专利名称：群体步行能收集系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及能量收集系统，尤其涉及一种群体步行能收集系统。
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。考虑到像上海、北京等这样的大城市，每天的人流十分密集，轨道交通更是首当其冲，每天近有600万人次的客流量，如果将这些人流所产生的踩踏能收集利用起来，其发电量将十分可观。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。浙江工商大学2009年10月发表的《压电叠堆式发电装置的建模与仿真分析》中提出了一种压电叠堆式的发电装置，它虽然利用叠堆压电陶瓷来增大发电量，但是总体发电量还是较小。因此，本领域的技术人员致力于开发一种群体步行能收集系统，该系统将发电量增大数十倍甚至数百倍，能够用于公共场所内庞大的人流量的电能收集。
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群体步行能收集系统，利用叠堆压电陶瓷的压电组件及扩力组件将发电量增大数十倍甚至数百倍，适合于步行的低频激励，并能具有更为长久的寿命。为实现上述目的，本发明提供了一种群体步行能收集系统，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接受步行压力的承力块、放大所述步行压力的扩力组件、将机械能转换为电能的压电组件和底座，所述扩力组件包括拉轴、套筒和压力轴，所述压电组件被设置于所述套筒的内部，所述压力轴穿过所述套筒和所述压电组件，所述压力轴与所述承力块相连；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，所述压力轴的承力端在所述套筒的外部，并固定于所述承力块上，所述压力轴具有挤压端，所述挤压端位于所述套筒内部。进一步地，所述压电组件的固定面与所述套筒的内底面贴合。进一步地，所述压电组件的受压面与所述挤压端接触。进一步地，所述拉轴的一端通过螺纹连接部件固定在所述套筒上，所述拉轴的另一端固定于所述底座上。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、一根正电荷引线与一根负电荷引线；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。进一步地，所述整流电路为全桥整流电路。进一步地，所述控制电路由BJT开关电路和MOSFET管连接而成。进一步地，其中所述稳压电路包括用于输出5V或固定电压的MAX666芯片。在本发明的较佳实施方式中，在加力过程，步行压力通过踏板作用在承力块上，承力块产生向下运动的趋势，通过固定其上压力轴的承力端，迫使左右两侧的压力轴弯曲，并使压力轴的挤压端向套筒的底面方向产生横向运动的趋势。此时步行压力分解成左右压力轴上的拉力，这个拉力可以达到步行压力的数十倍甚至数百倍。由于套筒处于固定状态，套筒内部的压电组件的固定面与所述套筒的底面贴合，因此挤压端将通过与其接触的压电组件的受压面挤压压电组件，将所述拉力转换成作用在压电组件上的压力，压电组件的压电陶瓷片在此压力的作用下发生形变产生电荷。在撤力过程，加力过程中处于紧张状态的拉轴恢复形变，使压力轴和承力块回复原位，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。本发明的群体步行能收集系统利用叠堆压电陶瓷的压电组件及扩力组件将发电量增大数十倍甚至数百倍，将机械能转变为更容易收集和利用的电能，本发明的电能收集装置将压电组件所产生的杂乱的、不可直接使用的电能经过电路的处理后储存起来或直接为后续电路供能。本发明适合于步行的低频激励，并能具有更为长久的寿命，用于地铁等公共场所内庞大的人流量，能收集到大量的电能。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。
图1是本发明的一个较佳实施例的群体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群体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群体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群体步行能收集系统的电能收集装置的电路图。
具体实施例方式如图1所示，本发明的群体步行能收集系统的压电发电装置为对称结构，包括承力块1、底座4和左右对称分布的两个扩力组件及两个压电组件5，其中扩力组件包括拉轴 21、套筒22和压力轴23。压力轴23穿过套筒22，压力轴23的承力端23I在套筒22之外， 并固定于承力块1。压力轴23具有挤压端232。拉轴21的一端211通过螺纹连接部件213 固定在套筒22上，拉轴21的另一端212固定于底座4。压电组件5被设置于套筒22内部， 压电组件5的固定面55与套筒22的底面221贴合。挤压端232与压电组件5的受压面56 接触。在使用中，当人踩踏本发明的群体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，步行压力通过踏板(未图示)作用在承力块1上，承力块1产生向下运动的趋势，通过固定其上压力轴23的承力端231，迫使左右两侧的压力轴 23弯曲，并使压力轴23的挤压端232向套筒22的底面221方向产生横向运动的趋势。此时步行压力分解成左右压力轴23上的拉力，这个拉力可以达到步行压力的数十倍甚至数百倍。由于套筒22处于固定状态，套筒内部的压电组件5的固定面55与所述套筒22的底面221贴合，因此挤压端232将通过与其接触的压电组件5的受压面56挤压压电组件5，将所述拉力转换成作用在压电组件5上的压力，压电组件5发生形变产生电荷。在撤力过程中，步行压力从承力块1上被撤去，加力过程中处于紧张状态的拉轴21恢复形变，使压力轴 23和承力块1回复原位。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。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M相连，从而正电荷引线53上收集的是正电荷，负电荷引线M上收集的是负电荷。在压电组件受到负压力时， 正电荷引线53上收集的是负电荷，负电荷引线M上收集的是正电荷。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M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M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RI、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Ql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的一端直接连接用于输出5V或固定电压的芯片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 Ql发射极上，芯片MM666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。
权利要求
1.一种群体步行能收集系统，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接受步行压力的承力块、放大所述步行压力的扩力组件、将机械能转换为电能的压电组件和底座，所述扩力组件包括拉轴、套筒和压力轴，所述压电组件被设置于所述套筒的内部，所述压力轴穿过所述套筒和所述压电组件，所述压力轴与所述承力块相连；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所述的群体步行能收集系统，其中所述压力轴的承力端在所述套筒的外部，并固定于所述承力块上，所述压力轴具有挤压端，所述挤压端位于所述套筒内部。
3.如权利要求1所述的群体步行能收集系统，其中所述压电组件的固定面与所述套筒的内底面贴合。
4.如权利要求3所述的群体步行能收集系统，其中所述压电组件的受压面与所述挤压端接触。
5.如权利要求4所述的群体步行能收集系统，其中所述拉轴的一端通过螺纹连接部件固定在所述套筒上，所述拉轴的另一端固定于所述底座上。
6.如权利要求1至5中任何一个所述的群体步行能收集系统，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、一根正电荷引线与一根负电荷引线；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弓I线与所述电能收集装置的所述整流电路相连接。
7.如权利要求6所述的群体步行能收集系统，其中所述整流电路为全桥整流电路。
8.如权利要求7所述的群体步行能收集系统，其中所述控制电路由BJT开关电路和 MOSFET管连接而成。
9.如权利要求8所述的群体步行能收集系统，其中所述稳压电路包括用于输出固定电压的MAX666芯片。
全文摘要
本发明公开了一种群体步行能收集系统，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接受步行压力的承力块、放大所述步行压力的扩力组件、底座和将机械能转换为电能的压电组件，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。本发明利用叠堆压电陶瓷的压电组件及扩力组件将发电量增大数十倍甚至数百倍，将机械能转变为更容易收集和利用的电能，由此将人群步行中所产生的杂乱的、不可直接使用的电能经过电路的处理后储存起来或直接为后续电路供能，适合于步行的低频激励，并能具有更为长久的寿命，用于地铁等公共场所内庞大的人流量，能收集到大量的电能。
文档编号H02N2/18GK102497134SQ201110443698
公开日2012年6月13日 申请日期2011年12月26日 优先权日2011年12月26日
发明者皮文苑, 鹿存跃 申请人:上海交通大学