基于壓力發(fā)電的照明裝置研究-第1篇

1、 基于壓力發(fā)電的照明裝置研究 楊亮 楊一帆 錢成龍 徐坤 鄧凱博 董帥強摘要：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產(chǎn)生的機械能轉(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，電能的儲備以及使用規(guī)劃，可知該裝置適合應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，符合當今社會節(jié)能環(huán)保的要求，并有較高的可行性和經(jīng)濟效益。Key：壓力陶瓷;壓力發(fā)電;照明系統(tǒng);STM32單片機隨著傳統(tǒng)能源的不斷減少，新類型能源的開發(fā)和使用已成為當今社會迫切需要解決的問題，然而在現(xiàn)實生活中，真正利用壓力能技術(shù)的場合并不多1。因此，本文主要對

2、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)主要應用于大人流量場所的照明系統(tǒng)。該裝置的設(shè)計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2-3。當人們行走時會對壓電材料產(chǎn)生壓力，通過將壓電陶瓷材料并聯(lián)或串聯(lián)組成一個發(fā)電電路，該電路將這種機械能轉(zhuǎn)換為電能4-5。本文所設(shè)計的裝置就是利用此原理將壓力能轉(zhuǎn)化為電能，通過一個蓄電池進行儲能，其電能使用規(guī)劃以及電路的控制則以STM32單片機為核心，配合相應的電源穩(wěn)壓器、光敏電阻，以及A/D、D/A轉(zhuǎn)換模塊來實現(xiàn)。人們行走為本裝置提供

3、能源并被儲存起來，當光線充足時，由于受到光敏電阻的控制，蓄電池不會為電燈供電。當光線暗淡并有人踩踏時，壓電陶瓷材料會產(chǎn)生一個電壓，STM32單片機通過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、實驗材料及裝置（一）壓力發(fā)電部分的系統(tǒng)設(shè)計壓力發(fā)電部分大體上可分為兩個部分壓電材料的發(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

4、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，人們行走時的壓力使壓電振子變形，由于壓電陶瓷的壓電效應，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)過實驗后得出如下結(jié)論：當壓電陶瓷多片并聯(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。因為人走動過程中用力的隨機性，導致

5、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)計照明裝置部分主要由單片機，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-4080之間的環(huán)境中工作，

6、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造價比較低廉，擁有比同價位80C51系列的單片機更多的功能，可以滿足照明控制的需求。整個系統(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IO口設(shè)置為輸出模式，將該IO口所對應的引腳與電源穩(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

7、要取決于外界環(huán)境。通過A/D轉(zhuǎn)換模塊，單片機可以檢測壓力發(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，說明此時光線暗淡且有人通過，此時單片機控制電磁繼電器輸出回路接通，使照明器件工作。三、實驗結(jié)果分析與討論經(jīng)過設(shè)計與測試，本實驗系統(tǒng)最終完成了將人體踏走的動能利用起來進行壓力發(fā)電的目的，實現(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。當夜晚或樓道內(nèi)光線不好時，光敏電阻阻值改變，此時，當有人經(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;當人完全經(jīng)過樓道，系統(tǒng)檢

8、測不到電信號時，經(jīng)一段時間的延時后，照明系統(tǒng)關(guān)閉。當白天光線較好時，本系統(tǒng)只進行能量的轉(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，可以避免電磁干擾，易于實現(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所產(chǎn)生不可利用的機械能，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。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，

9、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。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?？捎^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)保護措施，以延長材料壽命。目前國內(nèi)相關(guān)技術(shù)應用較少，此方面研究意義長遠。Reference：1閆強，王安建，王高尚.我國新能源產(chǎn)業(yè)發(fā)展戰(zhàn)略研究J.商業(yè)時代，2009（26）：105-107.2齊洪東，楊濤，岳高銘，等.微型壓電陶瓷振動發(fā)電技術(shù)研究綜述.傳感器與微系統(tǒng)，2007（5）：1-4.3曾平