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摘要：节能减排已成为社会发展的重要课题之一，其中能源的产出和消耗是人们普遍关心的焦点问题，如何使能源更多产出而更少消耗是当今能源研究课题的重。电能便是其中的重点之一，主要存在的问题有能源转化效率低、污染排放量大等问题，近年来，国家加大投入了核电、光伏发电、风力发电等新能源的投入，未来的趋势向着能源转化率高且污染量小的方向发展。
关键词：脚踏发电;发电板;节能减排
1立项依据
1.1研究目的
节能减排已成为社会发展的重要课题之一，其中能源的产出和消耗是人们普遍关心的焦点问题，如何使能源更多产出而更少消耗是当今能源研究课题的重点，电能便是其中的重点之一。
据资料显示，目前我国电能的来源主要以火力发电为主，主要存在的问题有能源转化效率低、污染排放量大等问题，近年来，国家加大投入了核电、光伏发电、风力发电等新能源的投入，未来的趋势向着能源转化率高且污染量小的方向发展。脚踏发电板基于能量之间转换的思想，从而实现电能的输出。
脚踏发电板综合能量转换、采集、储存等技术，是一种新型的发电装置，最根本的原理是利用电磁感应定律，从而实现脚踏的机械能到电磁场的磁能再到电能的转化，最终实现电能的产出。
1.2国内外研究现状和发展动态
国内外都非常重视该项技术和产品，希望在该领域有较大的突破，缓解日益短缺的能源需求。对压电效应相关技术的研究和利用，技术比较成熟的国家有美国、日本等国家，尤其以日本的技术较先进。 在上海世博会上，日本馆展示了其压电发电地板技术，参观的人们只要把双脚轮流向地板踩踏几下，指示发电量的指示灯就会显示出实际产生的电量。此外日本音力发电公司的发电地板也有相关的展示和报道。该公司的发电地板由每块面积50平方厘米的发电瓷砖组成，每块瓷砖踩一下就能发出0.1瓦特电点亮周围50至100个发光二极管灯泡。
2007年美国麻省理工学院学生提出了把人流踩踏地板的冲击力接收来并转换为电能的构想，而后美国芝加哥的自由设计师在人行道上试验了4块2英尺乘4英尺的压电板装置，成功点亮了4个发光二极管。
国内近年来进行的压电材料研究也取得了较好的成果。2009年西安交大研发出对环境无害的无铅压电材料“锆钛酸钡钙”，其压电性能50年来首次超越含铅压电材料，有可能引发工业界向无铅材料的变革，解决铅对环境的污染问题。然而对于具体的压电发电地板产品，国内还没有成熟的技术和产品，更缺乏相关的展示和报道。相关的新材料研制、结构设计、电能采集和储存等技术还需要进行深入、系统的研究。
2研究内容
本项目主要的研究内容是针对日常学习生活中的脚踏振动等机械振动的能量转换及存儲问题。主要研究可以分为以下几个方面：
2.1研究利用人体踩踏发电板产生的振动，通过设计一个踩踏装置，使踩踏的振动能够最大效率地转化为机械能，这就取决于发电板的上表面组成设计。基本设计思路为上表面由若干个图形（如正方形、三角形等，每个图形为一个微元），在几何图形的各个顶角下方放置能量转换装置（将机械能转化为磁能）。
2.2研究振动的传导机制。基本设计理念为设计一个连接体，通过此连接体将脚踏板上层的振动与下方的永磁体连接起来，从而脚踩的机械振动带动永磁体的上下振动。传导体的设计应满足以下两个要求：
2.3两者间的连接体质量不宜过重，避免将下方的永磁体压得过低，不便于永磁体的复位。
2.4传导体与下方应设计一缓冲结构（如弹簧），其缓冲结构加上磁体间的排斥作用可以保证永磁体的复位，进而反复切割磁感线发电。
2.5研究永磁体切割磁感线发电。基本设计思路为在连接体的周围放置一绕有线圈的导管，导管底部放置一磁铁，利用同极相斥的原理，使永磁体能够悬浮在导管中。永磁体在导管中的上下移动使得线圈的磁通量发生改变，在线圈中产生感应电流。
2.6稳流稳压及整合问题，设计器件和线路使产生的微弱电流能够稳定输出，通过电路联结使电流互不干扰有序地输入蓄电池中。
3技术路线、拟解决的问题
3.1拟解决问题：
（1）发电地板的发电效率问题;
（2）发电地板的防水、防尘、使用寿命等可靠性问题;
（3）多块发电地板所发电能的综合储存与利用问题;
（4）发电地板的性价比问题。
3.2技术路线：
1. 发电地板将分为顶层，磁悬浮压力发电模块，底层三个部分：
（1） 顶层由耐磨、防滑、强度高的材料制成，架设在由磁悬浮压力模块阵列组成的中间层上，并用机械结构与其固定在一起。
（2） 磁悬浮发电模块由一个中空的锥台形状的外壳，顶部一块可活动的柱状永磁体，底部一块圆形固定永磁体，外部缠绕的线圈组成，磁体之间通过同极相排、异极相吸原理，让中间柱状永磁体呈悬浮状。然后通过对永磁体的不断施加压力，使顶部永磁体在外壳中上下滑动，让磁力线不断切割线圈来发电，该模块无机械传动结构，无声且无需润滑，可靠性高。发电地板的中间层将由数个这样的磁悬浮发电模块构成。
（3） 底层将由电路系统与蓄电池组成，磁悬浮发电模块输出的电流将由底层电路稳压、滤波后存入蓄电池中等待利用。
3.3目标：
（1）近期目标完成磁悬浮发电模块、电路系统、地板结构的原型设计，制作出模型，并对发电量、可靠性等参数进行实验、测试。
（2）中期目标对磁悬浮发电模块与电路模型进行改进，做出一块完整可投入实际生活环境的可发电、可蓄电的发电地板。
（3）长期目标经过改进做出一块防水、防尘、耐用、发电量大、实用、可完全适用于大型多人公共场所的脚踏发电板。
4项目创新点与特色
4.1该脚踏发电板具有广泛的应用价值和应用前景，能够将生活中无处不在的机械能转化为电能，实现机械能量的循环与再利用。例如可以放置在地铁闸机口等狭窄出入通道处，可以有效采集路过乘客的能量，把乘客的重力势能转变为电能储蓄起来，其他的人口密集处也是装置安装的理想地点。
4.2此装置在转化与储存能源的过程中不会产生任何的环境污染，它可以广泛应用于楼道、地铁站等人密集的地方，产生的电能可与照明等联系在一块。本装置与风力发电、水力发电等模式类似成功实现了能量的无污染化处理，本设计就可以通过每个人自身微小的做功达到电能生产与储蓄的大效果。
4.3此项目的应用符合节能减排以及绿色环保的原理的理念，能够为缓解能源危机贡献力量。本产品亦可推广到海关安检、公园门禁等地，实现上述场所节能减排的目标，达到国家节约能源的目标，符合绿色环保与新能源开发的要求。
4.4性价比高，方便维护，造价低廉。已有的压敏陶瓷发电和线圈发电，均是应用行人重力势能转化为电能发电的原理，然而其造价成本比本设计的发电装置高，能量转化效率较低，投资回收困难，不能为社会带来可观的环境收益。
4.5设计简洁、构思精简。本装置的设计采用最原始的发电原理思路，通过对电感、磁铁、线圈等有机组合实现机械能量的极大转化，构思精简，设计上也较为简洁，但是突破了现有的发电传统思维，具有一定的创新性，值得被改善与推广。
5项目预期成果
该项目实际实施之后，能够实现对于脚踩这一简单的机械振动转化为可利用的电能的目的。在人口密集的地方，如教室的出入口以及宿舍的楼道处应用此装置可以实现电能的输出，和楼道灯、教室灯等结合以达到节能减排、绿色环保的预期目的。
参考文献：
[1]郑文纬， 吴克坚.机械原理[M].第七版.北京：高等教育出版社， 2000.2：33-108.
[2]于振亚， 彭金栓.基于液压发电和闭塞原理的新型突起路标设计[J].科学技术与工程， 2016， 9.
[3]陈立德.机械设计基础[M].北京：高等教育出版社，2001.
关键词：脚踏发电;发电板;节能减排
1立项依据
1.1研究目的
节能减排已成为社会发展的重要课题之一，其中能源的产出和消耗是人们普遍关心的焦点问题，如何使能源更多产出而更少消耗是当今能源研究课题的重点，电能便是其中的重点之一。
据资料显示，目前我国电能的来源主要以火力发电为主，主要存在的问题有能源转化效率低、污染排放量大等问题，近年来，国家加大投入了核电、光伏发电、风力发电等新能源的投入，未来的趋势向着能源转化率高且污染量小的方向发展。脚踏发电板基于能量之间转换的思想，从而实现电能的输出。
脚踏发电板综合能量转换、采集、储存等技术，是一种新型的发电装置，最根本的原理是利用电磁感应定律，从而实现脚踏的机械能到电磁场的磁能再到电能的转化，最终实现电能的产出。
1.2国内外研究现状和发展动态
国内外都非常重视该项技术和产品，希望在该领域有较大的突破，缓解日益短缺的能源需求。对压电效应相关技术的研究和利用，技术比较成熟的国家有美国、日本等国家，尤其以日本的技术较先进。 在上海世博会上，日本馆展示了其压电发电地板技术，参观的人们只要把双脚轮流向地板踩踏几下，指示发电量的指示灯就会显示出实际产生的电量。此外日本音力发电公司的发电地板也有相关的展示和报道。该公司的发电地板由每块面积50平方厘米的发电瓷砖组成，每块瓷砖踩一下就能发出0.1瓦特电点亮周围50至100个发光二极管灯泡。
2007年美国麻省理工学院学生提出了把人流踩踏地板的冲击力接收来并转换为电能的构想，而后美国芝加哥的自由设计师在人行道上试验了4块2英尺乘4英尺的压电板装置，成功点亮了4个发光二极管。
国内近年来进行的压电材料研究也取得了较好的成果。2009年西安交大研发出对环境无害的无铅压电材料“锆钛酸钡钙”，其压电性能50年来首次超越含铅压电材料，有可能引发工业界向无铅材料的变革，解决铅对环境的污染问题。然而对于具体的压电发电地板产品，国内还没有成熟的技术和产品，更缺乏相关的展示和报道。相关的新材料研制、结构设计、电能采集和储存等技术还需要进行深入、系统的研究。
2研究内容
本项目主要的研究内容是针对日常学习生活中的脚踏振动等机械振动的能量转换及存儲问题。主要研究可以分为以下几个方面：
2.1研究利用人体踩踏发电板产生的振动，通过设计一个踩踏装置，使踩踏的振动能够最大效率地转化为机械能，这就取决于发电板的上表面组成设计。基本设计思路为上表面由若干个图形（如正方形、三角形等，每个图形为一个微元），在几何图形的各个顶角下方放置能量转换装置（将机械能转化为磁能）。
2.2研究振动的传导机制。基本设计理念为设计一个连接体，通过此连接体将脚踏板上层的振动与下方的永磁体连接起来，从而脚踩的机械振动带动永磁体的上下振动。传导体的设计应满足以下两个要求：
2.3两者间的连接体质量不宜过重，避免将下方的永磁体压得过低，不便于永磁体的复位。
2.4传导体与下方应设计一缓冲结构（如弹簧），其缓冲结构加上磁体间的排斥作用可以保证永磁体的复位，进而反复切割磁感线发电。
2.5研究永磁体切割磁感线发电。基本设计思路为在连接体的周围放置一绕有线圈的导管，导管底部放置一磁铁，利用同极相斥的原理，使永磁体能够悬浮在导管中。永磁体在导管中的上下移动使得线圈的磁通量发生改变，在线圈中产生感应电流。
2.6稳流稳压及整合问题，设计器件和线路使产生的微弱电流能够稳定输出，通过电路联结使电流互不干扰有序地输入蓄电池中。
3技术路线、拟解决的问题
3.1拟解决问题：
（1）发电地板的发电效率问题;
（2）发电地板的防水、防尘、使用寿命等可靠性问题;
（3）多块发电地板所发电能的综合储存与利用问题;
（4）发电地板的性价比问题。
3.2技术路线：
1. 发电地板将分为顶层，磁悬浮压力发电模块，底层三个部分：
（1） 顶层由耐磨、防滑、强度高的材料制成，架设在由磁悬浮压力模块阵列组成的中间层上，并用机械结构与其固定在一起。
（2） 磁悬浮发电模块由一个中空的锥台形状的外壳，顶部一块可活动的柱状永磁体，底部一块圆形固定永磁体，外部缠绕的线圈组成，磁体之间通过同极相排、异极相吸原理，让中间柱状永磁体呈悬浮状。然后通过对永磁体的不断施加压力，使顶部永磁体在外壳中上下滑动，让磁力线不断切割线圈来发电，该模块无机械传动结构，无声且无需润滑，可靠性高。发电地板的中间层将由数个这样的磁悬浮发电模块构成。
（3） 底层将由电路系统与蓄电池组成，磁悬浮发电模块输出的电流将由底层电路稳压、滤波后存入蓄电池中等待利用。
3.3目标：
（1）近期目标完成磁悬浮发电模块、电路系统、地板结构的原型设计，制作出模型，并对发电量、可靠性等参数进行实验、测试。
（2）中期目标对磁悬浮发电模块与电路模型进行改进，做出一块完整可投入实际生活环境的可发电、可蓄电的发电地板。
（3）长期目标经过改进做出一块防水、防尘、耐用、发电量大、实用、可完全适用于大型多人公共场所的脚踏发电板。
4项目创新点与特色
4.1该脚踏发电板具有广泛的应用价值和应用前景，能够将生活中无处不在的机械能转化为电能，实现机械能量的循环与再利用。例如可以放置在地铁闸机口等狭窄出入通道处，可以有效采集路过乘客的能量，把乘客的重力势能转变为电能储蓄起来，其他的人口密集处也是装置安装的理想地点。
4.2此装置在转化与储存能源的过程中不会产生任何的环境污染，它可以广泛应用于楼道、地铁站等人密集的地方，产生的电能可与照明等联系在一块。本装置与风力发电、水力发电等模式类似成功实现了能量的无污染化处理，本设计就可以通过每个人自身微小的做功达到电能生产与储蓄的大效果。
4.3此项目的应用符合节能减排以及绿色环保的原理的理念，能够为缓解能源危机贡献力量。本产品亦可推广到海关安检、公园门禁等地，实现上述场所节能减排的目标，达到国家节约能源的目标，符合绿色环保与新能源开发的要求。
4.4性价比高，方便维护，造价低廉。已有的压敏陶瓷发电和线圈发电，均是应用行人重力势能转化为电能发电的原理，然而其造价成本比本设计的发电装置高，能量转化效率较低，投资回收困难，不能为社会带来可观的环境收益。
4.5设计简洁、构思精简。本装置的设计采用最原始的发电原理思路，通过对电感、磁铁、线圈等有机组合实现机械能量的极大转化，构思精简，设计上也较为简洁，但是突破了现有的发电传统思维，具有一定的创新性，值得被改善与推广。
5项目预期成果
该项目实际实施之后，能够实现对于脚踩这一简单的机械振动转化为可利用的电能的目的。在人口密集的地方，如教室的出入口以及宿舍的楼道处应用此装置可以实现电能的输出，和楼道灯、教室灯等结合以达到节能减排、绿色环保的预期目的。
参考文献：
[1]郑文纬， 吴克坚.机械原理[M].第七版.北京：高等教育出版社， 2000.2：33-108.
[2]于振亚， 彭金栓.基于液压发电和闭塞原理的新型突起路标设计[J].科学技术与工程， 2016， 9.
[3]陈立德.机械设计基础[M].北京：高等教育出版社，2001.