基于压电陶瓷的人体踩压能量收集及利用装置
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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。 龙源期刊网
（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 龙源期刊网
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。 龙源期刊网
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龙源期刊网
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，采用高性能龙源期刊网
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。
基于压电技术的保暖鞋的研究
基于压电技术的保暖鞋的研究
摘要：随着科学技术的不断发展，基于压电材料发电的技术日益纯熟，用此项技术来创新发明的产品越来越多。本文介绍的即是基于压电技术基础上的一种电暖鞋的创新思路，其独特的设计有效的解决了生活中遇到的一些实际问题。
关键词：创新设计 压电技术 电暖鞋
鞋子是人们日常生活的必需品，随着生活水平的不断提高，人们对鞋子的要求不仅仅从美观上升到了舒适，甚至追求其实现更多的功能来满足人们对高品质生活的追求。你是否还在为冬天的鞋子抵挡不住严寒的天气而烦恼？你是否还在为鞋子不停的汗湿而忧愁？立足于此，我们设想了一款以保暖为主要功能的电暖鞋。
1 原理
1.1 压电材料发电原理
当一陶瓷片在压力作用下上下表面产生电荷，其相当于一个电容，电容在其两极产生电荷后就储存了一定能量。从电学角度来看，压电片可以简化为一个正弦电流源ip(t)，与内在的电极电容Cp并联，如下所示。假设电流源和电极电容Cp恒定，负载可调。由戴维南等效定理，该电路中阻抗为：
电片等效阻抗相等时，负载吸收的能量最大。
1.2 能量传输和利用效率分析
当作用在压电片上的力消失后，压电元件产生的电荷立即消失。因此，需要外接电容对压电元件产生的电荷进行储存。设压电元件间电容为Cp，外接电容为C，产生的电能在两者之间再分配，根据传输结束后电压相等的关系，设C=aCp，其中，C为外接电容；Cp为压电元件间电容；a=C/Cp。则电容C上储存的能量与产生能量的传输效率：
1.3 能量收集过程
1.3.1 能量收集原理
压电元件产生的电荷是瞬间和交替的, 是以不规则的随机突发形式提供能量,由于受力的方向不同，极化方向不同，故而产生的电流方向也不同，使得压电陶瓷产生的是微弱的交流电。在能量收集过程中，我们将压电陶瓷与整流电路相连，将交流转化为直流。由于产生的电压与压力有关，压力的大小直接影响电压的大小，所以产生的电能是不稳定的。为了收集产生的电能，我们将电能与充电芯片相连，产生恒流对充电电池进行充电。
压电发电的能量转换及存储技术研究
压电发电的能量转换及存储技术研究
随着人类对可再生能源的需求日益增长，能量转换和存储技术成为了当今研究的热点。其中，压电发电技术作为一种将机械能转换为电能的独特方式，在能量转换及存储技术上具有重要的应用价值。本文将阐述压电发电的基本原理、技术分类、优势以及未来应用前景，为相关领域的研究提供参考。
压电发电是指利用压电材料的逆压电效应将机械能转换为电能的过程。逆压电效应是指压电材料在受到外部机械应力时，会产生电势差的现象。与传统发电机相比，压电发电机的最大区别在于其不需要电磁感应原理，因此具有结构简单、体积小、重量轻等优点。
压电发电技术根据不同的应用场景，可分为薄膜压电发电、纤维压电发电和颗粒压电发电等。
薄膜压电发电：利用薄膜压电材料在受到应变时产生电势差的特性，将机械能转换为电能。该技术适用于小型设备或低功耗应用场景。
纤维压电发电：利用纤维压电材料在受到轴向应力时产生电势差的特性，将机械能转换为电能。该技术适用于结构较复杂或要求高度集成的应用场景。 颗粒压电发电：利用颗粒状压电材料在受到振动或冲击时产生电势差的特性，将机械能转换为电能。该技术适用于环境恶劣或要求高稳定性的应用场景。
压电发电技术在能量转换及存储技术上具有以下优势：
高效性：压电发电机的能量转换效率较高，可达到90%以上。
可靠性：由于没有使用电磁感应原理，压电发电机具有更高的可靠性，适用于各种恶劣环境。
灵活性：根据不同应用场景，可以选择不同类型的压电发电机，以满足各种需求。
环保性：压电发电过程中不产生污染，符合绿色能源的发展趋势。
不足之处在于，压电发电机的输出功率密度相对较低，需要进一步优化材料和结构设计以提高输出性能。
由于压电发电技术的独特优势，其具有广泛的应用前景。以下是几个典型的应用领域：
便携式设备：随着智能设备的普及，便携式设备对能源的需求不断增加。压电发电机作为一种绿色、高效的能源转换方式，可为便携式设备提供持续的电能。
通过压力发电的方法
通过压力发电的方法及其应用
压力发电是一种利用机械压力产生电能的方法，它可以有效地利用各种人造或自然的压力资源，如行人、车辆、海浪、
风力等，将其转化为可用的电能，从而实现节能、环保和可再生的目的。本文将介绍几种通过压力发电的方法，包括其
原理、优缺点和应用领域。
压电陶瓷发电
压电陶瓷发电的原理
压电陶瓷是一种能够将机械能和电能互相转换的功能材料，它具有正逆压电效应。正压电效应是指某些电介质在沿一定
方向受外力作用而变形时，内部产生极化的同时，在晶体的两个相对的表面上出现正负电荷，这些电荷可以通过外部回
路形成电流。逆压电效应是指当在晶体外部施加电场时，受电场影响的晶体会产生机械形变。这两种效应可以实现机械
能和电能的相互转换。
压电陶瓷发电是利用正压电效应来实现的，即将机械压力作用于压电陶瓷材料上，使其产生极化和表面电荷，然后通过
外部回路收集和利用这些电荷。例如，可以在路面或地板下安装压电陶瓷板，当行人或车辆经过时，就会对其施加压
力，从而产生电能。也可以在海浪或风力作用下使用压电陶瓷杆或片来发电。
压电陶瓷发电的优缺点压电陶瓷发电具有以下优点：利用了广泛存在的机械压力资源，如行人、车辆、海浪、风力等，实现了能源的再利用和节约。压电陶瓷材料具有性能高、成本低、易于加工制备等特点，适合制作各种形状和尺寸的发电器件。
压电陶瓷发电器件结构简单、体积小、重量轻、无噪音、无污染、无需维护等特点，适合在各种环境中使用。压电陶瓷发电也存在以下缺点：
压力资源往往是间歇性和不稳定的，导致发出的电能也是波动和不连续的，需要配合储能装置或稳压装置才能满足负载需求。
压力资源往往是分散和低效的，导致单个发电器件的输出功率较低，需要大量并联或串联才能达到较高的功率水平。
压力资源往往受到环境因素的影响，如温度、湿度、腐蚀等，可能会影响压电陶瓷材料的性能和寿命。
压电陶瓷发电的应用领域压电陶瓷发电可以应用于以下领域：
城市道路或广场：可以在路面或地板下安装压电陶瓷板，利用行人或车辆的压力来发电，为路灯、信号灯、监控摄像头等提供电能，或者储存起来供应给其他用电设备。
一种人体能量收集系统的研制
第１９卷第３期 ２０１１年Ｏ５月 河南机电高等专科学校学报 Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｈｅｎａｎ Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ ａｎｄ Ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ Ｃｏｌｌｅｇｅ ＶｏＩ．１９№．３ Ｍａｖ．２０１ｌ
一种人体能量收集系统的研制
姚梦 ，武庆东
（１东南大学吴健雄学院，江苏南京２１１１８９；２．河南科技学院新科学院机电系，河南新乡４５３０００）
摘要：为实现利用压电材料收集人体能量，将其转化成电能在某些特殊应用领域替代电池或自动为电池充电的 目的，我们设计了一种人体能量收集系统，它可以在人行走过程中产生电能，该机构被安装在人腿的膝盖部位， 选择性地在腿部摆动结束阶段连续地按压压电陶瓷片参与发电，它还能帮助关节完成减速动作，非常适合给假肢 或者其他便携式医学设备充电。 关键词：能量收集；压电陶瓷；压电发电装置；能量储存；便携式 中图分类号：ＴＨ１３２ 文献标识码：Ａ 文章编号：１００８—２０９３（２０１１）０３—０００８—０４
１ 概述
人体具有充沛的能量，通常人们使用肌肉将这些
储藏的化学能量转换成机械能，还可以利用设备把机
械能转换成电能，例如手摇发电机，发条式手电筒等，
并且可以有较高的转换效率，可以达到１００Ｗ的功率
水平。但是，这些常规方法有很多的缺陷，如使用者 不能做任何其他工作，必须聚精会神于发电过程，而
且发电过程存在不连续性。人们希望能开发一种设
备，能够在较长时问内都持续发电，并最好在日常行
走中实现。但是，从行走中获得较为充沛的电能也是
不容易的，国外有这方面的研究介绍，例如，利用人在 行走时挤压鞋底产生电能，但是这种发电方式效率较
低，其中最好的设备的发电功率也不过ｏ．８Ｗ；另外还
有一个方案是弹力负载背包，它是在人在行走过程
中，利用背包垂直振荡所产生的能量，可以发出７．４Ｗ
的电功率，这台设备的成本非常低，但是重达３８公 斤，人背负如此重物以产生能量，显然是不能持续的，
基于压电效应的能量收集与存储器件
基于压电效应的能量收集与存储器件
压电效应可以实现机械能与电能的相互轉换，针对这一原理，我们设计了一款能将机械能转化为电能的器件。该器件不仅可以将压电效应产生的交流电转化为直流电，还能控制输出电压的大小，供不同规格的用电器正常用电。根据不同的应用环境，采用不同类型的压电陶瓷，产生最大的能量输出。器件不仅能够满足供电的需求，而且使用寿命长、无污染、免维护，拥有广阔的应用前景。
标签：压电陶瓷;压电效应;器件;能量收集
从国内外发展来看，随着压电陶瓷制备技术的不断升级，其各方面性能有了极大的改善，并且在换能器、驱动器、传感器等方面都拥有成熟的应用技术。但是目前运用压电陶瓷发电的实验和研究成果尚不多见，以往由于机-电转化效率不高，故压电效应在产电方面应用不广泛。而如今，随着压电陶瓷的性能不断提升，机-电转化效率也有了极大的改善，在此基础之上，我们开始对这一方面进行试验与探索。
1 压电陶瓷和器件的发展
早期人们发现水晶、酒石酸钾钠等少数单晶体具有压电性，但是由于单晶产量低，难于加工成型等因素，在实际应用中受到限制。后来，人们在钛酸钡陶瓷上施加高压获得了陶瓷的压电性，并且钛酸钡可以通过合理的配方和掺杂等人工控制来达到所要求的性能[1]，成本低廉，由此产生了压电陶瓷在一批器件上的应用[2]、例如水声换能器[3]、电声换能器[4]、压力传感器等计测器件以及陶瓷滤波器[5]和陶瓷变压器[6]等压电器件，由于压电陶瓷本身性能的限制，器件的应用主要以检测与变压为主。尽管钛酸钡的压电性在工程上有着广泛的应用，但由于其居里温度低、工作温度范围窄等缺点，逐步被性能更加优良的钛酸铅和锆钛酸铅陶瓷（PZT）所取代。为了满足新型器件的特殊工作要求，国内外的科研人员在二元系PZT的基础上研制出了三元、四元及五元系材料，改善了压电陶瓷的种种性能[7]。由于钛酸铅和锆钛酸铅陶瓷居里温度以及温度和时间变化的稳定性都高于钛酸钡压电陶瓷，所以含铅陶瓷逐步取代了钛酸钡压电陶瓷在器件中的应用，直至今日，锆钛酸铅陶瓷仍然是水声换能器等器件的主要功能材料。随着压电陶瓷性能的不断提升，陶瓷的应用也更加多元化，近年来，利用压电陶瓷正压电效应发电的研究逐渐增多，例如以色列科学家制作的压电公路，日本东京地铁站里的压电地板等，都是压电陶瓷发电的实际应用。但由于压电公路造价昂贵，成本回收时间长，导致成果无法大规模推广。基于以上案例，我们设计了一款成本低，产能高，适合实际推广的器件，该器件基于压电陶瓷的正压电效应，使用价格低廉的市售压电陶瓷片，获得了较高的电能输出，使得成果的大规模推广变得现实。
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基于压电效应的环境能量收集与发电技术
——能量收集装置和压电发电的研究
作 者：张億一
指导老师：中国科学院上海硅酸盐研究所
研究员、博士生导师罗豪甦
上海交通大学物理系
博士、高工 李红根
学 校：华东师范大学第二附属中学
日期：20XX年12月
目 录（Table of Contents）
摘要（Abstract） ．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．2
一、引言（Introduction） ．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．3
1.1. 课题的基本背景（项目的现实意义） ．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．3
1.2. 国内外研究现状及我国的研究近况（项目可行性分析） ．．．．．．．．．．．．．3
1.3. 压电材料的发展 ．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．5
二、材料与结构选取方法（Materials and Structure．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．6
2.1. 高性能压电材料的选取 ．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．6
2.2. 器件结构和能量收集装置 ．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．7
三、器件设计与性能分析 （Design and Analyze）．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．7
3.1. 压电双晶片发电模型 ．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．7
【CN110165934A】一种收集路人踩踏能量的多层压电发电装置及其使用方法【专利】
(19)中华人民共和国国家知识产权局
(12)发明专利申请
(10)申请公布号 (43)申请公布日
(21)申请号 201910392774.6
(22)申请日 2019.05.13
(71)申请人 苏州市职业大学地址 215104 江苏省苏州市致能大道106号
(72)发明人 汪红兵 孙春华
(74)专利代理机构 南京经纬专利商标代理有限公司 32200代理人 楼高潮
(51)Int.Cl.H02N 2/18(2006.01)
(54)发明名称一种收集路人踩踏能量的多层压电发电装置及其使用方法(57)摘要一种收集路人踩踏能量的多层压电发电装置及其使用方法，包括冲击板、上盖板、一组侧板A、一组侧板B、一组侧板C、一组侧板D和底板，所述侧板A、侧板B、侧板C、侧板D均为面对面对称布置，所述冲击板由一个方形板、柱形体、两个正方形薄钢片以及一个圆台组成，台阶与底板之间设有弹簧，侧板B和侧板D顶面均设有压电振子，侧板B和侧板D底面均设有长方形薄钢片，压电振子由压电陶瓷片和薄钢片组成，压电陶瓷片和薄钢片固定粘结在一起，人在路面上行走时脚步会对路面产生冲击力，该装置可将该冲击力转换为电能，为路面上的路灯、
交通信号灯等供电。
权利要求书2页 说明书4页 附图6页CN 110165934 A2019.08.23
CN 110165934
A1.一种收集路人踩踏能量的多层压电发电装置，其特征在于：包括冲击板(1)、上盖板
(2)、一组侧板A (3)、一组侧板B (4)、一组侧板C (5)、一组侧板D（6）和底板（7），所述侧板A
(3)、侧板B (4)、侧板C(5)、侧板D（6）均为面对面对称布置，所述冲击板(1)由一个方形板、
柱形体（13）、两个正方形薄钢片（14）以及一个圆台（15）组成，所述方形板、柱形体（13）、两
个正方形薄钢片（14）以及一个圆台（15）通过焊接方式固定连接，台阶（15）与底板（7）之间
设有弹簧（10），所述上盖板(2)和侧板A (3) 之间通过螺钉固定连接，侧板A (3)与侧板B
基于人体踏走的压电发电装置设计与分析
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基于人体踏走的压电发电装置设计与分析
作者：周浩 许有熊 陈佩嘉
来源：《绿色科技》2017年第06期
摘要：指出了利用人体踏走的动能进行压电发电，符合当前节能环保的要求，并具有较高的经济效益。分析了压电陶瓷发电机理，设计了一种利用轨道交通等频繁人体踏走的压电发电装置及其能量存储电路，并进行了相关的理论分析。该装置可放置在轨道交通车辆和车站，如地铁、轻轨，和商场等具有大流量的场合门口，将频繁人体踏走的动能进行压电发电，以供用电负载使用或存储，以达发电节能的效果。
关键词：压电；人体踏走；发电装置
中图分类号：TM619
文献标识码：A 文章编号：1674-9944（2017）6-0161-03
1 引言
随着常规能源的日趋紧张和人们环保意识的日趋增强，节能环保问题日益突出，清洁环保无污染能源的开发与利用倍受世界各国的关注和重视，新绿色能源的研究已成为当务之急。
压电材料在外力的作用下表面产生电荷的现象，称为正压电效应[1]。压电发电利用此原理将振动的机械能转变为电能。其优点主要集中在体积小，结构简单，便于实现及小型集成化以及无电磁干扰等方面。符合当前环保节能，可持续发展的要求，正越来越受到各国研究人员的关注[2，3]。另外，压电发电可方便与微机电系统（MEMS）结合，为其提供能源，也成为MEMS研究领域的热点之一。目前，欧美、日本和韩国等许多国家与地区已经对与压电发电相关的技术展开了深入的研究，并且取得了一定的成果，而国内的压电发电技术尚处于起步的阶段。目前，压电发电技术主要有以下几个方面。
1.1 利用车辆或路面振动进行压电发电
将压电发电装置放入如汽车等减震系统或车辆悬挂系统中，利用正压电效应将震动能量转变为电能，并加于存储和利用。或者，将压电发电装置作为路面的组成部分或安置于路面内，利用汽车在路面上行驶时产生的振动来发电，所产生的电能经电路调整后可作为道路灯具等使用，或经储能装置加以存储和利用。以色列于2009开放了世界上第一条可发电的公路[4]。
基于压电材料的能量收集与转换技术
基于压电材料的能量收集与转换技术
目前，世界各国的科学家和工程师致力于开发新型能源源，以减少对有限的化石能源的依赖并减少排放，从而保护地球。其中，基于压电材料的能量收集与转换技术是一个前景非常广阔的领域。
压电效应是指某些材料在受到外力作用时，会产生电压差，即将机械能转化为电能的效应。因此，压电材料在能量收集领域有着广泛的应用，如自助发电、无线传感器网络、可穿戴电子设备等。
首先，基于压电材料的自助发电技术是一种新型的能量收集方式。在无法接入电网的场景中，自助发电可以提供各种电子设备所需的电力，解决了传统电池容量小、使用寿命短、环保性能差等问题。自助发电技术可以利用地震、交通运动、起伏的物体等方式来收集能量，其中压电材料就是最佳的选择。以汽车为例，行驶时触动车轮，产生的振动会被压电材料捕捉并转换为电能，用于为车载电子设备供电。
其次，无线传感器网络也是压电材料广泛应用的领域之一。传统的传感器网络需要连接电源线，而压电材料可以利用环境中的能量来作为电源，提高了传感器的可靠性和使用寿命。在环境监测、智能家居等领域，无线传感器网络正在得到广泛应用。
再次，压电材料还可以应用于可穿戴电子设备。传统的反光衣物、反光背包等只能依靠夜间车灯的反射来获取光亮，而伴随着压电材料的应用，人们可以从运动中获取能量，让反光材料在夜晚发光。未来，在可穿戴技术的发展中，压电效应也将在可穿戴设备中发挥重要的作用。
当然，压电材料本身的研究也正在不断深化。科学家正在通过改变材料的制备工艺、改进器件设计等手段，不断优化压电材料的性能，推动其应用的广泛发展。此外，为了更好地开发压电材料，还有必要加强对其基本理论和研究方法的研究。
总之，基于压电材料的能量收集与转换技术是一项具有前景的研究方向。随着压电材料的不断优化和新型器件的开发，压电效应将在更多应用领域展现出其价值和应用前景。同时，在扩大压电材料应用的同时，我们也可以更好地理解材料本身，为未来的科学应用创造更多可能。
能量收集用压电陶瓷材料研究进展
第44卷第3期
2016年3月 硅 酸 盐 学 报 Vol. 44，No. 3
March，2016 JOURNAL OF THE CHINESE CERAMIC SOCIETY
DOI：10.14062/j.issn.0454-5648.2016.03.02
能量收集用压电陶瓷材料研究进展
郑木鹏，侯育冬，朱满康，严 辉
(北京工业大学材料科学与工程学院，北京 100124) 摘 要：压电能量收集器件发展迅速，发电性能不断提高。然而，压电能量收集器受压电陶瓷材料本身低的机电转换性能限制，机电转换效率较低。制备具有高机电转换性能压电陶瓷材料具有重要的应用价值。评述了以获得高机电转换性能为目标所进行的压电陶瓷材料性能调控方面的研究成果，介绍了非谐振状态和谐振状态下，能量收集器件对压电陶瓷材料的性能要求，比较了能量收集用铅基、无铅压电陶瓷材料的机电转换性能，讨论了具有高机电转换性能压电陶瓷材料设计方法，为进一步开展能量收集用压电陶瓷材料的研究提供思路。总结了该领域存在的问题及对未来的展望。 关键词：能量收集；压电陶瓷；机电转换性能 中图分类号：TM282 文献标志码：A 文章编号：0454–5648(2016)03–0359–08 网络出版时间：2016–03–01 9:34:41 网络出版地址：/kcms/detail/11.2310.TQ.20160301.0934.002.html Research Progress of Piezoelectric Ceramics for Energy Harvesting
ZHENG Mupeng, HOU Yudong, ZHU Mankang, YAN hui (College of Materials Science and Engineering, Beijing University of Technology, Beijing 100124, China) Abstract: The piezoelectric energy harvesters have been developed, and the corresponding performance has been improved in recent years. However, the electromechanical conversion efficiency of the piezoelectric energy harvester is still low, which is restricted due to the low electromechanical conversion performance of the piezoelectric ceramic itself. It is thus significant and meaningful to prepare piezoelectric ceramics with high electromechanical conversion performance. This paper mainly reviews research progress in the property modulation of piezoelectric ceramics with high electromechanical conversion performance, i.e., performance requirement of piezoelectric ceramics for energy harvesting under the non-resonant and the resonant state, the comparison of electromechanical conversion performance between the lead-based and lead-free piezoelectric ceramics for energy harvesting, and various design methods of piezoelectric ceramics to obtain high electromechanical conversion performance. In addition, some questions and research aspects for future studies in this field are proposed. Keywords: energy harvesting; piezoelectric ceramic; electromechanical conversion performance