电10秒～1分钟可达到其额定容量的95%以上；（2）循环使用寿命长，深度充放电循环使用次数可达1～50万次，没有“记忆效应”；（3）大电流、放电能力超强，能量转换效率高，过程损失小，大电流能量循环效率>=90%；（4）功率密度高，可达300W/KG～5000W/KG，相当于电池的5～10倍；（5）产品原材料构成、生产、使用、储存以及拆解过程均没有污染，是理想的绿色环保电源；（6）充放电线路简单，无需充电电池那样的充电电路，安全系数高，长期使用免维护；（7）超低温特性好，温度范围宽-40℃～+70℃；（8）检测方便，剩余电量可直接读出。

所以超级电容是收集压电的最佳选择，实物如图7所示。

（3）收集与存储模块的电路设计
为实现电能有效存储，将多个5.5V、4F的超级电容并联为储能元件，电路如图8所示。

电路说明：压电陶瓷发出的电能从J2输入，经LTC-3588整流存储在超级电容中。

超级电容以并联的方式连接，并在两端各以并联方式接5.6V二级管对其进行过压保护和均衡充电。

超级电容两端的电压和达到4.9V时，电路开始稳定3.6V输出。

当压电片不输出时，LTC-3588VIN端电压下降，超级电容放电，这样设备可继续工作。

原芯片可选输出电压为1.8V、2.5V、3.3V、3.6V。

为了增加使用性，此电路已设计为3.6V输出，能量收集模块实物如图9所示，装置整体图如图10所示。

2.3 能量利用模块设计
2.3.1 USB输出利用
电路末端输出为3.6V，最大电流为100mA，能满足很多小功率用电器。

为了增加输出选择性，我们在超级电容两端又直接接出一个整流模块，其实物图如图11所示。

利用小型PFM 控制DC/DC变压控制器芯片，其输入要求为0.9V～5V任意直流电压，输出为稳定5V直流电压。

可利用USB接口为设备供电，变压控制器实物外形如图12所示。

超级电容两端最大电压为5.5V，一般供电电压不超过5V。

其输出为直流电，经过模块变压就可为较大功率用电器提供稳定输出。

2.3.2 智能楼道感应灯
本装置可与灯结合作为楼道感应灯，将人踩压的能量转化为电能。

传统的楼道感应灯多为声控灯，本作品通过利用超高灵敏度震动延时模块使其变为“触控灯”。

该震动模块配有超高灵敏度震动传感器，其震动感应灵敏度可调；具有稳压IC，提供稳定的充足电源，采用高性能
计时CPU设计，双层PCB板；有电源指示（红色LED）和开关触发计时指示（绿色LED），此模块为常开型震动传感器，当震动传感器震动时，模块则开始计时，点亮绿色LED，继电器吸合，计时结束，绿色LED灭，继电器释放，恢复到常闭端；触发端如在计时的时候，在延时时间内不断接收到有震动触发信号，继电器一直接通，继电器不会断开和闪断，震动触发信号停止后，重新开始计时，延时时间到了继电器断开；有计时电位器调节时间，产品设计为1-180秒可调；该模块可根据外界产生的有效震动，触发震动感应器。

震动模块实物图如13所示。

根据走路时的震动强度选择合适的震动灵敏度，同时根据实际情况设置该震动模块震动感应持续时间为7秒，即有效震动信号传入时电路可持续工作7秒。

将该装置和震动模块结合放置在地面，当人通过发出震动信号时，有效震动信号触发震动感应模块，从而电路接通，指示灯亮。

我们同时考虑到楼道感应灯的特点，即白天无需工作，晚上才需要工作。

因此，我们利用单片机编程，在电路中增加了一个定时器。

此定时器时间可调，我们通过这个定时器可以控制楼道指示灯的工作时间段。

考虑到季节的差异，冬季和夏季设置不同的时间段。

定时器的实物图如图15所示。

在设置的工作时间段以内，定时器处于接通状态，当振动模块感受到振动时，电路全部接通楼道指示灯开始工作。

振动模块工作时间我们设置为7秒，时间到后楼道指示灯灭，节约电能；在工作时间段以外，定时器装置则处于非工作状态，电路断开，即使有震动信号传入，指示灯也不会亮。

3 系统测试与性能分析
3.1 充电过程
充电过程是将踩压压电陶瓷发出的电能经整流后存储在超级电容中。

一个质量为50kg的人以90次/min的频率踩踏压电片，规格为4F，5.5V的超级电容器的充电曲线如图16所示。

对曲线1进行二次多项式拟合：
（10）
对曲线2进行二次多项式拟合：
（11）
从拟合曲线中可以看出，二次项非常小，充电曲线接近线性。

3.2 放电过程
当电路中接入充电电压为3.7V的手机时，经过实验，一个规格为5.5V、4F初始电压为4.1V的超级电容器可以为其充电5分钟左右。

用5.5V、4F超级电容为手机充电，其初始电压为4.1V，放电曲线如图17所示。

从实验可以看出超级电容向手机放电的过程中，放电时间约为5分钟，开始放电速度非常快，一段时间后放电速度变慢。

3.3 充电与接入用电器的协调控制
经实验发现稳定输出3.6V电压对超级电容器电压有最低值要求，实验使用规格为5.5V、4F的超级电容器，使用6V、5MHZ的信号发生器对电路充电。

超级电容器初始电压值之和为4.39v，实验曲线如图18所示。

电压值之和为4.9V时开始稳定输出3.6V，而在未达4.9V时没有电压输出。

所以超级电容器电压4.9V为稳定输出电压的最低值。

4 创新点
（1）实现了闲置的踩压能量低成本利用。

（2）选材节能环保。

作为新能源材料，压电陶瓷具有制作简单、成本低、换能效率高等优点。

超级电容作为储能装置，取代了以往的化学充电电池，其寿命比化学电池长，因此不仅减少了污染，而且降低了成本。

（3）设计新颖。

与以往所涉及的压片发电即发即用相比，该设计最大的亮点在于既可以实现电能的及时利用，又可以实现电能的存储，使之可以实现较长期的应用。

电路输出电压范围可调节（2.7V ～20V），工作范围广，并且超级电容两端经过变压模块直接可给手机等需要较大电流的用电器使用。

（4）节能效果明显。

现以北京地铁为例进行本设计节能效果计算：
一个产品在比较集中的踩压频率下一个小时的发电量为：
地铁一天17个小时的工作时间，换算为10个小时的相对集中踩压压电片。

则一个地铁站一个产品一天的发电量为：
初步在一个地铁站布置200块这样的产品而北京共有272个不重复站点则北京所有地铁一个产品一天的发电量为：
充一部手机所需电量：（手机参数：3.7V 1500mAh）
北京地铁一天的发电量可充手机：
由以上计算可以看出只北京地铁一天就可为35286部手机充电，如果在地铁轨道、路面、车站等有较大压力的地方布置本产品用来发电及进行电能收集，将得到一笔可观的能量。

而且它在减少污染所带来的持续性效益和教育意义是无法估量的。

此设计不仅经济效益显著，而且很好的减轻环境负担，实现绿色环保，节能减排。

5 应用前景
本设计电能转化率高，实现了储存，克服了即发即用的缺点。

其利用前景可归类为以下几点：
（1）将地板放置在地铁站、火车站、商场等人流量大的地点。

利用其发出的电能供行人手机充电，代替现有的手机加油站，节能环保。

（2）为楼道感应灯以及安全指示灯等供电。

（3）将压电片布置在车流量大的公路上，利用来往车辆进行发电。

这在未来的分布式发电领域具有很大的潜能。

（4）将收集电路安放在鞋底，利用人步行进行发电，其收集电能可用来野外应急用电。

（5）将压电片放置在跑步机等运动器材上，从而实现边锻炼边发电。

（6）在楼梯口安放指示灯，结合震动模块，当有人经过时，指示灯亮，提醒路人前方楼梯，防止摔倒。

（7）将我们的装置安放在操场上，收集同学在操场跑步以及散步时的踩压能量，为安放在操场跑道周围照明灯供电，既节能又美观。

生活中满足本作品发电要求的场所（图19，图20）随处可见，如果把它推广，那么在经济、节能、新能源、环保等方面都将产生很好的效益，做到无处不在的节能减排！
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作者简介：邬登金（1994-），男，本科，安徽人，研究方向：电气工程及其自动化。