CN102570620A

CN102570620A - 步行能收集系统

Info

Publication number: CN102570620A
Application number: CN2011104423266A
Authority: CN
Inventors: 鹿存跃; 皮文苑
Original assignee: Shanghai Jiaotong University
Current assignee: Shanghai Jiaotong University
Priority date: 2011-12-26
Filing date: 2011-12-26
Publication date: 2012-07-11
Anticipated expiration: 2031-12-26
Also published as: CN102570620B

Abstract

本发明公开了一种步行能收集系统，包括压电发电装置和与之相连的电能收集装置。其中，压电发电装置包括承受步行压力的承力组件、支撑所述承力组件的支撑组件、采用楔形块的组合放大压力的两级式扩力组件、使所述扩力组件和所述承力组件恢复原位的弹性组件、和将机械能转换为电能的压电组件，电能收集装置包括依次级联的整流电路、储能电容、控制电路和稳压电路。本发明将步行过程中的机械能转变为更易于收集和利用的电能，提高了电能收集装置的收集效率，适合于步行的低频激励，并可有效地减小工作中内部组件的疲劳磨损。

Description

步行能收集系统

技术领域

本发明涉及能量收集系统，尤其涉及一种步行能收集系统。

背景技术

随着传统能源的逐渐枯竭，人们对新的、可持续的、清洁的能源投入越来越多的关注。清洁能源包括氢能、核能和可再生能源等。可再生能源是指原材料可以再生的能源，如风力发电、太阳能、生物能、海潮能等，可再生能源不存在能源耗竭的可能，因此日益受到许多国家的重视，因而能量收集便成为一种广泛的开发新能源的方法。目前，能量收集主要以太阳能、风能等自然能的收集利用为主，但太阳能、风能等自然能会受到自然条件的限制，不能稳定地提供能量。其实在我们身边有许多长期稳定的可以开发利用的能源，如人的行走步行能。

对人行走时的能量收集，归结起来主要有电磁传动发电和压电材料发电两种方法。电磁传动发电一般采用机械传动、液压和气动这三种方法带动电磁发电机构运转。比如：在鞋底设置齿轮传动机构，将足底向下的动能转换为旋转能量，再带动电磁发电机产生电能；在鞋底和鞋尖处制造两个液压腔，在液压腔相连处设置涡轮，人行走时液体流动带动涡轮旋转带动发电机；在鞋子内部设置一个具有适合压缩空气的入口和出口的闭合回路作为气动发电机的定子，转子为一个可自由运动、无机械上约束、具有磁场耦合的运动块，采用气动的方法发电。然而，机械传动发电的方法采用了较多的传动环节，液压发电、气动发电的方法又有泄漏问题、结构复杂、成本高，而且由于足底运动的频繁和随意性，电磁传动发电的方法可靠性较低。

在用压电发电进行能量收集方面，也有不少人做过工作，主要有大变形压电梁结构和压电谐振结构两种。如江苏大学2010年6月10日的硕士学位论文《基于压电材料的振动发电装置的研究》中设计了一种压电悬臂梁发电装置，这种悬臂梁结构虽然发电量大，但是由于受到交变应力的反复作用而导致疲劳磨损，致使它的寿命很短。而压电谐振结构不适合于低频激励，如步行能。

因此，本领域的技术人员致力于开发一种步行能收集系统，该系统结构紧凑、寿命长、发电量大，适合于个人步行能的收集。

发明内容

有鉴于现有技术的上述缺陷，本发明所要解决的技术问题是提供一种步行能收集系统，适合于步行的低频激励，并有效减小工作中内部组件的疲劳磨损，因此具有较长的使用寿命。

为实现上述目的，本发明提供了一种步行能收集系统，包括压电发电装置和与之相连的电能收集装置，其特征在于：所述压电发电装置包括承受步行压力的承力组件、支撑所述承力组件的支撑组件、采用楔形块的组合放大压力的分级式扩力组件、使所述扩力组件和所述承力组件恢复原位的弹性组件和将机械能转换为电能的压电组件，所述承力组件的承力板与所述支撑组件的外套筒之间设有橡胶垫片，所述扩力组件、所述弹性组件和所述压电组件设置在所述支撑组件的内套筒中，所述内套筒的外螺纹和所述外套筒的内螺纹相啮合；所述电能收集装置包括依次级联的整流电路、储能电容、控制电路和稳压电路。

进一步地，所述承力组件包括升降轴，所述升降轴的下部结构的纵截面为梯形。

进一步地，所述支撑楔形块和所述压电楔形块对所述承力组件承受的所述步行压力进行两级放大。

进一步地，所述扩力组件的所述支撑楔形块的第一接触斜面与所述承力组件的所述升降轴的接触斜面相接触，对所述步行压力进行第一级放大。

进一步地，所述扩力组件的所述支撑楔形块的第二接触斜面与所述压电楔形块的接触斜面相接触，对所述步行压力进行第二级放大。

进一步地，所述支撑楔形块的第一接触斜面和所述压电楔形块的接触斜面上均设有凹槽。

进一步地，所述支撑楔形块的第一接触斜面和所述压电楔形块的接触斜面上均涂有耐磨润滑材料。

进一步地，所述支撑楔形块的第一接触斜面和所述压电楔形块的接触斜面上均分布有滚珠。

进一步地，所述弹性组件是弹簧或弹簧组。

进一步地，所述压电组件包括以叠层结构分布的多个压电陶瓷片，多个电极片，一个正电荷引线和一个负电荷引线；每个电极片被置于两个相邻且极化方向相反的压电陶瓷片之间；带有正电荷的电极片相互并联并与所述正电荷引线相连，带有负电荷的电极片相互并联并与所述负电荷引线相连；所述正电荷引线和所述负电荷引线与所述电能收集装置的所述整流电路相连接。

在本发明的较佳实施方式中，在加力过程，步行压力作用在承力组件上，承力组件的升降轴对扩力组件的支撑楔形块产生第一挤压压力，该挤压压力大于步行压力，实现对步行压力进行第一级放大。当支撑楔形块受到第一挤压压力时，会对压电楔形块产生第二挤压压力，该第二挤压压力大于升降轴施加到支撑楔形块的第一挤压压力，实现对步行压力进行第二级放大。此采用楔形块的组合放大压力的两级式扩力组件能够使人作用在承力组件上的压力放大数十倍甚至数百倍。被放大的压力作用在压电组件的以叠层结构分布的压电陶瓷片上，压电陶瓷片受到压力发生形变而产生电荷。在撤力过程，弹性组件的弹簧组使扩力组件的支撑楔形块和承力组件的升降轴恢复原位，压电陶瓷片受到的压力减小时，压电陶瓷片上产生的电荷随之减少。压电陶瓷片之间的电极片收集加力过程以及撤力过程的压电陶瓷片表面上的电荷，并传送到电能收集装置。此电流通过电能收集装置的全桥整流电路整流为直流电流，对储能电容充电。电能收集装置的控制电路控制储能电容的充放电过程，电能收集装置的稳压电路将储能电容放出的电能转换为恒定的5V或其它恒定电压输出，以充入充电电池或者后续的电路。

本发明的步行能收集系统采用楔形块的组合放大压力的两级式扩力组件和压电组件将机械能转变为更容易收集和利用的电能，提高了电能收集装置的收集效率，且适合于步行的低频激励，并能有效地减小工作中内部组件的疲劳磨损。本发明寿命长、发电量大、结构紧凑，适合应用于个人步行能的收集。

以下将结合附图对本发明的构思、具体结构及产生的技术效果作进一步说明，以充分地了解本发明的目的、特征和效果。

附图说明

图1是本发明的一个较佳实施例的步行能收集系统的压电发电装置的结构示意图。需要理解，图中所示的本发明的步行能收集系统的压电发电装置为对称结构，因此对于图中一侧结构的标记与描述也适用于其对称部位的结构。

图2是本发明的一个较佳实施例的步行能收集系统的压电发电装置的压电组件5的结构示意图。

图3是本发明的一个较佳实施例的步行能收集系统的电能收集装置的电路图。

具体实施方式

本发明的步行能收集系统的压电发电装置包括支撑组件、承力组件、扩力组件、弹性组件和压电组件5。如图1所示，其中支撑组件包括内套筒11、外套筒12和橡胶垫片13，承力组件包括承力板21和升降轴22，扩力组件包括压电楔形块31和支撑楔形块32，弹性组件包括支撑弹簧41和回复弹簧42。其中，承力组件的承力板21的底端和升降轴22的上部柱体结构的顶端相连，升降轴22的下部结构的纵截面是梯形。承力板21通过支撑组件的橡胶垫片13与支撑组件的外套筒12相连。支撑组件的内套筒11中包括扩力组件、弹性组件和压电组件5，通过内套筒11的外螺纹和外套筒12的内螺纹啮合，完成本发明的步行能收集系统的压电发电装置在结构上的装配。其中，压电组件5、压电楔形块31、支撑楔形块32、升降轴22的下部结构、内套筒11和外套筒12的各接触面/斜面之间可实现精确地贴合。弹性组件的支撑弹簧41和回复弹簧42处于适当的紧张状态。

在使用中，当人踩踏本发明的步行能收集系统的压电发电装置时，将发生加力和撤力两个过程。在加力过程中，步行压力作用在承力组件上，承力组件的升降轴22向下运动，通过相接触的升降轴的接触斜面221和支撑楔形块32的第一接触斜面321，挤压扩力组件的支撑楔形块32。通过设计此两个接触斜面的倾斜角度，可以得到大于步行压力的第一挤压压力，从而实现对步行压力的第一级放大，例如放大十倍。当支撑楔形块32受到第一挤压压力时，会向内套筒11的内壁方向运动，通过相接触的支撑楔形块32的第二接触斜面322和压电楔形块31的接触斜面311，挤压扩力组件的压电楔形块31。通过设计此两个接触斜面的倾斜角度，可以得到大于第一挤压压力的第二挤压压力，从而实现对步行压力的第二级放大，例如再次放大十倍。这样，可以看出通过使用此两级式扩力组件能够使人作用在承力组件上的压力放大数十倍甚至数百倍。压电楔形块31受到第一挤压压力时，会向压电组件5的方向运动，通过与压电组件5相接触的接触面，挤压压电组件5，从而将比步行压力大数十倍甚至数百倍的压力作用在压电组件5上，使压电组件5发生形变，压电组件5上产生电荷。在撤力过程中，步行压力从承力组件上被撤去，弹性组件的支撑弹簧41使承力组件的升降轴22恢复原位，弹性组件的回复弹簧42使扩力组件的支撑楔形块32和恢复原位，扩力组件的压电楔形块31在弹力作用下恢复原位，同时压电组件5恢复形变。压电组件5受到的压力减小时，压电组件5上产生的电荷随之减少。

支撑楔形块32和压电楔形块31的各个受力面，包括支撑楔形块32的第一接触斜面321和第二接触斜面322、压电楔形块31的接触斜面311、支撑楔形块32与内套筒11接触的接触面、以及压电楔形块31与内套筒11接触的接触面，其上有凹槽33用于减小支撑楔形块32和压电楔形块31在移动过程中的磨损。可替代地，也可以采用在所述各个受力面上涂布耐磨润滑材料或布置滚珠的方式来减小支撑楔形块32和压电楔形块31在移动过程中的磨损。

压电组件5上产生的电荷将通过电极片收集，如图2所示，本发明的步行能收集系统的压电组件5包括多个压电陶瓷片51、多个电极片52、正电荷引线53和负电荷引线54。压电陶瓷片51以叠层结构分布，并且相邻两片压电陶瓷片51具有相反的极化方向。电极片52被设置在每两个相邻的压电陶瓷片51之间。由于在受到压力发生形变或者撤去压力恢复形变的过程中，压电陶瓷片51的两个相对的面上产生的是极性互相相反的电荷，因此在图2显示的压电组件5中，每一个电极片52的上下两个电极表面收集的是同种电荷，但相邻两个电极片52收集的电荷极性互相相反，因此需要将收集不同极性的电荷的电极片52分别引出。即在压电组件受到压力发生形变的过程中，带有正电荷的电极片相互并联并与正电荷引线53相连，带有负电荷的电极片相互并联并与负电荷引线54相连，从而正电荷引线53上收集的是正电荷，负电荷引线54上收集的是负电荷。

收集的电荷被传送到本发明的步行能收集系统的电能收集装置，如图3所示，本发明的步行能收集系统的电能收集装置包括依次连接的整流电路、储能电容C、控制电路和稳压电路。压电组件5在图中表示为电流源，正电荷引线53和负电荷引线54连接到电能收集装置的整流电路。本发明的电能收集装置的整流电路可以简化电能收集装置和压电发电装置之间的电路连接，即压电组件5的正电荷引线53和负电荷引线54只需要分别接在整流电路的两个输入端，无论正负，在整流电路的两个输入端都能得到确定电流流向的直流电流对储能电容C充电。本实施例中采用的整流电路是全桥整流电路BRIDGE。

电能收集装置的控制电路用于控制储能电容C的充放电过程。在本实施例中控制电路包括BJT开关电路和MOSFET管Q2，其中使用的BJT开关电路由三极管Q1、电阻R3、稳压二极管D2、电阻R1、电阻R7和电阻R2以如图3所示的方式构成。MOSFET管Q2的源极和栅极分别与BJT开关电路的稳压二极管D2和三极管Q1的集电极连接，MOSFET管Q2的漏极接地。这样，当储能电容C两端的电压未达到预设电压值时，控制电路处于高阻抗状态，储能电容C继续充电，当储能电容C两端的电压超过预设电压值时，控制电路的MOSFET管Q2将导通，使储能电容C放电。

电能收集装置的稳压电路用于将储能电容C放出的电能转换为恒定的电压输出。在本实施例中稳压电路由芯片MAX666、电容C2、电容C4、电阻R5和电阻R6构成，其中储能电容C的一端直接连接芯片MAX666的引脚VIN(POS)，该端经过电阻R5与芯片MAX666的引脚LBI连接，芯片MAX666的引脚LBI经过电阻R6接地，芯片MAX666的引脚LBO经过电容C2与BJT开关电路的电阻R7连接到BJT开关电路的三极管Q1发射极上，芯片MAX666的引脚VOUT经过电容C4接地，芯片MAX666的引脚SENSE、引脚SHON和引脚VSET并联接地，芯片MAX666的引脚GND接地。在控制电路使储能电容C放电后，稳压电路将储能电容C放出的电能转换为恒定的5V或其它的恒定电压输出，以充入充电电池或者后续的电路。

以上详细描述了本发明的较佳具体实施例。应当理解，本领域的普通技术人员无需创造性劳动就可以根据本发明的构思做出诸多修改和变化。因此，凡本技术领域的技术人员依本发明的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在由权利要求书所确定的保护范围内。

Claims

1.一种步行能收集系统，包括压电发电装置和与之相连的电能收集装置，其特征在于：所述压电发电装置包括承受步行压力的承力组件、支撑所述承力组件的支撑组件、采用楔形块的组合放大压力的分级式扩力组件、使所述扩力组件和所述承力组件恢复原位的弹性组件和将机械能转换为电能的压电组件，所述承力组件的承力板与所述支撑组件的外套筒之间设有橡胶垫片，所述扩力组件、所述弹性组件和所述压电组件设置在所述支撑组件的内套筒中，所述内套筒的外螺纹和所述外套筒的内螺纹相啮合；所述电能收集装置包括依次级联的整流电路、储能电容、控制电路和稳压电路。

2.如权利要求1所述的步行能收集系统，其中所述承力组件包括升降轴，所述升降轴的下部结构的纵截面为梯形。

3.如权利要求2所述的步行能收集系统，其中所述扩力组件包括支撑楔形块和位于所述支撑楔形块上方的压电楔形块，所述支撑楔形块和所述压电楔形块对所述承力组件承受的所述步行压力进行两级放大。

4.如权利要求3所述的步行能收集系统，其中所述扩力组件的所述支撑楔形块的第一接触斜面与所述承力组件的所述升降轴的接触斜面相接触，对所述步行压力进行第一级放大。

5.如权利要求4所述的步行能收集系统，其中所述扩力组件的所述支撑楔形块的第二接触斜面与所述压电楔形块的接触斜面相接触，对所述步行压力进行第二级放大。

6.如权利要求5所述的步行能收集系统，其中所述支撑楔形块的第一接触斜面和所述压电楔形块的接触斜面上均设有凹槽。

7.如权利要求5所述的步行能收集系统，其中所述支撑楔形块的第一接触斜面和所述压电楔形块的接触斜面上均涂有耐磨润滑材料。

8.如权利要求5所述的步行能收集系统，其中所述支撑楔形块的第一接触斜面和所述压电楔形块的接触斜面上均分布有滚珠。

9.如权利要求1到8中的任何一个所述的步行能收集系统，其中所述弹性组件是弹簧或弹簧组。

10.如权利要求9所述的步行能收集系统，其中所述压电组件包括以叠层结构分布的多个压电陶瓷片，多个电极片，一根正电荷引线和一根负电荷引线；每个电极片被置于两个相邻且极化方向相反的压电陶瓷片之间；带有正电荷的电极片相互并联并与所述正电荷引线相连，带有负电荷的电极片相互并联并与所述负电荷引线相连；所述正电荷引线和所述负电荷引线与所述电能收集装置的所述整流电路相连接。