能动学院新能源大作业题目：人体发电大探索班级：新能源 1 1 0 2 组员：李寒剑（3110207037）吴泳（3110207036）蒋宁（3110207031）人体发电大探索前言：在当今这个电气化的时代里，人们生活中每一处都离不开电。

目前我们的发电技术可谓是无所不用，包括我们大家都知道的火力发电，水利发电，风力发电，太阳能，光能，潮汐，地热，核能等等。

作为新能源专业的学生我们还能了解到一些新新发展出来的发电技术。

例如：新新的“温差发电技术”---利用热电转换材料直接将热能转化为电能的发电技术, 具有无运动部件、体积小、重量轻、移动方便和可靠性高等特点, 是绿色环保的发电方式。

随着能源与环境问题的日益突出, 温差发电技术在节能领域的应用日新月异, 它是一种合理利用太阳能、地热能、海洋温差、余热和废热等热能转换为电能的有效方式。

水泥窑余热发电技术（详见唐金泉.我国水泥窑余热发电技术的现状发展趋势及存在的问题［J］.水泥.2000，11:5-12）、、、、、、然而，在我看来这些新新的发电技术，在选材上面都忽视了一个远在天边近在眼前的能源，那就是我们的人体，本次大作业我小组就是就人体发电进行进一步的学习思考。

一、在此之前也有人幻想过要是人自身能够发电那会是怎样一个情形。

我们先来看看人体自身发电的情形。

在意大利罗马南方的一个村子里，住着一位名叫斯毕诺的19岁青年人，他的叔父艾斯拉模斯毕诺首先发现了他的奇异之处：每当斯毕诺来到他家时，他家里的电器产品就会发生故障，而且他身边的床会无缘无故发生自燃，油漆罐也会着火爆炸。

英国的贾姬普利斯曼夫人是另一个会发电的人，贾姬的丈夫普利斯曼先生是位电气技师，但他的夫人却时时发电：一旦她靠近电器，电器制品就会损坏，电视会自己转台，灯泡会爆炸。

科学家用尽各种办法来研究以求解开这个不可思议的人体发电现象。

他们从电鳗的健康与发出电能的相关关系得到启发，纽约州立监狱的南萨姆医师用囚犯做实验，用肉毒菌让被试验者暂时得病，暂时发电的现象在病人身体上出现了这时病人的体内可以检测出大量的静电，不过，病人的身体一旦恢复健康，发电的现象便消失了。

这个实验证明，人生理机能的失衡引起了人体的发电现象而韦恩柯尔博士认为，从理论上来讲，约一立方厘米的人类肌肉细胞可以产生万伏特的电压他实验利用冥想在肌肉中产生静电，试验取得了成功其实人人都可能隐藏着会发电的潜力如果照柯尔博士所说，通过冥想就能发电，那么，就让我们在日常生活中多多冥想吧，那样的话，我们的电气化时代就名副其实地来到身边了。

但这只是说说而已。

就像上文所述，人体发电一旦真的实现的话，那将会是人类进步史上的一大突破，但是我们不应该寄托在那些微乎其微的个例上面，也不能依靠稍显飘渺的冥想上面，现代工程师们利用人体，正在进行着一次又一次的尝试。

二、利用科学的研究说明方式，也从更加直观更加有条理的角度，我们从人体的各个零部件来说。

2.1首先是人体的一个重要零件---脚。

脚是一个大家较为熟知的器官，也是目前应用较为广泛的一个部位，目前的应用方式主要是如上图所示的三大类。

第一类：压电踩踏式，如图一所示。

这种方式是目前真正投入生产使用的一种方式，率先由美国人提出和制造。

这种方式主要是采用的压电技术，利用特殊材料在收到压迫时会产生电压的原理而制成，鞋跟部运用的是PZT材料，注重的是在垂直方向的踩踏而产生的电压，脚前掌采用的是PVDF材料，主要是用以采集拉伸变形而产生的电压，如此综合运用压电材料的多重特性，可以说是对压电材料的较为完美的综合利用。

但是，由于压电材料本身在能量储存方面的目前技术发展的不足，目前此种发电方式综合能源利用率还是相对较低。

第二类，电磁发电装置。

利用人体在行走时踩踏过程中产生的上下运动，形成对磁感线的切割，从而获取相应的电能，如图二所示。

这种装置中采用弹性机构，由人体做工来产生相应的切割磁感线的运动，再由弹性机构使得变形回缩，再次产生对永磁体磁感线的切割，从而产生并且得意储存相应的电能。

这种方式直接利用了人类较早的产生点的方式，装置简单，价格低廉，电能易搜集，但是由于产生相应的切割装置影响人体行走的舒适度，与此同时，其使用寿命以及相应的维护较为困难，装置位于集中受力部位，容易产生损坏，更会影响人体的正常奔跑跳跃的相应活动，在实际运用中还有相关的一些类问题需要解决。

第三类，惯性能量收集装置。

利用人体行走时的惯性来进行发电，如图三所示。

在鞋子的斜面上面可以安装一个如图装置，其中，其主要作用的是一个偏心选装机构，如右图，同时设计相关的电磁耦合电路，对其产生的电能进行采集。

此种方式避开的可能对装置产生较大磨损的部位，同时很好的利用了人体行走时的惯性，采用较为柔和的能量采集方式进行了能源的利用，但是，对人体的行走还是有一些影响，同时对环境的适应性，整体设计等诸多方面存在着一些问题，能量的利用和储存依旧是一个比较棘手的问题。

2.2说完脚，我们就往上面来一点，来看看现代工程师们是怎样利用膝盖的。

如左图所示，这是一套利用人类行走时的膝盖部位的弯曲产生的变形来产生电能的装置，其核心部位是一个压电凸轮机构。

如右下图所示。

此设计来源于人体仿生学，利用的是由一系列运动机构产生和人体相一致的运动，选择性地在腿部摆动结束阶段连续地按压压电陶瓷片参与发电，再利用运动过程中产生的压力从而产生相应的电压。

核心设计就是中间的那块三角形的凸轮，设计者还考虑的凸轮中压电材料的优化设计，对于不同位置安放压电材料进行了分析，得出了一些合理设计的方式。

（详见姚永刚，姚梦.压电陶瓷人体能量收集系统的设计与实验［J］.机械设计与研究，2011.12,27（6）：34-36 .）此设计极具现实意义，非常适合给假肢以及便携式医疗设备进行充电，但是关于此装置的结构强度以及相应的设计还是有一些值得进一步完善的地方，例如，整体设计中关于整个机械的重心不是始终和人体的重心相协调，以及关键装置过于集中，辅助装置设计结构简单但是体积过大等问题还需要进一步实践中进行检验。

2.3再往上面去一点是什么部位呢？没错，就是到了我们的大腿（在这呢，就权当是真条腿吧）。

对于整条腿来说呢，其实在利用方面还是要再三思量一下，因为虽然说腿是我们日常行为中，非常关键而且是运动幅度非常大的部位，然而相对于整条腿来说，要是简化一下就是两根长短相等的棍子，运动的方式是来回的摆动。

从上面的集中发电方式的介绍我们也不难看出，利用的就大多数是变形为主的机械运动，这个和人体机构及其相关，对于腿来说，从简化模型来说，变形是不太合适了，所以我们的设计师们采用了和机械运动相关的方式，切割磁感线。

具体的相关装置可有下面的几个图片上面介绍可知。

左图为设计图，右图为原理图。

从右图可以看出，如图设计是利用永磁体以及线圈在有人体产生的相对运动带动下，产生相对运动，从而产生相关的切割磁感线的运动，产生相应的电流。

上图装置是运用在医学上面，为了器官移植以及电子心脏等体内供电器官而设计的，为移植在人体内部的发电装置，通过一系列的分析结论得出一直在小腿是较为合理的部位，同时又因为这个装置体积小，质量轻，集成度高，原理简单，在现代医学中有着很好的运用前景，解决了病人可能需要的多次手术更换体内装置的痛苦，也让身体成为电源，让自己的运动完成自己身体所需，真正的“自给自足”。

但是装置也存在一些不足，如图，目前该装置的实物还是稍显笨拙，装置依然存在着可能的损坏问题等等。

2.4对于人体中的腿，其实利用的方式还有很多，主要是因为腿是人体行为最为剧烈的部位。

当今还有很多的现代运用也利用到了腿部的运动。

例如，在日本繁忙的地铁站，有两块专门的压电发电板，上面会准确的显示电量，并且还会将储存的电量用于照明播音等等；在荷兰，有一家酒吧利用压电技术，宣称成功降低能耗30个百分点；一种新型个人步行器在美国问世。

它不需外加能量，完全靠弹簧和杠杆的连动作用，能行进30 km/h 。

一般人在行走时，所付出的能量总有一部分要浪费在垂直运动上。

步行器则不仅能加大步幅，而且能避免能量浪费。

在行走时，步行者脚的作用力通过缆索、滑轮和杠杆传递到高能弹簧，导致弹簧伸缩，弹簧伸缩产生的能量再传递到机械腿，以达到行走的目的。

这里弹簧的作用是贮存能量并在下一步释放，将人抬高，弥补了行走时垂直运动所消耗的能量；在一些较为先进的商场等公共场合，科学家设计出一种利用步行来发电的新装置。

他们将这种装置埋在公共场所的地毯下，上面是一排踏板，当行人踏在上面时，体重压到板上，使与之相连的摇杆也被压下。

摇杆从一个方向带动中心轴旋转，从而带动发电机发电。

当众多行人连续在踏板上行走时，摇杆不断被压下，使中心轴不停地转动发电。

这种装置所发出的电可以用来照明和驱动电风扇等等。

对于腿部的利用更倾向于综合的运用，设计师们的设计在获取能源的同时，也帮人们设计好了怎样跟好的生活。

2.5再往上面去是什么了呢？来说说我们万能的手吧。

可能有些人还依稀记得有一种手电筒，只需要手握一握就能够发光发亮，还能够坚持一小段时间，虽然光的亮度不是很高，但是在一些特殊的场合还是很能派上用场的。

下面来较少一种手摇式发电的手电筒。

左图为电路图，右图为设计图。

通过左图我们就可以得知，上线摇晃手电筒，就可以使永磁体发生相应的想多运动，从而产生电流，供手电筒照明。

由于采用了超亮度的发白光二极管并且有镜片聚焦亮度和射程大于只使用聚焦电珠的五号电池手电筒。

但这个电筒亦有个显著的缺点就是要不停地摇才能不断地发光。

为了克服这个缺点和节约成本设计师没有采用镬充电池增加储能而是在Cl 两端并接两只CR2032锂电池。

实践证明由于这个电筒的耗电t 量约为30mA 新的电池可以用较长的时间电量不足时摇动电筒又能用上一段时间反复多次后电池完全失效后取下电池仍然可以继续工作。

如果经济条件许可将电池换成锂充电电池，那是最理想的了。

上述手电筒的设计技术目前来说是在人体电能运用当中科技含量相对较低的了，但是也是目前为止适用范围最广制造成本最低的运用，毕竟人类的手是最为灵活的。

2.6我们再来看一个和手有关的人体发电运用的例子。

199 8年12 月,一种能利用人体体温和气温之间的温差发电的手表在日本问世这种世界首创的名为THERMIC 的手表,采用了“运动”和“光”以外的所谓第三种能源“热能”。

据说假设人体所发出的热量能够10%地得到利用的话,可以点亮一盏60W的电灯泡充分利用人体所发出的热能,是这次研制开发的初衷。

两家“精工”经过3年的努力才终于获得成功,使该产品得以问世THERMIC 手表的发电原理是利用早就为人熟知的“温差电现象”金属材料或半导体材料的两端存在温差就可产生电压。

这种原理是在1821 年由德国物理学家塞贝克发明的。

这个原理除了用作行星探测仪的电源等宇宙开发项目之外,还用于将工厂及发电站的余热转换成电力的研究等方面THERMIC 手表所用的发电原材料是以秘和蹄的化合物为主要成份的半导体。