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摘 要：汽车中用到的微型耗电元件虽耗电小，但起着极其重要的作用。对这些微耗元件的供电有严格的要求，根据压电效应换能原理，利用压电陶瓷受外力发电特性研制开发一种脚踏式车用压电发电机装置，并将其安装在公交车上下门踏板位置，由乘客上下车踩踏压电陶瓷实现发电，从而达到节能环保的目的。
关键词：压电效应；公交车；发电机；节能环保
The design and application of micro piezoelectric generator to bus
Yang Zhen Li Ming Ming
（1.College of Electrical Mechanical Engineering， Hainan University，Haikou，Hainan，570228，China；
2.College of Traffic，Jilin University，Changchun，Jilin，130012，China）
Abstract：Micro power consumption components used in the automobile have small power consumption， but they play an extremely important role. There are strict requirements on these micro power consumption elements， Based on the piezoelectric effect of transducing principle， the use of piezoelectric ceramics by generating characteristics of external force develop a bus using piezoelectric generator.And install the generator on the position of the bus door pedal. The passengers get on and off the trampling of piezoelectric ceramic to generate electricity， achieving the purpose of energy saving.
Key words： piezoelectric effect bus generator energy conservation and environment protection
0 引言
压电效应是由1880年皮埃尔·居里和雅克·居里兄弟发现，它包括正压电效应和逆压电效应。所谓正压电效应是指某些晶体在受到外界作用力时，其相对表面产生电极化的现象，当去掉外力后，晶体表面又重新回到不带电的状态；而逆压电效应是给晶体施加电场（电压）时，晶体形状发生改变，当外加电场去掉后，晶体形变随之消失。微型车用压电发电机就是利用正压电效应将乘客上下车的机械能转化为电能，为公交车提供能源。
1 应用背景及意义
目前，压电发电的研究在美国，日本，荷兰，西班牙等国家已经逐步深入，并取得了一系列的科研成果。如美国普林斯顿海洋动力技术公司开发一种利用海浪海流的压力和应力使压电高聚物发电装置；日本科研人员研发一种发电地板，设置在东京繁华的涉谷火车站人行道上，当行人走过地板时地板就可以发电；此外，荷兰鹿特丹市韦斯特加斯公园的舞池发电地板，人们跳舞的机械能转化为电能，从而点亮安装在地板表面的内置二极管。而国内压电发电机的研究虽屡有突破，但实际生活中并没有普遍应用。所以，以压电效应为理论基础，设计一种能应用于公交车的微型压电发电系统，实现节能减排大有必要。
2 材料选取
压电学的历史始于1880年居里兄弟通过实验发现压电效应。但是在1955年发现压电陶瓷之后压电材料才真正获得广泛应用。压电陶瓷和压电单晶相比，有电性强，介电常数高，形状可以任意加工，适宜于大功率换能等优点，所以我们采用压电材料为PZT-43。每片压电陶瓷的尺寸规格为：20×20×3mm。
3 设计原理
3.1发电结构装置
微型压电发电装置结构示意简图
在压电发电系统中，当乘客上下车踩在箱体1的上表面时，箱体下降带动传力杆7使振荡弹簧在人重力的作用下被压缩，在压电陶瓷上端面产生压力，因此压电陶瓷5产生形变，上下两端面产生电压，经导线输出。由于质量块4的惯性，会使振荡弹簧3产生周期性振荡，则在压电陶瓷上端面产生一周期性外驱力，从而产生周期性电压。箱体上端面通过复位弹簧2上升到原始位置。为安全起见，压电陶瓷周围用绝缘材料6与外部经行隔离。
3.2 电路连接简图
压电材料两端电压经导线引出后连接整流器2，使产生的交变电压转变为稳定的直流电压；经整流器2处理后的直流电压再经稳压器3调节，使其成为能满足车用主蓄电池4和副蓄电池7正常工作的充电电压，当主蓄电池4充满电时，其两端的电荷量变化趋于稳定，此时传感器5接收其两端的电量信号，通过控制装置6使稳压器3向副蓄电池7充电。
3.3 装置发电量理论值计算
查阅相关文献，我们得知：压电材料叠堆个数为四个且串联的情况下，发电量最佳。此时，电压值为：
其中： 是压力的幅值，我们假设压力为正弦量； 是压力的频率；R是负载电阻（压电材料所在电路的负载电阻）； 分别是单个压电材料的厚度和总电极面积； 、 分别是压电材料的压电应变常数和自由介电常数。
开路电压值为：
由上面公式我们知道材料输出的电压值U与负载电阻R有关，经计算存在使输出电压U最大的最佳负载值： 在这个负载电阻下电压值和功率分别为：
查阅相关文献，我们知道PZT-43压电陶瓷（尺寸规格为：20×20×3mm）的部分参数如下表：
PZT-43部分参数
参数数值 3 4 16823 350 1890
下面以PZT-43压电陶瓷计算该装置的理论发电量：
取负载电阻等于压电陶瓷的容抗，即： ，压力幅值取 ，
开路电压：
输出电压：
输出功率：
假设每个压电发电装置中共有500个压电叠堆（每个叠堆有4片），一个车上有10装置，其次，我们通过调查公交车的时刻表可知，每辆公共车每天有效运行时间为 ，因此一天的发电量 。
4 经济性预测和评估
经过调查和统计，城市公交车流动较大，每天每辆车会有10个班次，每个班次往返大概要行驶20-30公里，平均每辆公交车每天大概要行驶250公里。由于城市内客流量较大，公交往返怠速会增加部分油耗，平均每百公里需要耗油20升，这样一天下来公交车每天大概会有50升油耗。公交车由于夜间行驶时汽车照明、娱乐系统等存在长时间工作的元件（不包括空调设备），使公交车用电所需的油耗约占总油耗的1%-3%，即大约每天每辆公交车有1升油是用来供电的。这样通过微型压电发电机每天能为每辆公交车节约油耗，在公共交通发达的城市拥有众多的公交车，那么一天节约用油量是相当可观的。
5 结束语
该设计是利用正压电效应，将乘客上下公交车的机械能转化为电能，通过整流电路和稳流电路为公交车提供能源。此设计方案简单且易实现。压电发电机在能源利用方面具有创新性，在节能环保领域有重要意义，因此压电发电技术拥有非常广泛的应用前景。
参考文献：
[1]党永，黄维杰，白凤仙.压电叠堆联结方式及低频发电特点的研究[J].电源学报，2011
[2]王中林.压电纳米发电机的原理和潜在应用[J].物理，2008
[3]闫世伟，杨志刚，曾平，等.压电陶瓷能量转换系统[J].吉林大学学报，2008
[4]阎瑾瑜.压电效应及其在材料方面的应用[J].数字技术与应用，2011（1）
[5]方科，李欣欣，王志刚，等.压电式能量获取装置的研究现状[J].传感器与微系统，2006
[6]Udomporn A，Pengpat K Ananta S.Highly dense lead titanate ceramics from refined processin[J].Journal of the European Ceramic Society，2002，24（2）：l85～188
作者简介：
杨振（1992-），男，汉族，河南周口人，海南大学本科，研究方向为机电一体化；
李明明（1991-），男，汉族，河南周口人，吉林大学本科，研究方向为车辆工程。
关键词：压电效应；公交车；发电机；节能环保
The design and application of micro piezoelectric generator to bus
Yang Zhen Li Ming Ming
（1.College of Electrical Mechanical Engineering， Hainan University，Haikou，Hainan，570228，China；
2.College of Traffic，Jilin University，Changchun，Jilin，130012，China）
Abstract：Micro power consumption components used in the automobile have small power consumption， but they play an extremely important role. There are strict requirements on these micro power consumption elements， Based on the piezoelectric effect of transducing principle， the use of piezoelectric ceramics by generating characteristics of external force develop a bus using piezoelectric generator.And install the generator on the position of the bus door pedal. The passengers get on and off the trampling of piezoelectric ceramic to generate electricity， achieving the purpose of energy saving.
Key words： piezoelectric effect bus generator energy conservation and environment protection
0 引言
压电效应是由1880年皮埃尔·居里和雅克·居里兄弟发现，它包括正压电效应和逆压电效应。所谓正压电效应是指某些晶体在受到外界作用力时，其相对表面产生电极化的现象，当去掉外力后，晶体表面又重新回到不带电的状态；而逆压电效应是给晶体施加电场（电压）时，晶体形状发生改变，当外加电场去掉后，晶体形变随之消失。微型车用压电发电机就是利用正压电效应将乘客上下车的机械能转化为电能，为公交车提供能源。
1 应用背景及意义
目前，压电发电的研究在美国，日本，荷兰，西班牙等国家已经逐步深入，并取得了一系列的科研成果。如美国普林斯顿海洋动力技术公司开发一种利用海浪海流的压力和应力使压电高聚物发电装置；日本科研人员研发一种发电地板，设置在东京繁华的涉谷火车站人行道上，当行人走过地板时地板就可以发电；此外，荷兰鹿特丹市韦斯特加斯公园的舞池发电地板，人们跳舞的机械能转化为电能，从而点亮安装在地板表面的内置二极管。而国内压电发电机的研究虽屡有突破，但实际生活中并没有普遍应用。所以，以压电效应为理论基础，设计一种能应用于公交车的微型压电发电系统，实现节能减排大有必要。
2 材料选取
压电学的历史始于1880年居里兄弟通过实验发现压电效应。但是在1955年发现压电陶瓷之后压电材料才真正获得广泛应用。压电陶瓷和压电单晶相比，有电性强，介电常数高，形状可以任意加工，适宜于大功率换能等优点，所以我们采用压电材料为PZT-43。每片压电陶瓷的尺寸规格为：20×20×3mm。
3 设计原理
3.1发电结构装置
微型压电发电装置结构示意简图
在压电发电系统中，当乘客上下车踩在箱体1的上表面时，箱体下降带动传力杆7使振荡弹簧在人重力的作用下被压缩，在压电陶瓷上端面产生压力，因此压电陶瓷5产生形变，上下两端面产生电压，经导线输出。由于质量块4的惯性，会使振荡弹簧3产生周期性振荡，则在压电陶瓷上端面产生一周期性外驱力，从而产生周期性电压。箱体上端面通过复位弹簧2上升到原始位置。为安全起见，压电陶瓷周围用绝缘材料6与外部经行隔离。
3.2 电路连接简图
压电材料两端电压经导线引出后连接整流器2，使产生的交变电压转变为稳定的直流电压；经整流器2处理后的直流电压再经稳压器3调节，使其成为能满足车用主蓄电池4和副蓄电池7正常工作的充电电压，当主蓄电池4充满电时，其两端的电荷量变化趋于稳定，此时传感器5接收其两端的电量信号，通过控制装置6使稳压器3向副蓄电池7充电。
3.3 装置发电量理论值计算
查阅相关文献，我们得知：压电材料叠堆个数为四个且串联的情况下，发电量最佳。此时，电压值为：
其中： 是压力的幅值，我们假设压力为正弦量； 是压力的频率；R是负载电阻（压电材料所在电路的负载电阻）； 分别是单个压电材料的厚度和总电极面积； 、 分别是压电材料的压电应变常数和自由介电常数。
开路电压值为：
由上面公式我们知道材料输出的电压值U与负载电阻R有关，经计算存在使输出电压U最大的最佳负载值： 在这个负载电阻下电压值和功率分别为：
查阅相关文献，我们知道PZT-43压电陶瓷（尺寸规格为：20×20×3mm）的部分参数如下表：
PZT-43部分参数
参数数值 3 4 16823 350 1890
下面以PZT-43压电陶瓷计算该装置的理论发电量：
取负载电阻等于压电陶瓷的容抗，即： ，压力幅值取 ，
开路电压：
输出电压：
输出功率：
假设每个压电发电装置中共有500个压电叠堆（每个叠堆有4片），一个车上有10装置，其次，我们通过调查公交车的时刻表可知，每辆公共车每天有效运行时间为 ，因此一天的发电量 。
4 经济性预测和评估
经过调查和统计，城市公交车流动较大，每天每辆车会有10个班次，每个班次往返大概要行驶20-30公里，平均每辆公交车每天大概要行驶250公里。由于城市内客流量较大，公交往返怠速会增加部分油耗，平均每百公里需要耗油20升，这样一天下来公交车每天大概会有50升油耗。公交车由于夜间行驶时汽车照明、娱乐系统等存在长时间工作的元件（不包括空调设备），使公交车用电所需的油耗约占总油耗的1%-3%，即大约每天每辆公交车有1升油是用来供电的。这样通过微型压电发电机每天能为每辆公交车节约油耗，在公共交通发达的城市拥有众多的公交车，那么一天节约用油量是相当可观的。
5 结束语
该设计是利用正压电效应，将乘客上下公交车的机械能转化为电能，通过整流电路和稳流电路为公交车提供能源。此设计方案简单且易实现。压电发电机在能源利用方面具有创新性，在节能环保领域有重要意义，因此压电发电技术拥有非常广泛的应用前景。
参考文献：
[1]党永，黄维杰，白凤仙.压电叠堆联结方式及低频发电特点的研究[J].电源学报，2011
[2]王中林.压电纳米发电机的原理和潜在应用[J].物理，2008
[3]闫世伟，杨志刚，曾平，等.压电陶瓷能量转换系统[J].吉林大学学报，2008
[4]阎瑾瑜.压电效应及其在材料方面的应用[J].数字技术与应用，2011（1）
[5]方科，李欣欣，王志刚，等.压电式能量获取装置的研究现状[J].传感器与微系统，2006
[6]Udomporn A，Pengpat K Ananta S.Highly dense lead titanate ceramics from refined processin[J].Journal of the European Ceramic Society，2002，24（2）：l85～188
作者简介：
杨振（1992-），男，汉族，河南周口人，海南大学本科，研究方向为机电一体化；
李明明（1991-），男，汉族，河南周口人，吉林大学本科，研究方向为车辆工程。