李坤模 許齊瑞 仝翠平 楊志毅 申思遠(yuǎn)

摘要：節(jié)能減排已成為社會(huì)發(fā)展的重要課題之一，其中能源的產(chǎn)出和消耗是人們普遍關(guān)心的焦點(diǎn)問(wèn)題，如何使能源更多產(chǎn)出而更少消耗是當(dāng)今能源研究課題的重。電能便是其中的重點(diǎn)之一，主要存在的問(wèn)題有能源轉(zhuǎn)化效率低、污染排放量大等問(wèn)題，近年來(lái)，國(guó)家加大投入了核電、光伏發(fā)電、風(fēng)力發(fā)電等新能源的投入，未來(lái)的趨勢(shì)向著能源轉(zhuǎn)化率高且污染量小的方向發(fā)展。

關(guān)鍵詞：腳踏發(fā)電;發(fā)電板;節(jié)能減排

1立項(xiàng)依據(jù)

1.1研究目的

節(jié)能減排已成為社會(huì)發(fā)展的重要課題之一，其中能源的產(chǎn)出和消耗是人們普遍關(guān)心的焦點(diǎn)問(wèn)題，如何使能源更多產(chǎn)出而更少消耗是當(dāng)今能源研究課題的重點(diǎn)，電能便是其中的重點(diǎn)之一。

據(jù)資料顯示，目前我國(guó)電能的來(lái)源主要以火力發(fā)電為主，主要存在的問(wèn)題有能源轉(zhuǎn)化效率低、污染排放量大等問(wèn)題，近年來(lái)，國(guó)家加大投入了核電、光伏發(fā)電、風(fēng)力發(fā)電等新能源的投入，未來(lái)的趨勢(shì)向著能源轉(zhuǎn)化率高且污染量小的方向發(fā)展。腳踏發(fā)電板基于能量之間轉(zhuǎn)換的思想，從而實(shí)現(xiàn)電能的輸出。

腳踏發(fā)電板綜合能量轉(zhuǎn)換、采集、儲(chǔ)存等技術(shù)，是一種新型的發(fā)電裝置，最根本的原理是利用電磁感應(yīng)定律，從而實(shí)現(xiàn)腳踏的機(jī)械能到電磁場(chǎng)的磁能再到電能的轉(zhuǎn)化，最終實(shí)現(xiàn)電能的產(chǎn)出。

1.2國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀和發(fā)展動(dòng)態(tài)

國(guó)內(nèi)外都非常重視該項(xiàng)技術(shù)和產(chǎn)品，希望在該領(lǐng)域有較大的突破，緩解日益短缺的能源需求。對(duì)壓電效應(yīng)相關(guān)技術(shù)的研究和利用，技術(shù)比較成熟的國(guó)家有美國(guó)、日本等國(guó)家，尤其以日本的技術(shù)較先進(jìn)。 在上海世博會(huì)上，日本館展示了其壓電發(fā)電地板技術(shù)，參觀的人們只要把雙腳輪流向地板踩踏幾下，指示發(fā)電量的指示燈就會(huì)顯示出實(shí)際產(chǎn)生的電量。此外日本音力發(fā)電公司的發(fā)電地板也有相關(guān)的展示和報(bào)道。該公司的發(fā)電地板由每塊面積50平方厘米的發(fā)電瓷磚組成，每塊瓷磚踩一下就能發(fā)出0.1瓦特電點(diǎn)亮周圍50至100個(gè)發(fā)光二極管燈泡。

2007年美國(guó)麻省理工學(xué)院學(xué)生提出了把人流踩踏地板的沖擊力接收來(lái)并轉(zhuǎn)換為電能的構(gòu)想，而后美國(guó)芝加哥的自由設(shè)計(jì)師在人行道上試驗(yàn)了4塊2英尺乘4英尺的壓電板裝置，成功點(diǎn)亮了4個(gè)發(fā)光二極管。

國(guó)內(nèi)近年來(lái)進(jìn)行的壓電材料研究也取得了較好的成果。2009年西安交大研發(fā)出對(duì)環(huán)境無(wú)害的無(wú)鉛壓電材料“鋯鈦酸鋇鈣”，其壓電性能50年來(lái)首次超越含鉛壓電材料，有可能引發(fā)工業(yè)界向無(wú)鉛材料的變革，解決鉛對(duì)環(huán)境的污染問(wèn)題。然而對(duì)于具體的壓電發(fā)電地板產(chǎn)品，國(guó)內(nèi)還沒(méi)有成熟的技術(shù)和產(chǎn)品，更缺乏相關(guān)的展示和報(bào)道。相關(guān)的新材料研制、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、電能采集和儲(chǔ)存等技術(shù)還需要進(jìn)行深入、系統(tǒng)的研究。

2研究?jī)?nèi)容

本項(xiàng)目主要的研究?jī)?nèi)容是針對(duì)日常學(xué)習(xí)生活中的腳踏振動(dòng)等機(jī)械振動(dòng)的能量轉(zhuǎn)換及存儲(chǔ)問(wèn)題。主要研究可以分為以下幾個(gè)方面：

2.1研究利用人體踩踏發(fā)電板產(chǎn)生的振動(dòng)，通過(guò)設(shè)計(jì)一個(gè)踩踏裝置，使踩踏的振動(dòng)能夠最大效率地轉(zhuǎn)化為機(jī)械能，這就取決于發(fā)電板的上表面組成設(shè)計(jì)?；驹O(shè)計(jì)思路為上表面由若干個(gè)圖形（如正方形、三角形等，每個(gè)圖形為一個(gè)微元），在幾何圖形的各個(gè)頂角下方放置能量轉(zhuǎn)換裝置（將機(jī)械能轉(zhuǎn)化為磁能）。

2.2研究振動(dòng)的傳導(dǎo)機(jī)制?；驹O(shè)計(jì)理念為設(shè)計(jì)一個(gè)連接體，通過(guò)此連接體將腳踏板上層的振動(dòng)與下方的永磁體連接起來(lái)，從而腳踩的機(jī)械振動(dòng)帶動(dòng)永磁體的上下振動(dòng)。傳導(dǎo)體的設(shè)計(jì)應(yīng)滿足以下兩個(gè)要求：

2.3兩者間的連接體質(zhì)量不宜過(guò)重，避免將下方的永磁體壓得過(guò)低，不便于永磁體的復(fù)位。

2.4傳導(dǎo)體與下方應(yīng)設(shè)計(jì)一緩沖結(jié)構(gòu)（如彈簧），其緩沖結(jié)構(gòu)加上磁體間的排斥作用可以保證永磁體的復(fù)位，進(jìn)而反復(fù)切割磁感線發(fā)電。

2.5研究永磁體切割磁感線發(fā)電?；驹O(shè)計(jì)思路為在連接體的周圍放置一繞有線圈的導(dǎo)管，導(dǎo)管底部放置一磁鐵，利用同極相斥的原理，使永磁體能夠懸浮在導(dǎo)管中。永磁體在導(dǎo)管中的上下移動(dòng)使得線圈的磁通量發(fā)生改變，在線圈中產(chǎn)生感應(yīng)電流。

2.6穩(wěn)流穩(wěn)壓及整合問(wèn)題，設(shè)計(jì)器件和線路使產(chǎn)生的微弱電流能夠穩(wěn)定輸出，通過(guò)電路聯(lián)結(jié)使電流互不干擾有序地輸入蓄電池中。

3技術(shù)路線、擬解決的問(wèn)題

3.1擬解決問(wèn)題：

（1）發(fā)電地板的發(fā)電效率問(wèn)題;

（2）發(fā)電地板的防水、防塵、使用壽命等可靠性問(wèn)題;

（3）多塊發(fā)電地板所發(fā)電能的綜合儲(chǔ)存與利用問(wèn)題;

（4）發(fā)電地板的性價(jià)比問(wèn)題。

3.2技術(shù)路線：

1. 發(fā)電地板將分為頂層，磁懸浮壓力發(fā)電模塊，底層三個(gè)部分：

（1） 頂層由耐磨、防滑、強(qiáng)度高的材料制成，架設(shè)在由磁懸浮壓力模塊陣列組成的中間層上，并用機(jī)械結(jié)構(gòu)與其固定在一起。

（2） 磁懸浮發(fā)電模塊由一個(gè)中空的錐臺(tái)形狀的外殼，頂部一塊可活動(dòng)的柱狀永磁體，底部一塊圓形固定永磁體，外部纏繞的線圈組成，磁體之間通過(guò)同極相排、異極相吸原理，讓中間柱狀永磁體呈懸浮狀。然后通過(guò)對(duì)永磁體的不斷施加壓力，使頂部永磁體在外殼中上下滑動(dòng)，讓磁力線不斷切割線圈來(lái)發(fā)電，該模塊無(wú)機(jī)械傳動(dòng)結(jié)構(gòu)，無(wú)聲且無(wú)需潤(rùn)滑，可靠性高。發(fā)電地板的中間層將由數(shù)個(gè)這樣的磁懸浮發(fā)電模塊構(gòu)成。

（3） 底層將由電路系統(tǒng)與蓄電池組成，磁懸浮發(fā)電模塊輸出的電流將由底層電路穩(wěn)壓、濾波后存入蓄電池中等待利用。

3.3目標(biāo)：

（1）近期目標(biāo)完成磁懸浮發(fā)電模塊、電路系統(tǒng)、地板結(jié)構(gòu)的原型設(shè)計(jì)，制作出模型，并對(duì)發(fā)電量、可靠性等參數(shù)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)、測(cè)試。

（2）中期目標(biāo)對(duì)磁懸浮發(fā)電模塊與電路模型進(jìn)行改進(jìn)，做出一塊完整可投入實(shí)際生活環(huán)境的可發(fā)電、可蓄電的發(fā)電地板。

（3）長(zhǎng)期目標(biāo)經(jīng)過(guò)改進(jìn)做出一塊防水、防塵、耐用、發(fā)電量大、實(shí)用、可完全適用于大型多人公共場(chǎng)所的腳踏發(fā)電板。

4項(xiàng)目創(chuàng)新點(diǎn)與特色

4.1該腳踏發(fā)電板具有廣泛的應(yīng)用價(jià)值和應(yīng)用前景，能夠?qū)⑸钪袩o(wú)處不在的機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電能，實(shí)現(xiàn)機(jī)械能量的循環(huán)與再利用。例如可以放置在地鐵閘機(jī)口等狹窄出入通道處，可以有效采集路過(guò)乘客的能量，把乘客的重力勢(shì)能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔軆?chǔ)蓄起來(lái)，其他的人口密集處也是裝置安裝的理想地點(diǎn)。

4.2此裝置在轉(zhuǎn)化與儲(chǔ)存能源的過(guò)程中不會(huì)產(chǎn)生任何的環(huán)境污染，它可以廣泛應(yīng)用于樓道、地鐵站等人密集的地方，產(chǎn)生的電能可與照明等聯(lián)系在一塊。本裝置與風(fēng)力發(fā)電、水力發(fā)電等模式類似成功實(shí)現(xiàn)了能量的無(wú)污染化處理，本設(shè)計(jì)就可以通過(guò)每個(gè)人自身微小的做功達(dá)到電能生產(chǎn)與儲(chǔ)蓄的大效果。

4.3此項(xiàng)目的應(yīng)用符合節(jié)能減排以及綠色環(huán)保的原理的理念，能夠?yàn)榫徑饽茉次C(jī)貢獻(xiàn)力量。本產(chǎn)品亦可推廣到海關(guān)安檢、公園門禁等地，實(shí)現(xiàn)上述場(chǎng)所節(jié)能減排的目標(biāo)，達(dá)到國(guó)家節(jié)約能源的目標(biāo)，符合綠色環(huán)保與新能源開發(fā)的要求。

4.4性價(jià)比高，方便維護(hù)，造價(jià)低廉。已有的壓敏陶瓷發(fā)電和線圈發(fā)電，均是應(yīng)用行人重力勢(shì)能轉(zhuǎn)化為電能發(fā)電的原理，然而其造價(jià)成本比本設(shè)計(jì)的發(fā)電裝置高，能量轉(zhuǎn)化效率較低，投資回收困難，不能為社會(huì)帶來(lái)可觀的環(huán)境收益。

4.5設(shè)計(jì)簡(jiǎn)潔、構(gòu)思精簡(jiǎn)。本裝置的設(shè)計(jì)采用最原始的發(fā)電原理思路，通過(guò)對(duì)電感、磁鐵、線圈等有機(jī)組合實(shí)現(xiàn)機(jī)械能量的極大轉(zhuǎn)化，構(gòu)思精簡(jiǎn)，設(shè)計(jì)上也較為簡(jiǎn)潔，但是突破了現(xiàn)有的發(fā)電傳統(tǒng)思維，具有一定的創(chuàng)新性，值得被改善與推廣。

5項(xiàng)目預(yù)期成果

該項(xiàng)目實(shí)際實(shí)施之后，能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)于腳踩這一簡(jiǎn)單的機(jī)械振動(dòng)轉(zhuǎn)化為可利用的電能的目的。在人口密集的地方，如教室的出入口以及宿舍的樓道處應(yīng)用此裝置可以實(shí)現(xiàn)電能的輸出，和樓道燈、教室燈等結(jié)合以達(dá)到節(jié)能減排、綠色環(huán)保的預(yù)期目的。

參考文獻(xiàn)：

[1]鄭文緯， 吳克堅(jiān).機(jī)械原理[M].第七版.北京：高等教育出版社， 2000.2：33-108.

[2]于振亞， 彭金栓.基于液壓發(fā)電和閉塞原理的新型突起路標(biāo)設(shè)計(jì)[J].科學(xué)技術(shù)與工程， 2016， 9.

[3]陳立德.機(jī)械設(shè)計(jì)基礎(chǔ)[M].北京：高等教育出版社，2001.