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1. 研究目的与意义及国内外研究现状

很多运动爱好者都有晚上跑步的习惯，虽然大部分道路上都会有路灯，但总会有些僻静小路或角落是缺乏路灯。为了安全起见，夜跑时在身上挂个指示灯是很好的做法。我们知道随着全球能源的不断减少,传统化学电池暴露出越来越多的问题。随着便携式电子设备的种类及功能不断增多，其供电电源的供电问题正亟待解。而利用人体动能对夜跑指示灯进行充电恰好解决了这一问题。

目前人们借助电场、磁场和压电转换材料,通过直接驱动或振动驱动的方式,将人体动能转换为电能,对低功耗电子设备进行充电或构成自供电系统。如果把人体动能产生的能量采集起来并为设备供电，能大量减少电池对环境造成的污染。除此之外，这种能量收集技术也可以整合进其他装置或系统，应用于实际生活或者科学研究。在这里我们利用人体动能对便携式夜跑指示灯供电,其能量收集装置结构、原理简单，成本低，普及可行性比较高，对未来研究电子设备永久性充电问题具有重要的意义。

国内外研究现状

课题提出自发电的夜跑安全指示灯（夜跑灯），主要分为人体动能发电和夜跑灯两部分，下面从这两部分对其国内外研究现状进行分析。

（1）夜跑安全指示灯

跑步是一项门槛非常低的大众运动，几乎每个人都能参与，全国有超过5500万的跑步爱好者。对占比过半的夜跑者而言，安全是不可忽视的重要因素。在夜间照明受限的情况下，夜跑灯为夜跑者提供了非常好的安全警示作用。但目前市售的夜跑灯（如图1），清一色地都使用纽扣电池供电，普遍的可持续使用时间不超过36小时，对于频繁夜跑的使用者，每个月就需要更换一次电池。如果不慎忘记关闭电源，电池只能坚持不到两天。而跑步又恰恰是一项最需要长期坚持的运动，频繁更换电池真的是非常令人头疼的问题。

图1 常见的夜跑灯

人体运动时能够产生较大的动能，可将其转化为电能为安全指示灯供电。来自北京大学的孟博所创建的LUMEN团队开发的就是一款免电池的自发电夜跑灯，夜跑者通过自己的跑动给夜跑灯供电。只要你一直在路上跑，灯就会一直亮。（如图2）通过人动电能技术从使用者的运动中采集电能，驱动LED灯，实现夜跑灯的自供电，终生都不需要使用电池。

图2 自发电的夜跑灯

（2）人体动能发电机

人体动能提供的能量大致可以简单地分为两类，即化学能与物理能，如图3^[1]所示，像身体热能、呼吸、血压及身体的运动等都属于物理能。这些都是人体潜在的能量来源。收集身体热能、呼吸、血压及运动等物理能可为USB充电、照明、警示及报警等装置供电，提供了巨大便利。

图3人体能源的分类

T.Starner^[2]报道了日常生活中人体活动消耗的能量，如表1所示，并根据这些消耗的能量计算了一个68kg的人的呼吸、热能、血压、手臂运动、打字和走路时理论上所能生的总能量，如图4[2]括号中所示，每项运动产生的总能量分别在几毫瓦至几十瓦不等，而这些运动所能驱动产生的电能量较低，人均总电能量最高才约为16.7w，如图2括号外所示。实际上，集能器收集效率除了受集能器核心元件本身的转换效率影响外,还受结构设计、封装、电路设计及存储等众多因素的影响，现有的研究所能产生的电能量远低于预期的结果^[3]。

表1 一些人体活动消耗的能量

图4 人体驱动产生的能量示意图

据英国IDTechEx公司预测，能量收集技术的应用范围将遍及消费性电子、军事、航天、保健、石油与天然气、建筑、大众运输等市场。它在飞机制造、个人健康监视系统以及防盗检测系统等领域的应用，将形成一个规模可达数十亿美元的市场。而人体动能收集技术作为最重要的能量收集技术之一，也已经逐渐成为广大学者的研究热点。特别是近几年，越来越多的人体动能收集装置被设计和研究出来，广泛应用于实际生活、科学研究等领域。

人体动能收集技术是通过一定的机电转换方式，将振动能转化为电能的一种发电技术，在电子设备、自供能系统等方面具有潜在的应用价值。主要分为压电式、电磁式、静电式三种。压电式的收集器是压电梁的振动形成交替应变，实现电荷的输出，结构简单，输出电压和功率密度高，目前研究较多。电磁式的收集器由磁铁和线圈组成相对运动结构，线圈的磁通发生变化，该结构复杂，输出电压较小，但成本低。静电式的收集器的输出功率密度较低，且需要初始的充电等过程。

压电式

压电式转换技术的工作原理是基于压电材料的正压电效应，直接将机械 能转换为电能。早在1969年，美国就有一项专利提出利用一种小型压电悬臂梁收集人体心脏跳动时产生的能量，给植入物或起搏器供电^[4]。

通过压力发电是基于一定的压电材料的，因为压电材料具有的正压电效应，能够将机械能很好的转换成电能，有很多正效应的压电材料，我们最常用的就是钛锆酸铅(PZT)和电聚合物聚偏氟乙酸(PVDF)。前者的特点是性能优良，损耗低，机电耦合系数高，后者的特点是抗冲击性好。

麻省理工大学已经通过这两种材料做出了能够发电的鞋，他们将这两种材料安装在鞋底部，采用压力驱动的方法如图 5所示的那样。当人行走是的频率为 1HZ，PVDF 最高能输出 20mw 的能量，在整个过程中它的平均功率为 1.2mw；PZT 在整个过程中最高的功率为 80mw，平均功率为 2mw。在很多科技报道中我们知道，在国内外各种机构所研究的压电发电多数为通过人的运动产生的力量发电的，而且基于这种原理，人们最多想到的就是在鞋上做文章，因此压力发电装置在未来还是有很大的发展潜力的^[5]。

图5安置在运动鞋底的压电陶瓷发电装置分解图

电磁式

电磁式振动能量采集器设计原理可以认为是一种单自由度的由支撑运动引起的简谐强迫振动，通过电磁感应将拾振系统得到的动能转变成电能。其简化物理模型如图6所示，包括壳体、 弹簧（弹性系数为 k）、 相当于线圈的阻尼器（阻尼系数为 c）和相当于拾振系统的质量块（质量为 m ）^[6]。

图6 能量采集器简化模型

图7为一种微型电磁式振动能量采集器的结构示意图。整个结构主要由圆形永磁体、硅基铜平面弹簧和双层线圈构成。永磁体材料为S mC o 28,其剩磁和矫顽力分别为 1. 07T和 820KA/m。铜平面弹簧的一阶振型为垂直弹簧所在平面上下振动,永磁体的磁极方向沿圆柱体轴线。当外界振动作用到弹簧上时,弹簧带动永磁体上下振动,导致线圈中磁通量发生改变,根据法拉第电磁感应定律,线圈中就会产生感应电动势^[7]。

图 7 电磁式振动能量采集器的基本结构图

来自南京信息工程大学的赵兴强老师提出针对大腿部位的人体动能收集器——便携式振动发电机。设计收集前后摆动的能量，线圈悬挂在一个摆绳末端形成一个单摆，磁铁分别固定在线圈运动轨迹的两侧。该结构的共振频率为：

其中，当l=10cm时，f_n=1.6Hz，接近与人运动频率。如图8所示。

图8前后摆动的便携式发电机结构及组装图

静电式

静电式能量集能器的工作原理是基于可变电容，外界能量使极板之间的间距或相对面积发生改变，引起电容器的电压发生变化，从而在外接电路上产生电流。但静电式集能器有一个限制因素，其需要外接电源在极板间加载一定的极化电压，以保证起始电荷量和电压差，目前的处理方法主要有使用驻极体中的储存电荷和利用不同金属间的功函数差来替代外接电源^［8］。

Y. Naruse等人制作了一个使用驻极体的静电式集能器结构，分为固定部分和活动件。固定部分由带有集电极和带有质量块的推进器的两个玻璃基质组成，活动件由带有驻极体的硅基质组成，微型球轴承不仅保持间隙，而且使活动件滚动前进。集能器尺寸为20mm*45mm，每次能移动15mm。在振动频率为2Hz、加速度为0.4g、负载7ＭΩ时，能产生40μW的能量。但由于推进器和设备边缘冲突，从而损失了部分能量。静电式集能器的优点在于很容易与各种微机电系统集成，但其需要单独电压开启转换循环，还具有输出电压高、电流低、输出阻抗过高和制作复杂等缺点，限制了其发展^［9］。

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综上所述，人或动物在运动时有冲击和振动，采集这些动能，可以很方便地为其随身携带的电子设备提供能量。人体动能方面的研究在人体能量采集技术中最为突出，一是因为振动能量在人们日常生活中普遍存在；二是振动能量采集技术本身研究较为深入。本课题利用ANSOFT软件进行仿真测试，因此这种自发电的夜跑灯的研究不仅是可行的而且在可预见的未来有非常重大的意义。

2. 研究的基本内容

鉴于上述目的，课题主要开展一下方面的研究：

（1）夜跑安全指示灯的结构设计

（2）人体动能发电机结构的电磁仿真与优化

3. 实施方案、进度安排及预期效果

4.1实行方案

（1）夜跑安全指示灯的结构设计

前文提到的前后摆动的便携式发电机，此次课题便是在此基础上的一个改进，将摆绳替换为弧形的弯道，如图10 所示。这是一种动圈结构，即使磁铁与外界发生磁相互作用，也不会影响运动结构的工作，只是会对磁力线分布发生一定的影响。可以采用导磁外壳屏蔽与外界的磁相互作用。

4. 参考文献

[1]suecy, tsai n c . human powered mems-based energy harvest devices [j] .applied energy , 2012, 93 (c) : 390-403.

[2]starner t. human-powered wearable computing [j]. ibm systems journal, 1996, 35 (3/4) : 618-629.

[3]曹文英,谷秋瑾,刘雨婷,于伟东. 人体能量收集的研究现状[j]. 微纳电子技术,2016,(02):78-86.

[4]ko w h. piezoelectric energy converter for electronic implants: usa, 3456134 [p],1969-07-15.