基于壓電發(fā)電的共享單車自發(fā)電和儲(chǔ)能技術(shù)研究

艾文昊

（洛陽(yáng)市第一高級(jí)中學(xué)，河南洛陽(yáng)，471000）

0 引言

隨著社會(huì)的不斷進(jìn)步，共享單車逐漸走進(jìn)了我們的生活[1]。共享單車的衛(wèi)星定位、聯(lián)網(wǎng)開(kāi)鎖等功能需要電能的供應(yīng)，即自發(fā)電技術(shù)?，F(xiàn)在的共享單車普遍的電能供應(yīng)方式是利用太陽(yáng)能電池板供電和利用后輪旋轉(zhuǎn)帶動(dòng)發(fā)電機(jī)供電。經(jīng)分析，兩種方式均存在缺陷。太陽(yáng)能電池板供電對(duì)光照強(qiáng)度要求嚴(yán)格，陰雨天及夜晚無(wú)法產(chǎn)生足夠強(qiáng)的電壓，并且車筐內(nèi)的小廣告或騎行者雜物會(huì)遮擋并影響太陽(yáng)能電池板的正常工作。后輪發(fā)電機(jī)供電的方案將發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)軸與車輪或鏈條相連接，當(dāng)自行車運(yùn)動(dòng)時(shí)發(fā)電機(jī)也隨之產(chǎn)生電能，因此對(duì)環(huán)境要求比較低，但會(huì)增大騎行者的體力消耗，致使用戶體驗(yàn)較差。因此，有必要對(duì)共享單車的自發(fā)電和儲(chǔ)能技術(shù)做進(jìn)一步研究。

共享單車、自行車的自發(fā)電技術(shù)已有一些研究。王博等[2]通過(guò)接觸輪和自行車后輪之間的傳動(dòng)驅(qū)動(dòng)交流發(fā)電機(jī)發(fā)電，具有拆卸方便的優(yōu)點(diǎn)，但是會(huì)損耗一部分輪胎動(dòng)能并增加騎行者體力消耗。陳宇侃等[3]提出在自行車上通過(guò)腳踏曲柄帶動(dòng)發(fā)電機(jī)工作進(jìn)行發(fā)電的設(shè)想。梁壯壯等[4]設(shè)計(jì)了傳動(dòng)齒輪與鏈盤齒輪咬合傳動(dòng)，帶動(dòng)發(fā)電機(jī)發(fā)電。鄧麗敏等[5]設(shè)計(jì)了齒輪系結(jié)合直流發(fā)電機(jī)將輪軸動(dòng)能轉(zhuǎn)化為電能。上述設(shè)計(jì)均存在損耗自行車動(dòng)能的缺點(diǎn)，且安裝需要額外占用空間。

針對(duì)現(xiàn)有研究的不足，本文擬利用智能材料—壓電陶瓷來(lái)發(fā)電，通過(guò)收集和轉(zhuǎn)化自行車在騎行中的能量損耗來(lái)產(chǎn)生電能，并根據(jù)壓電發(fā)電的特點(diǎn)設(shè)計(jì)了多種方案以及自行車發(fā)電與供電電路，提高轉(zhuǎn)化效率。

1 壓電效應(yīng)及壓電振子設(shè)計(jì)

利用壓電陶瓷把輪胎與地面接觸擠壓過(guò)程中所耗散的能量搜集起來(lái)，不僅能節(jié)省騎行者體力，而且對(duì)環(huán)境、騎行路況等要求不高。更可貴的是此設(shè)計(jì)是在自行車的現(xiàn)有結(jié)構(gòu)上安裝壓電陶瓷，不需要再占用額外的空間，在空間利用上優(yōu)于現(xiàn)有技術(shù)方案。其中，壓電振子的設(shè)計(jì)是關(guān)鍵之一。由于壓電陶瓷脆性較大，容易受到破壞，因此一般將壓電陶瓷與金屬材質(zhì)的振動(dòng)板粘結(jié)在一起應(yīng)用，即為壓電振子。又考慮到壓電發(fā)電存在電流弱，功率小的問(wèn)題，因此希望增大壓電振子的振動(dòng)幅度以提高轉(zhuǎn)化效率。為了提高轉(zhuǎn)化效率可以從幾個(gè)方面著手，即選擇合適的約束方式、結(jié)構(gòu)，并盡量使諧振頻率接近被收集振動(dòng)的頻率。

壓電振子常見(jiàn)的約束方式包括固支、簡(jiǎn)支、懸臂。懸臂式約束相對(duì)另外兩種約束方式，振子柔性最大，在相同情況下振動(dòng)幅度最大，因此選用懸臂梁式結(jié)構(gòu)。而壓電振子結(jié)構(gòu)包括單面壓電陶瓷結(jié)構(gòu)和雙晶片結(jié)構(gòu)等，雙晶片結(jié)構(gòu)相當(dāng)于把兩層單面壓電陶瓷結(jié)構(gòu)貼在一起，在相同條件的振動(dòng)下其產(chǎn)生的電能是單面壓電陶瓷結(jié)構(gòu)的兩倍，故選用雙晶片結(jié)構(gòu)。此外，由于雙晶片結(jié)構(gòu)包括兩片壓電陶瓷，還需要對(duì)連線方式進(jìn)行設(shè)計(jì)，常見(jiàn)連線方式包括串聯(lián)和并聯(lián)。并聯(lián)可以增加輸出電流，對(duì)電壓影響不大?？紤]到蓄能快慢主要跟電流有關(guān)，因此采用并聯(lián)的方式。再深入到壓電陶瓷內(nèi)部，還有一類多層壓電陶瓷[6]，即把壓電陶瓷做成多層結(jié)構(gòu)，每一層很薄，這樣可以顯著增大各層的電場(chǎng)強(qiáng)度，增強(qiáng)壓電效應(yīng)，使壓電振子能夠發(fā)出更多的電能。

因此，設(shè)計(jì)中的核心原件—壓電振子采用懸臂約束方式、雙晶片結(jié)構(gòu)及并聯(lián)連線方式、壓電陶瓷采用多層結(jié)構(gòu)，保證壓電振子的能量轉(zhuǎn)化效率。

2 設(shè)計(jì)方案一

圖1 方案一示意圖

將壓電振子與免充氣實(shí)心輪胎相結(jié)合，在輪胎周向任一處位置設(shè)置壓電振子。參考圖1，壓電振子平行于輪胎鋼圈的切線放置，雙晶片結(jié)構(gòu)中兩片壓電陶瓷并聯(lián)連接，通過(guò)導(dǎo)線經(jīng)過(guò)輻條導(dǎo)至輪軸處，又通過(guò)電刷與車架上的整流、濾波、穩(wěn)壓電路連接。騎行中，輪胎每一位置周期性接觸地面，當(dāng)輪胎安裝壓電振子的部分與地面發(fā)生擠壓時(shí)，壓電振子發(fā)生彈性形變，當(dāng)輪胎安裝壓電振子的部分與地面脫離接觸后，壓電振子恢復(fù)原形。每一次施加壓力發(fā)生形變時(shí)，壓電振子的兩端會(huì)產(chǎn)生極性相反的電荷，通過(guò)回路而形成電流，從而達(dá)到為蓄電池充電的目的。

3 設(shè)計(jì)方案二

方案一中僅在輪胎周向一處設(shè)置壓電振子，每轉(zhuǎn)一周壓電振子僅工作一次，頻率太低，能量轉(zhuǎn)化效率也太低，因此考慮在輪胎周向布置多處壓電振子，提高能量轉(zhuǎn)化效率。參考圖2，方案二將方案一中的壓電振子數(shù)量增加為三個(gè)，均勻分布在輪周，壓電振子工作頻率提高三倍。工作原理也與方案一的相似。每個(gè)壓電振子雙晶片結(jié)構(gòu)的引線方式也全部為并聯(lián)，最終在輪軸處通過(guò)電刷與車架上的整流、濾波、穩(wěn)壓的電路連接。

圖2 方案二示意圖

4 設(shè)計(jì)方案三

圖3 方案三示意圖

前述設(shè)計(jì)方案二中仍存在著在騎行中壓電振子振動(dòng)頻率太低的問(wèn)題，若能在騎行速度不變的條件下提高振動(dòng)頻率，則可以大大提高輸出的電能。因此，方案三在周向三處均布?jí)弘娬褡拥幕A(chǔ)上，對(duì)每一處壓電振子增加了傳動(dòng)裝置設(shè)計(jì)。參考圖3，在壓電振子一端設(shè)置傳動(dòng)齒輪組，當(dāng)輪胎接觸地面時(shí)A向上滑動(dòng)，帶動(dòng)齒輪B旋轉(zhuǎn)，齒輪B和齒輪C同軸固連，齒輪C與齒輪D為一對(duì)圓錐齒輪（圖中省略了齒輪C和齒輪D的配合齒），因此帶動(dòng)齒輪D在垂直軸上轉(zhuǎn)動(dòng)，齒輪D上有很多凸起，每轉(zhuǎn)一個(gè)小的角度即會(huì)與壓電振子端部發(fā)生多次擠壓，即打擊雙晶片結(jié)構(gòu)的壓電振子，產(chǎn)生電能。電能搜集電路仍采用二極管電橋整流電路。方案三中，所有齒輪的轉(zhuǎn)軸均直接或間接固定在輪胎鋼圈，圖中為了更好展示各齒輪連接關(guān)系，沒(méi)有畫(huà)出齒輪轉(zhuǎn)軸。

5 電路設(shè)計(jì)

方案一和方案三采用普通二極管電橋整流，電路如圖4所示，二極整流電路的核心是4個(gè)整流二極管。利用全波整流電橋保證輸出端電動(dòng)勢(shì)穩(wěn)定，給蓄電池充電。但是波形波動(dòng)較大，有必要進(jìn)一步設(shè)計(jì)濾波、穩(wěn)壓電路。

圖4 二極管全波整流電橋

方案二采用三相二極管整流電路，如圖5所示，三相整流電路的核心是6個(gè)整流二極管組成的電橋。可以分析得到，任何電位情況下，輸出端上端子總為高電位，輸出端下端子總為低電位，即達(dá)到了整流效果，并可以較穩(wěn)定的為蓄電池充電。但是，輸出端電壓仍存在較大波動(dòng)，通過(guò)濾波電容和穩(wěn)壓芯片7805達(dá)到進(jìn)一步的整流、穩(wěn)壓效果。

圖5 三相二極管整流、濾波、穩(wěn)壓電路圖

6 結(jié)論

本論文利用壓電陶瓷進(jìn)行自行車自發(fā)電和儲(chǔ)能技術(shù)研究，具有節(jié)省騎行者體力，而且對(duì)環(huán)境、騎行路況等要求不高的優(yōu)點(diǎn)。研究得出以下主要結(jié)論：

（1）將壓電振子優(yōu)選為懸臂約束方式、雙晶片結(jié)構(gòu)及并聯(lián)連線方式、壓電陶瓷采用多層結(jié)構(gòu)。

（2）方案一提出在輪胎周向任一處位置設(shè)置壓電振子的發(fā)電方案；方案二提出在輪胎周向均布的三處位置設(shè)置壓電振子的發(fā)電方案，發(fā)電效率更高。方案三通過(guò)齒輪組來(lái)增大對(duì)壓電振子的打擊頻率，進(jìn)一步提升發(fā)電效率。

（3）設(shè)計(jì)了二極管全波整流電橋和三相二極管整流、濾波、穩(wěn)壓電路起到對(duì)壓電發(fā)電起到整流、濾波、穩(wěn)壓作用。

此設(shè)計(jì)還有一些不足，例如額外增加了一些成本、對(duì)輪胎彈性有一些損失。