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。

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。

Internal Combustion Engine&Parts0引言随着电子科学技术的高速发展，对微机电系统[1]和集成电路的几何尺寸和能耗都有了极大的改善。

同时无线移动设备也得到了高速发展，其在生物环境、实时追踪、智能家居等领域都得到了广阔的推广和运用。

传统移动设备能源的供给绝大多数都来源于传统的化学电池，然而传统的化学电池存在体积大，易造成环境污染的缺点，同时在某些生物工程领域当中，更换化学电池也是及其繁琐，极大地限制了微机电设备和移动设备的推广和运用。

针对这一缺陷，众多研究机构一方面着重研究和开发高性能传统电池，一方面把研究方向投入到能量收集装置[2]的研究，用能量收集装置代替传统化学电池。

能量收集装置可以从大自然中收取机械振动[3]、热辐射、静电等不同形式的能量。

机械振动在大自然中最为普及，机械振动具有能量密度高和不受地理环境等因素的限制，因此其可研究的意义最大。

据现有的研究现状可知，机械振动具有电磁式[4]、静电式[5]和压电式[6]三种转化为电能的方式，每种将机械振动转化为电能的方式都各有优缺点，其中压电材料的压电式能量收集装置具有结构简单紧凑，利用率高，制作成本低等优点。

压电材料压电效应能量收集装置为移动设备能源的供给和物联网传感器能源来源等问题提供了可行的解决方案。

本文将对压电材料压电效应能量收集装置的运用领域、产品类型、国内外研究现状等问题作出进一步的归纳和讨论。

1压电材料压电效应能量收集装置核心技术的研究现状1.1生产运用随着高速道路的快速发展，大量的智能传感器广泛的运用在高速公路当中。

智能传感器和高速公路上的各类用电设备都需要提供能源，因此从高速公路的路面上获取能量显得极为重要并有极大的运用前景。

21世纪初，以色列联合海法理工学院共同研发了一种压电能量收集装置，广泛运用于高速公路和普通道路中。

当采用该压电能量收集装置时，一条交通量为700左———————————————————————作者简介:邹鹏君（1990-），男，江西上饶人，硕士，助教，江西制造职业技术学院，研究方向为内燃机、水轮机等动力设备。

(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 A 2019.08.23C N 110165934A权　利　要　求　书1/2页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 (4) 之间通过螺钉固定连接，侧板C (5)和侧板D（6）之间通过螺钉固定连接，侧板A (3)与侧板C (5)之间通过螺钉固定连接，侧板B (4)和侧板D（6）顶面均设有压电振子（8），侧板B (4)和侧板D（6）底面均设有长方形薄钢片（9），所述压电振子（8）位于长方形薄钢片（9）正上方，每层共包括了四个压电振子（8）和四个长方形薄钢片（9），压电振子（8）由压电陶瓷片（11）和薄钢片（12）组成，压电陶瓷片（11）和薄钢片（12）固定粘结在一起。

利用人体动能—基于压电材料的内藏式充电宝设计作者：王江高鹏翔刘畅陈运贵刘益妮来源：《中国科技纵横》2019年第13期摘要：通过实验设计了一套内藏式行走充电宝的系统，其工作过程大体上分为两个部分。

其一，人体在行走时会对安装于鞋底的压电材料产生压力，压电材料通过压电振子的厚度伸缩模式将其转化成电能。

其二，通过能量收集模块，将压电材料产生的微弱电流进行收集，并通过电路进行输出电压控制，以适应不同设备的输入电压要求。

其原理主要利用了压电材料的多功能性，压电材料位于鞋垫下方，其产生的电能可存储并利用。

通过充电宝将电能提供给多种电子设备，以达到节约电能进而减少干电池的使用，同时减少土地污染达到节能减排的目的。

关键词：行走;压电材料;充电宝中图分类号：TM919 文献标识码：A 文章编号：1671-2064（2019）13-0059-021 研制背景及意义1.1 研发背景随着科技的进步与现代化的不断发展，人们对节约能源，低碳生活的意识越来越强烈。

况且石油、天然气、煤炭等化石能源将在21世纪消耗殆尽，寻找清洁能源、用可再生能源取代化石能源成为当今社会的首要目标。

而常常被人们忽略的数量巨大且不受天气或地理位置影响的潜在能源——“人体动能”。

据调查，人行走时产生的能量是巨大的，且步态曲线较为简单。

如果将行走过程中的能量利用起来，那么所产生的能量可用于诸多方面。

如今，可穿戴智能设备和微电子器件开始兴起，压电材料的发展与使用愈发成熟，均为本产品的设计提供了基础。

如图1所示。

1.2 国内外研究现状在国内，大体上有两种发电方式，一种是利用电磁感应原理，还有一种是利用压电陶瓷发电。

压电材料近年来的发展极为迅速，广泛应用于各领域，压电陶瓷是通过粉末烧结的方法由人工烧制而成的多晶铁电材料。

在国外，利用了现在的一种先进技术——逆向电润湿。

它是利用电压改变疏水表面上液滴的外形，反过来利用该原理，让微型液滴流动的能量转化为电能。

除此之外，国外还有一种病毒发电，虽然技术较为先进，但短时间内只能用于试验阶段，不能用于商业生产，而且一双鞋子的成本也会很高。

基于人体动能收集的发电装置研究许泽刚 谢少军(南京航空航天大学航空电源重点实验室 南京 210016)Overview of Human Motion Powered MPG'sXu Zegang Xie Shaojun(Nanjing University of Aeronuatics and Astronautics Nanjing 210016 China)Abstract：Traditional chemical batteries can not keep up with the development of modern portable electronic devices. A possible alternative to the use of finite internal energy sources (i.e., batteries) in these applications is that of scavenging energy from the motion of human body. This paper presents an overviewof the human motion-driven Micro-Power Generators (MPG's) depending on the application of an electric or magnetic field, or a piezoelectric material. Two types are possible and are reported, these being force-driven generators and inertial generators. A comparison of basic theories and general models of the different architectures is presented. The advantages and drawbacks of each type are discussed behind the method. Several key technologies, the future trend and the power-conditioning electronics of the human motion-driven MPG's are also described.Key words：human motion powered, micro-power generators, self-powered systems, power-conditioning electronic摘要：传统的化学电池已不能满足现代便携式电子设备快速发展的要求，由此出现了收集人体动能用于发电的技术。

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。

• 152•价值工程新型压力能收集实验装置的设计研究Research on Design of New Type of Pressure Energy Collecting Experimental Device焦艳梅J I A O Y a n-m e i;刘臻L I U Z h e n;折宝林S H E B a o-l i n(西安文理学院，西安710069)(X i'a n U n iv e rs ity,X i'a n710069, C hina)摘要：随着社会的不断发展进步，人们对能源的需求逐渐变大，能源越来越供不应求，为有效开发利用环境中的能量，本文设计 了一种利用压电陶瓷基于MSP430单片机的压力能收集实验装置，并测量了相关的数据。

Abstract:W ith the con tinuou s developm ent and progress of society,the dem and fo r energ^^is becom ing m ore and more im p o rta n t,and the energ^^is becom ing m ore and more u rg e n t.In ord e r to e ffe ctive ly develop and u tiliz e the energ^^in the e n viro n m e n t,this pa per designs a k in d of pressure energy c o lle c tin g e xp e rim e n ta l device based on MSP430 s in g le-c h ip b y using p iezo electric ceram ics,and measures the re le vant data.关键词：能源；压力能;压电陶瓷Key words:en ergy;pressure en ergy;p ie zo e le ctric ceram ics中图分类号:P754.1 文献标识码:A0引言能量收集是一个新概念，源于能源危机，与传统发电机产生电能的不同之处在于，它是将环境中人们未能利用的能源转换成可供人类使用的电能并存储，以实现能源的回收和再利用。