鄧述珍 賀奔 梁美 賀昕興 陳希杰

全國大學(xué)生節(jié)能減排社會實踐與科技競賽是由教育部高等學(xué)校能源動力類專業(yè)教學(xué)指導(dǎo)委員會指導(dǎo)，全國大學(xué)生節(jié)能減排社會實踐與科技競賽委員會主辦的學(xué)科競賽。該競賽每年舉辦一次，以“節(jié)能減排、綠色能源”為主題，緊密圍繞國家能源與環(huán)境政策，是一項具有導(dǎo)向性、示范性和群眾性的全國大學(xué)生競賽。

中南林業(yè)科技大學(xué)每年都會舉辦該項賽事，為參加國賽選拔隊員，校賽主要在機電工程學(xué)院舉辦，我們又是機電工程學(xué)院新能源科學(xué)與工程專業(yè)的學(xué)生，大賽主題與我們的專業(yè)息息相關(guān)，于是我們決定組隊參賽。

通過前期的充分調(diào)研，我們將目光鎖定公共交通拉環(huán)，希望以它為載體，滿足人們及時為小型電子設(shè)備充電的需求。下面就讓我們簡單介紹一下“基于壓電材料的拉桿發(fā)電蓄電系統(tǒng)”的設(shè)計制作過程吧。

隨著人口劇增，城市化進程加快，堵車、限行有時會讓私家車“寸步難行”，越來越多的人響應(yīng)“低碳生活綠色出行”的號召，選擇搭乘公共交通出行。在搭乘公共交通出行時人們常用電子產(chǎn)品打發(fā)時間，但電子產(chǎn)品續(xù)航時間短，在公共交通上能及時充電成為人們的需求。我們小組思考，能否合理利用公共交通上可收集的能量，設(shè)計一種成本較低、結(jié)構(gòu)簡單的發(fā)電蓄電系統(tǒng)？我們計劃以公共交通拉環(huán)為載體，利用人手拉拉環(huán)的壓力將機械能轉(zhuǎn)換為電能，最后經(jīng)整流儲存在蓄電池中，為小型電子設(shè)備及時充電。

之后，我們分組在不同時段對長沙的公交車、地鐵進行了調(diào)研，在上、下班高峰期，車廂內(nèi)的拉環(huán)使用率很高，統(tǒng)計結(jié)果顯示，一輛公交車一天約有13個拉環(huán)被使用，平均每個拉環(huán)被使用約6個小時。拉環(huán)在被使用的時間內(nèi)道路擁堵，公交車時停時啟，人們手握拉環(huán)，對拉環(huán)的壓力不斷變化。初步計算得出，長沙市一輛公交車車廂內(nèi)的拉環(huán)在使用過程中可儲存約2度電，理論上能為一部電池容量為3500 mAh的手機充電80次。所以，本裝置不僅可供手機充電，也能為公交上的車載電視等其他電子產(chǎn)品供電。

如何將拉環(huán)上儲存的壓力轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔?？我們決定利用壓電材料試做系統(tǒng)。

一、材料選取

我們選取壓電陶瓷作為發(fā)電材料，再比較各種型號的壓電陶瓷性能參數(shù)，最終選取靈敏度高、壓電常數(shù)和介電常數(shù)相對較高，在相同荷載條件下具有更好發(fā)電性能的PZT-5H為壓電材料。

二、設(shè)計及優(yōu)化懸臂梁結(jié)構(gòu)

經(jīng)測試，我們選取將懸臂梁結(jié)構(gòu)應(yīng)用于拉桿發(fā)電蓄電系統(tǒng)。圖1（a）（b）為壓電陶瓷懸臂梁結(jié)構(gòu)，一端固定，另一端可自由活動。其中，虛線部分構(gòu)成一個壓電振子（壓電振子由中間的金屬片和上、下的壓電片構(gòu)成），在梁的上、下兩面分別設(shè)置電極，在自由端加一個外在作用力，使懸臂梁發(fā)生彎曲變形，在其電極上就會有電荷產(chǎn)生。此時，一個壓電振子相當于一個電荷源，從而實現(xiàn)對外輸出電能。

壓電陶瓷常見厚度為0.5 mm～2 mm，一般不超過10 mm，太薄或太厚的生產(chǎn)成本都將上升，在超過7 mm后，其加工成本急劇增加，并且材料穩(wěn)定性變差。我們通過優(yōu)化計算，選擇每個系統(tǒng)用五個壓電振子。最后，我們利用3D打印技術(shù)制作了模型，并進行了發(fā)電實驗。

以上就是“基于壓電材料的拉桿發(fā)電蓄電系統(tǒng)”的設(shè)計及制作過程。該作品在校賽中得到了學(xué)校專家評委的認可，獲得學(xué)校節(jié)能減排大賽一等獎，之后我們申報了學(xué)校大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練項目并獲批！

這次比賽激發(fā)了我們的科研興趣和創(chuàng)新熱情。三年過去了，我們團隊的五位成員或被保送研究生或考上研究生，繼續(xù)自己的科研之路。（指導(dǎo)老師：唐若晗）

隨著人口劇增，城市化進程加快，堵車、限行有時會讓私家車“寸步難行”，越來越多的人響應(yīng)“低碳生活綠色出行”的號召，選擇搭乘公共交通出行。在搭乘公共交通出行時人們常用電子產(chǎn)品打發(fā)時間，但電子產(chǎn)品續(xù)航時間短，在公共交通上能及時充電成為人們的需求。我們小組思考，能否合理利用公共交通上可收集的能量，設(shè)計一種成本較低、結(jié)構(gòu)簡單的發(fā)電蓄電系統(tǒng)？我們計劃以公共交通拉環(huán)為載體，利用人手拉拉環(huán)的壓力將機械能轉(zhuǎn)換為電能，最后經(jīng)整流儲存在蓄電池中，為小型電子設(shè)備及時充電。

之后，我們分組在不同時段對長沙的公交車、地鐵進行了調(diào)研，在上、下班高峰期，車廂內(nèi)的拉環(huán)使用率很高，統(tǒng)計結(jié)果顯示，一輛公交車一天約有13個拉環(huán)被使用，平均每個拉環(huán)被使用約6個小時。拉環(huán)在被使用的時間內(nèi)道路擁堵，公交車時停時啟，人們手握拉環(huán)，對拉環(huán)的壓力不斷變化。初步計算得出，長沙市一輛公交車車廂內(nèi)的拉環(huán)在使用過程中可儲存約2度電，理論上能為一部電池容量為3500 mAh的手機充電80次。所以，本裝置不僅可供手機充電，也能為公交上的車載電視等其他電子產(chǎn)品供電。

如何將拉環(huán)上儲存的壓力轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔?？我們決定利用壓電材料試做系統(tǒng)。

一、材料選取

我們選取壓電陶瓷作為發(fā)電材料，再比較各種型號的壓電陶瓷性能參數(shù)，最終選取靈敏度高、壓電常數(shù)和介電常數(shù)相對較高，在相同荷載條件下具有更好發(fā)電性能的PZT-5H為壓電材料。

二、設(shè)計及優(yōu)化懸臂梁結(jié)構(gòu)

經(jīng)測試，我們選取將懸臂梁結(jié)構(gòu)應(yīng)用于拉桿發(fā)電蓄電系統(tǒng)。圖1（a）（b）為壓電陶瓷懸臂梁結(jié)構(gòu)，一端固定，另一端可自由活動。其中，虛線部分構(gòu)成一個壓電振子（壓電振子由中間的金屬片和上、下的壓電片構(gòu)成），在梁的上、下兩面分別設(shè)置電極，在自由端加一個外在作用力，使懸臂梁發(fā)生彎曲變形，在其電極上就會有電荷產(chǎn)生。此時，一個壓電振子相當于一個電荷源，從而實現(xiàn)對外輸出電能。

壓電陶瓷常見厚度為0.5 mm～2 mm，一般不超過10 mm，太薄或太厚的生產(chǎn)成本都將上升，在超過7 mm后，其加工成本急劇增加，并且材料穩(wěn)定性變差。我們通過優(yōu)化計算，選擇每個系統(tǒng)用五個壓電振子。最后，我們利用3D打印技術(shù)制作了模型，并進行了發(fā)電實驗。

以上就是“基于壓電材料的拉桿發(fā)電蓄電系統(tǒng)”的設(shè)計及制作過程。該作品在校賽中得到了學(xué)校專家評委的認可，獲得學(xué)校節(jié)能減排大賽一等獎，之后我們申報了學(xué)校大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練項目并獲批！

這次比賽激發(fā)了我們的科研興趣和創(chuàng)新熱情。三年過去了，我們團隊的五位成員或被保送研究生或考上研究生，繼續(xù)自己的科研之路。（指導(dǎo)老師：唐若晗）

鄧述珍，現(xiàn)為華中科技大學(xué)中歐清潔與可再生能源學(xué)院2020級碩士研究生;

賀奔，現(xiàn)為湖南大學(xué)機械與運載工程學(xué)院2020級碩士研究生;

梁美，現(xiàn)為南京理工大學(xué)能源與動力工程學(xué)院2020級碩士研究生;

賀昕興，現(xiàn)為中南大學(xué)能源科學(xué)與工程學(xué)院2021級碩士研究生;

陳希杰，現(xiàn)為福州大學(xué)計算機與大數(shù)據(jù)學(xué)院2020級碩士研究生。