一種智能發(fā)電跑道的設計★

康荻通， 高星敏， 鄭婷一

（山西能源學院， 山西 晉中 030600）

引言

傳統(tǒng)能源是不可再生的一次能源，我國不僅是能源利用大國，而且是開采大國，因此，能源的可持續(xù)發(fā)展已然成為社會關注的焦點問題。我國新能源的開發(fā)主要包括太陽能、熱能和機械能等。太陽能的能流密度低，受自然隨機因素影響較大，且產電的效率較低，成本高。熱能屬于可再生比較慢的一種資源，受地域限制，屬于小眾新能源。機械能在我國絕大部分應用于風力與水力發(fā)電，而這兩種發(fā)電也受地域影響大，且開發(fā)成本高。在我們生活中，利用壓力發(fā)電的系統(tǒng)并不多。本文介紹的系統(tǒng)對人跑步時產生的壓力進行收集并與浮力擺相結合，使機械能最大化轉化為電能。

1 總體設計思路

在傳統(tǒng)跑道的基礎上加入發(fā)電裝置，發(fā)電裝置由浮力擺帶動液壓馬達發(fā)電與壓電陶瓷發(fā)電，加入運動數(shù)據(jù)記錄采集系統(tǒng)，激勵人們跑步。

1）采用壓電陶瓷發(fā)電。壓電陶瓷在壓力的作用下，其表面會影響產生一個帶電金屬離子，這種方法被稱為壓電效應。人在行走時會對壓電材料產生壓力，從而將人行走時的機械能轉換為電能。壓電陶瓷是一類具有壓電特性的材料，地板樣式選擇三角形，三個支點都安裝了均為3 cm×5 cm 規(guī)格的壓電陶瓷片作為發(fā)電裝置[1-2]，如圖1 所示，使得壓電片的受力更加均衡，便于每塊地板之間的拼接，發(fā)電效率更高。

2）浮力擺帶動液壓馬達發(fā)電系統(tǒng)通過浮力擺將捕獲的波浪能以機械能的形式作用到液壓缸上，液壓缸通過液壓回路以液壓能的形式傳遞至變量馬達，變量馬達帶動永磁同步發(fā)電機發(fā)電，永磁同步發(fā)電機發(fā)出交流電輸出至蓄電池及負載。浮力擺帶動液壓馬達發(fā)電時所需要的波浪由跑道下的彈簧系統(tǒng)連接杠桿產生，如圖2 所示。

2 各單元設計思路

2.1 壓電陶瓷發(fā)電單元

通過對壓電材料的綜合分析與考量，選擇無機壓電材料中的壓電陶瓷（鋯鈦酸鉛PZT）具有以下優(yōu)點：高機電耦合系數(shù)和高壓電應變常數(shù)、大電阻率、時間和溫度穩(wěn)定性強、耐酸性強。鋯鈦酸鉛材質能做出形態(tài)各異的結構，適用性強。

如下頁圖4 所示，壓電陶瓷并聯(lián)工作增加了總電容量，時間常數(shù)可以增加，輸出信號電荷信息量大，適用于在收集電荷的地方。當壓電陶瓷用于發(fā)電時，主要問題是如何提高其負載能力，即如何提高輸出電流。

不同的人在跑步過程中對跑道的壓力不同，導致壓電陶瓷的受力不同，因此，壓電陶瓷輸出的電壓會不穩(wěn)定，產生的是交流電。使用全橋校正器對不穩(wěn)定的交流電進行整流后，儲存在超級電容，將電壓穩(wěn)定下來，再儲存到可充電的鎳氫電池中，該電池中的電能也能夠被后續(xù)使用。該部分電路如圖5 所示。

壓電陶瓷的堆疊和平坦鋪設是一種常見的鋪設方案，但由于需要很大的外力來作用，所以跑道情況下不宜使用。雖然平鋪并聯(lián)連接模式可以在小壓力情況下使用，但其低發(fā)電密度限制了其大面積使用。水平間隔堆疊式與發(fā)電密度較高相比，結構設計略為復雜，且適用于壓力較小的情況，最適合跑道發(fā)電的水平間隔堆疊并聯(lián)方式。具體見圖6、圖7。

2.2 浮力擺帶動液壓馬達發(fā)電單元

通過人踩踏跑道使彈簧壓縮，彈簧帶動杠桿，通過杠桿使跑道下水槽內的水產生波浪，進而帶動浮力擺驅動液壓馬達，帶動發(fā)電機發(fā)電。如圖8 所示，該系統(tǒng)通過浮力擺將捕獲的波浪能以機械能的形式作用到液壓缸上，液壓缸通過液壓回路以液壓能的形式傳遞至液壓馬達，液壓馬達帶動永磁同步發(fā)電機發(fā)電，永磁同步發(fā)電機發(fā)出交流電輸出至蓄電池及負載。該系統(tǒng)通過變量馬達排量控制調節(jié)發(fā)電機轉速，提高發(fā)電機效率，使電壓頻率恒定。利用蓄能器吸收由于外力波動造成的液壓回路液壓能的波動，穩(wěn)定輸出至變量馬達的電壓，能滿足用戶負載及蓄電池對輸出電壓的要求。

由浮力擺捕獲波浪能推動液壓缸，將液壓油通過軟管輸出，然后經(jīng)蓄能器輸出到液壓馬達，液壓馬達在液壓油的帶動下驅動發(fā)電機。液壓馬達入口連接主回路，出口連接輔助回路，兩回路均有蓄能器液壓系統(tǒng)，包含2 個回路：一是閉式主回路，通過液壓缸傳遞能量。二是補油回路。主油路中液壓馬達的吸入流量可以直接由液壓缸無桿腔供給，改變液壓缸的運動發(fā)展方向，不會發(fā)生改變液壓馬達油輸入、數(shù)據(jù)輸出的設計方向。當浮力擺動換向系統(tǒng)運動時，液壓缸的一側無桿腔逐漸轉變?yōu)榈蛪何雮?，無桿腔由有桿腔吸油而實現(xiàn)卸壓，液壓缸吸油量不斷增加，從而實現(xiàn)自動卸壓，通過平穩(wěn)換向使液壓缸運動。同時，供油裝置補充閉合主回路的漏油，如圖9 所示。

2.3 電能的控制及使用單元

如圖10 所示，能源跑道采用STM32 單片機作為主控板，主控板負責控制壓電陶瓷模塊與液壓馬達模塊。經(jīng)過壓電陶瓷地板中的電壓監(jiān)測裝置的反饋，以及液壓馬達發(fā)電監(jiān)測模塊的反饋，主控板控制蓄電池A和蓄電池B分別進行充放電。使用前須提前將蓄電池A充滿電，通過STM32 系統(tǒng)定時器設定需要用電處的能源控制，如果發(fā)生用電指令，則蓄電池A 優(yōu)先進行供電，能源跑道發(fā)電系統(tǒng)給蓄電池B 充電。蓄電池A 中電能耗盡時，系統(tǒng)切換為蓄電池B 供電，蓄電池A 充電。能源跑道利用的發(fā)電原理是壓電效應以及浮力擺帶動液壓馬達發(fā)電，在發(fā)電裝置與蓄電池之間放置一個超級電容，壓電陶瓷片形變以及液壓馬達產生的電能通過超級電容平抑電壓波動，再將電能儲存進蓄電池[3]。

2.4 彈簧系統(tǒng)的一舉兩得

彈簧為浮力擺帶動液壓馬達發(fā)電提供基本的動力。選擇不同的彈簧，不僅有利于更好地發(fā)電，而且考慮到了人們的舒適度，人們可以根據(jù)彈簧不同的彈性系數(shù)，選擇不同的跑道。

3 能源跑道創(chuàng)新點

1）“四兩撥千斤”。利用杠桿原理，將人在跑步時對跑道的小壓力轉化為產生波浪的大動力。杠桿一端接收人對跑道的壓力（跑道下安有彈簧，壓力體現(xiàn)在彈簧的形變），另一端連接水槽制造波浪，通過浮力擺選擇符合自己舒適度的跑道。

2）波浪能以機械能的形式傳遞至液壓馬達，液壓馬達進而帶動發(fā)電機產生電能。跑道將根據(jù)不同的彈簧分為幾個重量級的道，跑步者可根據(jù)自己的舒適度選擇跑道。

3）“不積小流，無以成江?！?。采用壓電陶瓷片進行踩踏發(fā)電，壓電材料陶瓷在多片并聯(lián)的情況下，其兩端發(fā)展所產生的電壓將以倍數(shù)的幅度遞增。由于單個壓電陶瓷發(fā)展產生的電能不足以供應管理控制和照明設計部分，因此信息系統(tǒng)可以采用多個壓電陶瓷并聯(lián)連接，以增加壓電陶瓷產生的總電能。

4）每一條跑道下安裝的彈簧彈性系數(shù)不同，安裝彈簧主要是為了帶動杠桿產生波浪帶動浮力擺進而發(fā)電，人們可以選擇適合自己跑步舒適度的跑道。

4 應用前景

目前市面上的跑道大多數(shù)是傳統(tǒng)跑道，傳統(tǒng)跑道不僅舒適度欠缺，而且不能采集人們跑步時的機械能，此能源跑道不僅考慮到運動者的舒適度，而且最大化地利用了運動中流失的能量，將這些能量轉換為電能，積少成多，造福人類。相信在不久的將來，能源跑道將占領大多數(shù)跑道市場。