基于压电发电的共享单车自发电和储能技术研究

94 | 电子制作 2018年7月利用太阳能电池板供电和利用后轮旋转带动发电机供电。

经分析，两种方式均存在缺陷。

太阳能电池板供电对光照强度要求严格，阴雨天及夜晚无法产生足够强的电压，并且车筐内的小广告或骑行者杂物会遮挡并影响太阳能电池板的正常工作。

后轮发电机供电的方案将发电机转轴与车轮或链条相连接，当自行车运动时发电机也随之产生电能，因此对环境要求比较低，但会增大骑行者的体力消耗，致使用户体验较差。

因此，有必要对共享单车的自发电和储能技术做进一步研究。

共享单车、自行车的自发电技术已有一些研究。

王博等[2]通过接触轮和自行车后轮之间的传动驱动交流发电机发电，具有拆卸方便的优点，但是会损耗一部分轮胎动能并增加骑行者体力消耗。

陈宇侃等[3]提出在自行车上通过脚踏曲柄带动发电机工作进行发电的设想。

梁壮壮等[4] 设计了传动齿轮与链盘齿轮咬合传动，带动发电机发电。

邓丽敏等[5]设计了齿轮系结合直流发电机将轮轴动能转化为电能。

上述设计均存在损耗自行车动能的缺点，且安装需要额外占用空间。

针对现有研究的不足，本文拟利用智能材料——压电陶瓷来发电，通过收集和转化自行车在骑行中的能量损耗来产生电能，并根据压电发电的特点设计了多种方案以及自行车发电与供电电路，提高转化效率。

1 压电效应及压电振子设计利用压电陶瓷把轮胎与地面接触挤压过程中所耗散的能量搜集起来，不仅能节省骑行者体力，而且对环境、骑行路况等要求不高。

更可贵的是此设计是在自行车的现有结构上安装压电陶瓷，不需要再占用额外的空间，在空间利用上优于现有技术方案。

其中，压电振子的设计是关键之一。

由于压电陶瓷脆性较大，容易受到破坏，因此一般将压电陶瓷压电振子常见的约束方式包括固支、简支、悬臂。

悬臂式约束相对另外两种约束方式，振子柔性最大，在相同情况下振动幅度最大，因此选用悬臂梁式结构。

而压电振子结构包括单面压电陶瓷结构和双晶片结构等，双晶片结构相当于把两层单面压电陶瓷结构贴在一起，在相同条件的振动下其产生的电能是单面压电陶瓷结构的两倍，故选用双晶片结构。

此外，由于双晶片结构包括两片压电陶瓷，还需要对连线方式进行设计，常见连线方式包括串联和并联。

并联可以增加输出电流，对电压影响不大。

考虑到蓄能快慢主要跟电流有关，因此采用并联的方式。

再深入到压电陶瓷内部，还有一类多层压电陶瓷[6]，即把压电陶瓷做成多层结构，每一层很薄，这样可以显著增大各层的电场强度，增强压电效应，使压电振子能够发出更多的电能。

因此，设计中的核心原件——压电振子采用悬臂约束方式、双晶片结构及并联连线方式、压电陶瓷采用多层结构，保证压电振子的能量转化效率。

2 设计方案一图1 方案一示意图将压电振子与免充气实心轮胎相结合，在轮胎周向任一处位置设置压电振子。

参考图1，压电振子平行于轮胎钢圈的切线放置，双晶片结构中两片压电陶瓷并联连接，通过导线经过辐条导至轮轴处，又通过电刷与车架上的整流、滤波、稳压电路连接。

骑行中，轮胎每一位置周期性接触地面，当轮胎安装压电振子的部分与地面发生挤压时，压电振子发生弹性形变，当轮胎安装压电振子的部分与地面脱离接触后，压电振子恢复原形。

每一次施加压力发生形变时，压电振子的两端会产生极性相反的电荷，通过回路而形成电流，从而达到为蓄电池充电的目的。

3 设计方案二方案一中仅在轮胎周向一处设置压电振子，每转一周压电振子仅工作一次，频率太低，能量转化效率也太低，因此考虑在轮胎周向布置多处压电振子，提高能量转化效率。

参考图2，方案二将方案一中的压电振子数量增加为三个，均匀分布在轮周，压电振子工作频率提高三倍。

工作原理也与方案一的相似。

每个压电振子双晶片结构的引线方式也全部为并联，最终在轮轴处通过电刷与车架上的整流、滤波、稳压的电路连接。

4 设计方案三图3 方案三示意图前述设计方案二中仍存在着在骑行中压电振子振动频率太低的问题，若能在骑行速度不变的条件下提高振动频率，则可以大大提高输出的电能。

因此，方案三在周向三处均布压电振子的基础上，对每一处压电振子增加了传动装置设计。

参考图3，在压电振子一端设置传动齿轮组，当轮胎接触地面时A向上滑动，带动齿轮B旋转，齿轮B和齿轮C同轴固连，齿轮C与齿轮D为一对圆锥齿轮（图中省略了齿轮C和齿轮D的配合齿），因此带动齿轮D在垂直轴上转动，齿轮D上有很多凸起，每转一个小的角度即会与压电振子端部发生多次挤压，即打击双晶片结构的压电振子，产生电能。

电能搜集电路仍采用二极管电桥整流电路。

方案三中，所有齿轮的转轴均直接或间接固定在轮胎钢圈，图中为了更好展示各齿轮连接关系，没有画出齿轮转轴。

5 电路设计方案一和方案三采用普通二极管电桥整流，电路如图4所示，二极整流电路的核心是4个整流二极管。

利用全波整流电桥保证输出端电动势稳定，给蓄电池充电。

但是波形波动较大，有必要进一步设计滤波、稳压电路。

图4 二极管全波整流电桥方案二采用三相二极管整流电路，如图5所示，三相整流电路的核心是6个整流二极管组成的电桥。

可以分析得到，任何电位情况下，输出端上端子总为高电位，输出端下端子总为低电位，即达到了整流效果，并可以较稳定的为蓄电池充电。

但是，输出端电压仍存在较大波动，通过滤波电容和稳压芯片7805达到进一步的整流、稳压效果。

图5 三相二极管整流、滤波、稳压电路图6 结论本论文利用压电陶瓷进行自行车自发电和储能技术研究，具有节省骑行者体力，而且对环境、骑行路况等要求不高的优点。

研究得出以下主要结论：（1）将压电振子优选为悬臂约束方式、双晶片结构及并联连线方式、压电陶瓷采用多层结构。

（2）方案一提出在轮胎周向任一处位置设置压电振子的发电方案；方案二提出在轮胎周向均布的三处位置设置压电振子的发电方案，发电效率更高。

方案三通过齿轮组来增大对压电振子的打击频率，进一步提升发电效率。

（3）设计了二极管全波整流电桥和三相二极管整流、滤波、稳压电路起到对压电发电起到整流、滤波、稳压作用。

此设计还有一些不足，例如额外增加了一些成本、对轮胎弹性有一些损失。

（下转第91页）图2 方案二示意图www�ele169�com | 953 广播电视天线发射技术故障的维护策略为了确保广播电视天线信号传输质量，广播电视天线日常维护工作主要包括通信铁塔、发射天线以及馈管三部分。

在进行故障排查时，技术人员不仅需要严格按照故障排查流程和标准进行，严格遵守各项规章制度，不断提升故障排查效率，积极进行维修，保障广播电视信号的稳定和清晰。

下面就对广播电视天线技术故障维护进行详细分析：■3.1 广播电视通信铁塔维护广播电视通信铁塔的组成，由塔体、通信设备、处理系统、避雷针以及天线支撑等设备构成，塔体中金属材料采用热镀锌防腐金属进行处理，能够经受恶劣天气的影响。

广播电视通信铁塔主要用于广播电视网络信号的传输与发射，为确保无线通信的辐射范围和信号强度，通常将信号天线安装在某地制高点，并且周围无大型遮挡物，从而增加辐射范围区域。

因此，广播电视通信铁塔会经受户外严酷的天气影响，容易出现腐蚀和变形。

针对该问题，工作人员需制定科学合理的维护管理制度，对铁塔根基、塔体、周围土质等进行定期检查，确保塔体的稳固性。

同时，在铁塔设计过程中可以采用四脚自立式结构，符合钢结构设计规范。

提升抗损能力，可以抵御12级风和8级地震，铁塔表面使用热镀锌进行防腐处理，延长通讯铁塔的使用寿命。

■3.2 发射天线的日常维护广播电视发射天线的运行，具有不间断、高频率等特点，由于涉及设备多、使用环境恶劣等因素，需要配备专业的管理人员，制定一套完善的维护管理体系，细化维护内容和时间，以定期维护检查和不定期巡检两种形式，保障发射天线的正常运行，尤其是在恶劣天气过后，对天线紧固件、桅杆、线路接头等进行重点检查，如果存在松动、辐射、老化等现象，需要及时更换处理。

■3.3 馈管的维护馈线是广播电视发射天线信号传播的媒介，其材质主要是铜线，广播电视通常是传播高频信号，防止外界干扰以及内部信号的过多损耗。

在日常巡检过程中，如果发现馈管破损或者接口松动，要采取及时有效的维修措施，确保广播电视发射天线信号传输质量。

伴随着现代科学技术的高度发展，广播电视发射天线技术朝着大功率、低能耗以及高质量的方向发展，因此，在日常运行和维护工作中，为了实现智能化，降低人工劳动强度，还可采用自动化状态监测和检修技术，以节省人力，提高广播电视发射天线故障检修效率。

4 结论综上所述，广播电视发射天线技术的发展，给人们的日常生活和工作提供了诸多便利，它标志着广播电视正式进入了互联网时代。

随着广播电视发射天线技术的不断发展，对信号传播的稳定性要求越来越高，因此，广播电视发射天线日常维护工作就显得至关重要。

本文对广播电视发射天线技术的回波损耗、驻波比浮动等常见故障进行分析，在此基础上介绍了一些常见的维护工作，通过不断学习，掌握先进的理论技术，确保广播电视发射天线信号传输的质量和稳定性。

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