康荻通， 高星敏， 郑婷一
（山西能源学院， 山西 晋中 030600）
引言传统能源是不可再生的一次能源，我国不仅是能源利用大国，而且是开采大国，因此，能源的可持续发展已然成为社会关注的焦点问题。我国新能源的开发主要包括太阳能、热能和机械能等。太阳能的能流密度低，受自然随机因素影响较大，且产电的效率较低，成本高。热能属于可再生比较慢的一种资源，受地域限制，属于小众新能源。机械能在我国绝大部分应用于风力与水力发电，而这两种发电也受地域影响大，且开发成本高。在我们生活中，利用压力发电的系统并不多。本文介绍的系统对人跑步时产生的压力进行收集并与浮力摆相结合，使机械能最大化转化为电能。
1 总体设计思路在传统跑道的基础上加入发电装置，发电装置由浮力摆带动液压马达发电与压电陶瓷发电，加入运动数据记录采集系统，激励人们跑步。
1）采用压电陶瓷发电。压电陶瓷在压力的作用下，其表面会影响产生一个带电金属离子，这种方法被称为压电效应。人在行走时会对压电材料产生压力，从而将人行走时的机械能转换为电能。压电陶瓷是一类具有压电特性的材料，地板样式选择三角形，三个支点都安装了均为3 cm×5 cm 规格的压电陶瓷片作为发电装置[1-2]，如图1 所示，使得压电片的受力更加均衡，便于每块地板之间的拼接，发电效率更高。
2）浮力摆带动液压马达发电系统通过浮力摆将捕获的波浪能以机械能的形式作用到液压缸上，液压缸通过液压回路以液压能的形式传递至变量马达，变量马达带动永磁同步发电机发电，永磁同步发电机发出交流电输出至蓄电池及负载。浮力摆带动液压马达发电时所需要的波浪由跑道下的弹簧系统连接杠杆产生，如图2 所示。
2 各单元设计思路2.1 压电陶瓷发电单元通过对压电材料的综合分析与考量，选择无机压电材料中的压电陶瓷（锆钛酸铅PZT）具有以下优点：高机电耦合系数和高压电应变常数、大电阻率、时间和温度稳定性强、耐酸性强。锆钛酸铅材质能做出形态各异的结构，适用性强。
如下页图4 所示，压电陶瓷并联工作增加了总电容量，时间常数可以增加，输出信号电荷信息量大，适用于在收集电荷的地方。当压电陶瓷用于发电时，主要问题是如何提高其负载能力，即如何提高输出电流。
不同的人在跑步过程中对跑道的压力不同，导致压电陶瓷的受力不同，因此，压电陶瓷输出的电压会不稳定，产生的是交流电。使用全桥校正器对不稳定的交流电进行整流后，储存在超级电容，将电压稳定下来，再储存到可充电的镍氢电池中，该电池中的电能也能够被后续使用。该部分电路如图5 所示。
压电陶瓷的堆叠和平坦铺设是一种常见的铺设方案，但由于需要很大的外力来作用，所以跑道情况下不宜使用。虽然平铺并联连接模式可以在小压力情况下使用，但其低发电密度限制了其大面积使用。水平间隔堆叠式与发电密度较高相比，结构设计略为复杂，且适用于压力较小的情况，最适合跑道发电的水平间隔堆叠并联方式。具体见图6、图7。
2.2 浮力摆带动液压马达发电单元通过人踩踏跑道使弹簧压缩，弹簧带动杠杆，通过杠杆使跑道下水槽内的水产生波浪，进而带动浮力摆驱动液压马达，带动发电机发电。如图8 所示，该系统通过浮力摆将捕获的波浪能以机械能的形式作用到液压缸上，液压缸通过液压回路以液压能的形式传递至液压马达，液压马达带动永磁同步发电机发电，永磁同步发电机发出交流电输出至蓄电池及负载。该系统通过变量马达排量控制调节发电机转速，提高发电机效率，使电压频率恒定。利用蓄能器吸收由于外力波动造成的液压回路液压能的波动，稳定输出至变量马达的电压，能满足用户负载及蓄电池对输出电压的要求。
由浮力摆捕获波浪能推动液压缸，将液压油通过软管输出，然后经蓄能器输出到液压马达，液压马达在液压油的带动下驱动发电机。液压马达入口连接主回路，出口连接辅助回路，两回路均有蓄能器液压系统，包含2 个回路：一是闭式主回路，通过液压缸传递能量。二是补油回路。主油路中液压马达的吸入流量可以直接由液压缸无杆腔供给，改变液压缸的运动发展方向，不会发生改变液压马达油输入、数据输出的设计方向。当浮力摆动换向系统运动时，液压缸的一侧无杆腔逐渐转变为低压吸入侧，无杆腔由有杆腔吸油而实现卸压，液压缸吸油量不断增加，从而实现自动卸压，通过平稳换向使液压缸运动。同时，供油装置补充闭合主回路的漏油，如图9 所示。
2.3 电能的控制及使用单元如图10 所示，能源跑道采用STM32 单片机作为主控板，主控板负责控制压电陶瓷模块与液压马达模块。经过压电陶瓷地板中的电压监测装置的反馈，以及液压马达发电监测模块的反馈，主控板控制蓄电池A和蓄电池B分别进行充放电。使用前须提前将蓄电池A充满电，通过STM32 系统定时器设定需要用电处的能源控制，如果发生用电指令，则蓄电池A 优先进行供电，能源跑道发电系统给蓄电池B 充电。蓄电池A 中电能耗尽时，系统切换为蓄电池B 供电，蓄电池A 充电。能源跑道利用的发电原理是压电效应以及浮力摆带动液压马达发电，在发电装置与蓄电池之间放置一个超级电容，压电陶瓷片形变以及液压马达产生的电能通过超级电容平抑电压波动，再将电能储存进蓄电池[3]。
2.4 弹簧系统的一举两得弹簧为浮力摆带动液压马达发电提供基本的动力。选择不同的弹簧，不仅有利于更好地发电，而且考虑到了人们的舒适度，人们可以根据弹簧不同的弹性系数，选择不同的跑道。
3 能源跑道创新点1）“四两拨千斤”。利用杠杆原理，将人在跑步时对跑道的小压力转化为产生波浪的大动力。杠杆一端接收人对跑道的压力（跑道下安有弹簧，压力体现在弹簧的形变），另一端连接水槽制造波浪，通过浮力摆选择符合自己舒适度的跑道。
2）波浪能以机械能的形式传递至液压马达，液压马达进而带动发电机产生电能。跑道将根据不同的弹簧分为几个重量级的道，跑步者可根据自己的舒适度选择跑道。
3）“不积小流，无以成江海”。采用压电陶瓷片进行踩踏发电，压电材料陶瓷在多片并联的情况下，其两端发展所产生的电压将以倍数的幅度递增。由于单个压电陶瓷发展产生的电能不足以供应管理控制和照明设计部分，因此信息系统可以采用多个压电陶瓷并联连接，以增加压电陶瓷产生的总电能。
4）每一条跑道下安装的弹簧弹性系数不同，安装弹簧主要是为了带动杠杆产生波浪带动浮力摆进而发电，人们可以选择适合自己跑步舒适度的跑道。
4 应用前景目前市面上的跑道大多数是传统跑道，传统跑道不仅舒适度欠缺，而且不能采集人们跑步时的机械能，此能源跑道不仅考虑到运动者的舒适度，而且最大化地利用了运动中流失的能量，将这些能量转换为电能，积少成多，造福人类。相信在不久的将来，能源跑道将占领大多数跑道市场。
