一種便攜式振動能量回收裝置*

趙智堃 ， 許雨寒 ， 朱大松 ， 許 鋒 ， 楊胡坤

（巢湖學(xué)院機械工程學(xué)院，安徽 合肥 238024）

1 概述

隨著經(jīng)濟的快速發(fā)展和人民生活水平的日益提高，人們戶外旅游的興趣與日俱增，電能也已經(jīng)成為人們?nèi)粘Ｉ钪胁豢苫蛉钡囊徊糠帧；诖?，課題組設(shè)計了一種便攜式振動能量回收裝置，以方便人們用電。

當(dāng)前，針對振動能量回收利用的研究，成果頗豐。美國得克薩斯州的大學(xué)生基于壓電技術(shù)成功設(shè)計了一款袖珍風(fēng)車；陳子光等[1]研究壓電陶瓷圓柱殼的扭轉(zhuǎn)振動問題并建立了輸出電壓、電流、能量、效率及功率密度的解析表達式；張揚鍵等[2]介紹了一種結(jié)合壓電式能量采集與靜態(tài)能量采集的復(fù)合式振動能量采集器；李軍等[3]通過對圓形壓電振子的研究，發(fā)現(xiàn)圓形壓電振子的共振頻率、靜態(tài)電容、動態(tài)電容隨其預(yù)應(yīng)力的增加而增大，在達到一定數(shù)值后三者趨于穩(wěn)定，且圓形壓電振子的動態(tài)電感恒定不變；孔凡國等[4]利用車輛產(chǎn)生振動的能量，通過導(dǎo)向柱及磁棒上下運動切割磁感線來產(chǎn)生感應(yīng)電流。

前人的研究大多單一集中在壓電或磁電領(lǐng)域，基于此，課題組將壓電-磁電結(jié)構(gòu)相互結(jié)合，以期綜合提高磁電轉(zhuǎn)換與壓電轉(zhuǎn)換的效率，從而提高振動能量的利用率。

2 便攜式壓電儲能裝置功能要求

便攜式壓電儲能裝置的關(guān)鍵技術(shù)是利用壓電陶瓷的壓電效應(yīng)和電磁發(fā)電，以達到充分利用能量的目的。故課題組設(shè)計的壓電儲能結(jié)構(gòu)要求如下：1）結(jié)構(gòu)簡單，穩(wěn)定可靠，質(zhì)量輕，體積小，便于攜帶；2）充分利用能量，將壓電材料和磁場切割相結(jié)合，提高振動能量轉(zhuǎn)化為電能的效率并儲存起來。

3 便攜式壓電儲能裝置的結(jié)構(gòu)設(shè)計

便攜式壓電儲能裝置由底座、壓電陶瓷材料線圈、蓄電池、插座、回收電路模塊、上端蓋彈簧和支撐座組成。當(dāng)人行走或機器運行時產(chǎn)生振動，即在外部振動激勵源的作用下，彈簧上的永磁體作為振子產(chǎn)生振動。一方面，永磁體在固定線圈內(nèi)產(chǎn)生切割磁力線作用，產(chǎn)生交流電流[5]；另一方面，振動對壓電材料產(chǎn)生擠壓作用，壓電材料也將產(chǎn)生間歇性電流[6]。通過電能回收裝置，使兩者所產(chǎn)生的電流耦合，并儲存到能量收集裝置中（如蓄電池、電容），便于用電裝置的使用。課題組設(shè)計的便攜式壓電儲能裝置結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 便攜式壓電儲能裝置結(jié)構(gòu)示意圖

3.1 磁電轉(zhuǎn)換機構(gòu)

在外部振動激勵源的作用下（如人或機器工作時產(chǎn)生的振動），裝置中的彈簧振子將發(fā)生一定幅度的上下振動，帶動永磁體在固定線圈內(nèi)振動，從而產(chǎn)生切割磁力線作用，產(chǎn)生交變感應(yīng)電流。通過電能回收電路，把電能儲存在能量收集裝置中，其工作原理如圖2所示。能量收集裝置主要由磁電轉(zhuǎn)換裝置、整流穩(wěn)壓電路及蓄電器三部分組成，課題組將從分別從人體步行和車輛運行兩種情況分析其對振動能量的回收情況，以確定該裝置振動能量回收的功率范圍。

圖2 磁電轉(zhuǎn)換原理

3.1.1 人體步行振動能量

線圈做切割磁力線運動所產(chǎn)生的平均電壓公式為：

式中，N為線圈匝數(shù)；S為磁鐵橫截面積，m2；B為磁場強度，T；T為切割磁力線周期時間，s。

研究表明，人體運動時，步頻一般為0.5 s/步（即每走一步的時間為0.5 s）。若磁鐵直徑為4 cm，則磁鐵橫截面積為：

設(shè)B=1 T，N=2 000，ΔT=0.25 s，則平均電壓為：

設(shè)線圈直徑為0.2 mm，電阻為10 Ω，外電路電阻100 Ω，則平均電流為：

則人體步行時產(chǎn)生的振動能量磁電轉(zhuǎn)換回收功率為：

3.1.2 車輛振動能量

車輛在行駛過程中，經(jīng)過減速帶產(chǎn)生的振動能量較大[4]。汽車正常行駛時，振動頻率在0.2 Hz ～8 Hz，為綜合考慮汽車正常運行時所產(chǎn)生的振動能量并考慮振動幅度，故在計算分析時，設(shè)汽車在正常行駛過程中的振動周期ΔT=0.2 s（5 Hz）。由此代入式（1），可以得到汽車在正常行駛過程中磁電轉(zhuǎn)換所得電壓：

同理可得平均電流為：

則此時車輛振動產(chǎn)生的振動能量磁電轉(zhuǎn)換回收功率為：

3.2 壓電陶瓷發(fā)電機構(gòu)

當(dāng)壓電陶瓷材料被施加外界壓力，壓電陶瓷材料會發(fā)生一個形變，此時對應(yīng)的受力面改變了壓電材料表面的電中和狀態(tài)，分別在兩個面產(chǎn)生等量的正負電荷，即壓電效應(yīng)[7]。

壓電陶瓷發(fā)電機構(gòu)整體由上下兩片壓電陶瓷和中間的彈簧組成。在外部振動激勵下，彈簧發(fā)生形變且會在上下兩端產(chǎn)生反向的擠壓力，對固定在上下兩部分的壓電陶瓷材料產(chǎn)生擠壓。壓電材料受到外力作用時對外輸出電荷，將振動能轉(zhuǎn)化為電能。壓電材料發(fā)電原理如圖3所示，壓電發(fā)電公式為[8]：

圖3 壓電陶瓷發(fā)電原理

式中，ω為等效電源角頻率，Hz；U為作用方向上壓電陶瓷的電壓，V；C為作用方向上壓電陶瓷的電容，F(xiàn)；R為負載電阻，Ω。

人體步行時所產(chǎn)生的振動能量經(jīng)壓電材料轉(zhuǎn)換后，產(chǎn)生的電能微乎其微，故不進行理論計算分析。

根據(jù)上文車輛振動能量計算條件，設(shè)壓電陶瓷等效電壓為24 V，等效電容50 μF，等效頻率為5 Hz，負載電阻為40 Ω，則：

此時車輛振動產(chǎn)生的振動能量壓電發(fā)電轉(zhuǎn)換回收功率為：

由以上計算可知，在振動能量回收中，磁電轉(zhuǎn)換裝置的轉(zhuǎn)換功率要比壓電發(fā)電轉(zhuǎn)換大得多。綜合分析可以發(fā)現(xiàn)，所設(shè)計的振動能量回收裝置轉(zhuǎn)換回收功率范圍為：

因此，當(dāng)日常所產(chǎn)生的振動能量被合理地利用起來，可對人們?nèi)粘Ｉ钪械膽?yīng)急用電產(chǎn)生重要作用。

4 便攜式壓電儲能裝置電路原理

永磁體作為振子，其在振動激勵作用下于固定的線圈內(nèi)按一定振幅振動，產(chǎn)生切割磁力線運動，從而產(chǎn)生感應(yīng)交變電流[9]。感應(yīng)電流是交變電流，電流通過整流器可轉(zhuǎn)變成直流電，將電能儲存在電池中。壓電陶瓷發(fā)電裝置通過擠壓放電，再經(jīng)過整流電橋轉(zhuǎn)化成直流電流，最終將電能儲存在蓄電池中[10]。便攜式壓電裝置電路原理如圖4所示。

圖4 便攜式壓電裝置電路原理

5 結(jié)論

課題組將壓電-磁電結(jié)構(gòu)相互結(jié)合，設(shè)計了一種便攜式能量回收裝置，旨在充分回收人類行走或機器振動產(chǎn)生的振動能量，本文結(jié)論如下：1）設(shè)計了一款便攜式振動能量回收裝置，該裝置體積小、便于攜帶，適用于回收人體行走或機械振動產(chǎn)生的能量；2）所設(shè)計的裝置在結(jié)構(gòu)上利用外界激勵振動作用于彈簧振子上，形成對壓電材料的擠壓及磁場切割產(chǎn)生電能并回收。