楊亮 楊一帆 錢成龍 徐坤 鄧凱博 董帥強(qiáng)

摘?要：本文提出了一種基于壓力發(fā)電的照明裝置，它使用壓電陶瓷材料將人們行走時(shí)產(chǎn)生的機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電能，通過分析壓電陶瓷材料的發(fā)電原理，總體電路的設(shè)計(jì)，電能的儲備以及使用規(guī)劃，可知該裝置適合應(yīng)用于人流較密集的場合，如地鐵、火車站和商場等，從而能夠在很大程度上減少對電量的消耗，符合當(dāng)今社會節(jié)能環(huán)保的要求，并有較高的可行性和經(jīng)濟(jì)效益。

關(guān)鍵詞：壓力陶瓷;壓力發(fā)電;照明系統(tǒng);STM32單片機(jī)

隨著傳統(tǒng)能源的不斷減少，新類型能源的開發(fā)和使用已成為當(dāng)今社會迫切需要解決的問題，然而在現(xiàn)實(shí)生活中，真正利用壓力能技術(shù)的場合并不多[1]。因此，本文主要對人流腳步踩踏產(chǎn)生的壓力能量的收集和照明使用展開研究。本裝置的開發(fā)主要應(yīng)用于大人流量場所的照明系統(tǒng)。該裝置的設(shè)計(jì)思想來源于壓電陶瓷材料發(fā)電裝置。

一、研究內(nèi)容及原理

壓電陶瓷是一類具有壓電特性的材料。該種材料在壓力的作用下其表面會產(chǎn)生帶電離子，這一現(xiàn)象稱為正壓電效應(yīng)[2-3]。當(dāng)人們行走時(shí)會對壓電材料產(chǎn)生壓力，通過將壓電陶瓷材料并聯(lián)或串聯(lián)組成一個(gè)發(fā)電電路，該電路將這種機(jī)械能轉(zhuǎn)換為電能[4-5]。本文所設(shè)計(jì)的裝置就是利用此原理將壓力能轉(zhuǎn)化為電能，通過一個(gè)蓄電池進(jìn)行儲能，其電能使用規(guī)劃以及電路的控制則以STM32單片機(jī)為核心，配合相應(yīng)的電源穩(wěn)壓器、光敏電阻，以及A/D、D/A轉(zhuǎn)換模塊來實(shí)現(xiàn)。人們行走為本裝置提供能源并被儲存起來，當(dāng)光線充足時(shí)，由于受到光敏電阻的控制，蓄電池不會為電燈供電。當(dāng)光線暗淡并有人踩踏時(shí)，壓電陶瓷材料會產(chǎn)生一個(gè)電壓，STM32單片機(jī)通過A/D轉(zhuǎn)換模塊檢測到該信號，從而控制蓄電池為電燈供電。本裝置的總體結(jié)構(gòu)圖如下：

二、實(shí)驗(yàn)材料及裝置

（一）壓力發(fā)電部分的系統(tǒng)設(shè)計(jì)

壓力發(fā)電部分大體上可分為兩個(gè)部分——壓電材料的發(fā)電以及電能的處理和儲存。其中壓力材料發(fā)電部分需要考慮的問題是：能否產(chǎn)生足夠大的可驅(qū)動后續(xù)控制以及照明部分的電能;電能的處理和儲存部分要考慮的問題是：壓電材料所產(chǎn)生的電能是否穩(wěn)定，能否為蓄能裝置充電等問題?；谏鲜鰡栴}，故發(fā)電總體結(jié)構(gòu)如圖2所示：

（二）電能的產(chǎn)生

本裝置的發(fā)電部分由壓電陶瓷組成，壓電陶瓷由金屬片和壓電片構(gòu)成。壓電片放置在金屬片的表層上，人們行走時(shí)的壓力使壓電振子變形，由于壓電陶瓷的壓電效應(yīng)，會在板的上下表面產(chǎn)生電量相同極性相反的電荷，從而產(chǎn)生電壓。經(jīng)過實(shí)驗(yàn)后得出如下結(jié)論：當(dāng)壓電陶瓷多片并聯(lián)后，其兩頭產(chǎn)生的電壓會多倍增加。由于單片壓電陶瓷產(chǎn)生的電能不足以供給控制和照明部分所需，故本系統(tǒng)采用了多片壓電陶瓷并聯(lián)的方式來增加壓電陶瓷產(chǎn)生的總電能。

（三）能量采集及存儲

本系統(tǒng)的電能存儲電路是以充電電池為存儲媒介的電路，其作用是將壓電陶瓷的壓電振子產(chǎn)生的電能儲存在鎳氫電池中。發(fā)電裝置由多片壓電陶瓷并聯(lián)組成，可以產(chǎn)生足夠大的電能供后續(xù)使用。因?yàn)槿俗邉舆^程中用力的隨機(jī)性，導(dǎo)致壓電陶瓷受到的壓力大小不同，所以壓電陶瓷輸出的電壓會不穩(wěn)定因而會產(chǎn)生交流電。所以本系統(tǒng)使用全橋校正器對不穩(wěn)定的交流電進(jìn)行整流，之后經(jīng)過儲存電容元件，將電壓穩(wěn)定下來，從而能夠儲存到可充電的鎳氫電池中，該電池中的電能也能夠被后續(xù)部分使用。該部分電路如圖3所示：

（四）照明系統(tǒng)控制設(shè)計(jì)

照明裝置部分主要由單片機(jī)，A/D轉(zhuǎn)換模塊，光敏電阻，電壓穩(wěn)壓器，電磁繼電器來控制照明器件的工作。單片機(jī)我們采用STM32F103C8T6核心板，STM32F103C8T6是一款基于ARM公司Cortex-M內(nèi)核的微控制器，程序存儲器的容量大小為64KB，其輸入電壓為2V-3.5V，可以在溫度為-40℃～80℃之間的環(huán)境中工作，內(nèi)部含有12位轉(zhuǎn)換精度的A/D轉(zhuǎn)換模塊。除此之外，STM32F103C8T6造價(jià)比較低廉，擁有比同價(jià)位80C51系列的單片機(jī)更多的功能，可以滿足照明控制的需求。

整個(gè)系統(tǒng)的供電都是由微型電池來完成。蓄電池的輸出電壓與電源穩(wěn)壓器連接后，可以得到不同的電壓供給STM32F103C8T6單片機(jī)和電磁繼電器的輸出回路，電磁繼電器的輸出回路與照明器件連接。之后把STM32F103C8T6其中一個(gè)IO口設(shè)置為輸出模式，將該IO口所對應(yīng)的引腳與電源穩(wěn)壓器連接后，接到電磁繼電器的輸入回路作為電源，這樣，通過單片機(jī)程序設(shè)置該引腳的電平就可以控制電磁繼電器輸出回路通斷，從而控制照明器件的工作狀態(tài)。

照明器件是否工作主要取決于外界環(huán)境。通過A/D轉(zhuǎn)換模塊，單片機(jī)可以檢測壓力發(fā)電裝置是否在發(fā)電，同樣可以檢測光敏電阻的阻值。當(dāng)檢值測到壓力發(fā)電裝置有電壓產(chǎn)生，且光敏電阻阻值較小時(shí)，說明此時(shí)光線暗淡且有人通過，此時(shí)單片機(jī)控制電磁繼電器輸出回路接通，使照明器件工作。

三、實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析與討論

經(jīng)過設(shè)計(jì)與測試，本實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)最終完成了將人體踏走的動能利用起來進(jìn)行壓力發(fā)電的目的，實(shí)現(xiàn)了壓電供給照明的功能。通過在樓道內(nèi)放置壓電陶瓷材料，將人們行走所產(chǎn)生的壓力能，轉(zhuǎn)化為電能并儲存起來，供照明系統(tǒng)使用。當(dāng)夜晚或樓道內(nèi)光線不好時(shí)，光敏電阻阻值改變，此時(shí)，當(dāng)有人經(jīng)過，并踩踏壓電材料，系統(tǒng)將檢測到電信號并打開照明裝置;當(dāng)人完全經(jīng)過樓道，系統(tǒng)檢測不到電信號時(shí)，經(jīng)一段時(shí)間的延時(shí)后，照明系統(tǒng)關(guān)閉。當(dāng)白天光線較好時(shí)，本系統(tǒng)只進(jìn)行能量的轉(zhuǎn)換和儲存，無論是否有人經(jīng)過，均不啟動照明。與傳統(tǒng)照明設(shè)備相比，該裝置具有以下特點(diǎn)和創(chuàng)新之處：

（1）壓電陶瓷具有十分敏感的特性，可以將極其輕微的振動轉(zhuǎn)換成電信號，能有效地將壓力轉(zhuǎn)化為所需的電能，提高能量利用率。除此之外，此類裝置還具有節(jié)能環(huán)保、不易發(fā)熱的特點(diǎn)，可以避免電磁干擾，易于實(shí)現(xiàn)集成化，適用范圍較為廣泛。

（2）本系統(tǒng)采用壓電陶瓷發(fā)電技術(shù)，能夠?qū)⑷诵凶邥r(shí)所產(chǎn)生不可利用的機(jī)械能，通過相關(guān)技術(shù)轉(zhuǎn)化為廣泛使用的電能，具有低污染、低能耗、高效能的優(yōu)點(diǎn)。裝置連接儲能和整流供電電路，踩踏產(chǎn)生的電能既可以用于直接供電，又可以儲存起來作為備用能源，而且裝置簡單，極易安裝，成本較低。

（3）相較于其他新型能源技術(shù)，壓電陶瓷具有能源轉(zhuǎn)換率更高的優(yōu)點(diǎn)。據(jù)有關(guān)資料顯示，壓電陶瓷的能量轉(zhuǎn)化效率在90%以上，而其它新能源技術(shù)的能量轉(zhuǎn)化率基本都在50%以下。由于主要依靠人體踩踏產(chǎn)生能量，該技術(shù)在人口眾多的中國具有很大的發(fā)展前景。

（4）該裝置可移植性高，可以直接接入原有的照明裝置系統(tǒng)中作為輔助功能，可解決部分道路周邊的用電需求。在道路的兩邊一般會有引導(dǎo)和照明設(shè)施，壓力發(fā)電裝置產(chǎn)生的電量可以為這些設(shè)施提供電能，尤其是在供電不利的情況下，壓力發(fā)電裝置能夠發(fā)揮很大作用。

四、結(jié)論

通過以上測試與分析，本文提出的壓力發(fā)電照明裝置基本可滿足人們的使用需要，在人流量較大場所，產(chǎn)生的能源總量是非常可觀的。本系統(tǒng)的產(chǎn)能不僅可以供給照明裝置的使用，而且可以給所在區(qū)域傳送電能，實(shí)現(xiàn)對能源的高效利用，節(jié)省對傳統(tǒng)發(fā)電所產(chǎn)生的電能的使用量，減少碳排放量，更加環(huán)保。但是由于壓電陶瓷材料比較脆弱。在使用過程中必須增設(shè)保護(hù)措施，以延長材料壽命。目前國內(nèi)相關(guān)技術(shù)應(yīng)用較少，此方面研究意義長遠(yuǎn)。

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基金項(xiàng)目：河南科技大學(xué)大學(xué)生研究訓(xùn)練計(jì)劃（SRTP）項(xiàng)目資助（2019104）