基于压电陶瓷的人体踩压能量收集及利用装置
摘 要：压电陶瓷经过人或车辆踩压发出微弱不稳定交流电，根据此特点制作了基于压电陶瓷的人体踩压能量收集及利用装置，此装置包括储能和利用两部分。在储能方面，设计了能量收集模块，把压电陶瓷发出的交流电整流后存入超级电容中。在能量利用方面，此装置实现了多种利用方式：可通过USB接口为多种设备供电，可取代火车站的手机加油站等；作为夜晚楼道感应灯，结合设计的震动模块和可编程定时器，实现人来灯亮人走灯灭的功能。整体结构由亚克力板支撑，节约了制造成本且耐用性好。本作品实现了对闲置的踩压能量的储存和低成本利用，节约能源，为当今人们的低碳生活提供了新的理念，具有广阔的应用前景。
关键词：压电陶瓷；亚克力板；能量收集模块；超级电容；震动模块；定时器
1 作品设计背景
随着对绿色能源的不断开发与利用，压电陶瓷越来越受到人们的关注。日、美、欧等发达国家对于压电发电自助供电系统已经进行了多年研究。2006年至2009年期间，日本旅客铁道株式会社在东京火车站进行过三次'发电地板“试验。2010年上海世博会上，日本馆展示了压电发电地板。同样，以色列技术研究院也在普通路面的沥青中植入大量的压电晶体，通过汽车驶过时的压力转换来发电。
国内对压电陶瓷的应用还停留在点火装置、仪表测量等方面。由于其发出的电能具有微弱、不稳定、波动大、难收集的特点，发电潜能的研究还处在初级阶段。即使有些产品利用其发电，也只是即发即用，未实现储存功能，这在很大程度上限制了它的发展。本作品在其基础上进行了实验研究和模型制作。
2 系统总体设计
系统的功能规划：
（1）将压电陶瓷发出的高电压、低电流、不连续、波动大的电能进行整流处理，变为稳定电流，存入超级电容。
（2）给手机等小功率电器供电。
（3）利用人体踩压的能量来用于楼道照明，并实现人来灯亮人走灯灭的功能。
根据实际情况以及方案构想，我们所设计的装置运作图如下：
2.1 压力发电模块设计
本装置利用的是正压电效应，当对压电材料施加外力产生变形时，会引起材料内部正负电荷中心发生相对位移而产生电的极化，从而导致材料两个表面上出现符号相反的束缚电荷，而且电荷密度与外力成正比。这种现象称为正压电效应，其作用机理如图2所示。
2.1.1 压电陶瓷
（1）介电常数
介电常数ε反映材料介电性质，ε与元件电容C，电极面积A和电极距离t之间...
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