盧景 鄧豪 楊麗

【摘要】基于減少環(huán)境污染，開(kāi)發(fā)新能源，達(dá)到節(jié)能減排的目的，本文設(shè)計(jì)一款可利用人行走時(shí)對(duì)鞋底的壓力而發(fā)電的復(fù)合式發(fā)電鞋。該發(fā)電鞋采用壓電效應(yīng)和微型發(fā)電機(jī)運(yùn)動(dòng)兩種發(fā)電方式，使用雙發(fā)電機(jī)，發(fā)電機(jī)正轉(zhuǎn)及反轉(zhuǎn)均在發(fā)電，輔以合理布局的壓電陶瓷片，充分利用能量來(lái)源，高效率的將機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電能，給鞋子內(nèi)置蓄電池充電和為外圍設(shè)備供電。整個(gè)設(shè)計(jì)節(jié)能環(huán)保，開(kāi)發(fā)新能源，符合當(dāng)今社會(huì)發(fā)展綠色經(jīng)濟(jì)的需求。

【關(guān)鍵詞】發(fā)電鞋;發(fā)電機(jī);壓電陶瓷;節(jié)能

Abstract：Based on the reduction of environmental pollution，the development of new energy sources，to achieve the purpose of energy saving，the paper can be used when designing a person walking on the soles of pressure and power generation composite shoes.The power shoes using the piezoelectric effect and micro-generators sports two kinds of power generation，the use of double Generator both forward and reverse power generation，combined with rational distribution of piezoelectric ceramics，make full use of energy sources，high efficiency the mechanical energy into electrical energy，to shoes built-in battery charging and power supply to peripheral devices.The whole design of energy-saving and environmental protection，the development of new energy sources，green economy and social development in line with today's needs.

Keywords：power shoes;generators;piezoelectric ceramics;energy

1.引言

當(dāng)今社會(huì)隨著經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，人們賴以生存的生活環(huán)境不斷遭到破壞，地球母親的寶貴資源被過(guò)量開(kāi)采。環(huán)境問(wèn)題、能源問(wèn)題成為人類發(fā)展的關(guān)鍵問(wèn)題。

新材料及節(jié)能產(chǎn)品成為社會(huì)研究熱點(diǎn)。本文介紹一款可利用人行走時(shí)對(duì)鞋底的壓力而發(fā)電的復(fù)合式發(fā)電鞋。鞋一側(cè)裝有USB接口，可為手機(jī)等小電器充電。前置設(shè)有LED照明裝置，為夜間行走照明。鞋內(nèi)裝配電熱保暖絲，可控制鞋內(nèi)的溫度。實(shí)驗(yàn)證實(shí)，該發(fā)電鞋能量轉(zhuǎn)換效率高，能源產(chǎn)生過(guò)程對(duì)環(huán)境安全無(wú)害，符合節(jié)能減排理念。

2.整體框架設(shè)計(jì)

整體的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。整個(gè)發(fā)電鞋由鋰電池充放電模塊、直流發(fā)電機(jī)與壓電陶瓷共發(fā)電模塊、電熱保暖絲模塊、USB供電模塊及燈光照明5部分組成。

直流發(fā)電機(jī)與壓電陶瓷共發(fā)電模塊將人體行走損耗的能量轉(zhuǎn)化為電能為鋰電池充電，鋰電池為電熱保暖絲模塊及燈光照明供電，鋰電池又可可將多余的電量存儲(chǔ)，在電量不足時(shí)可為USB、電熱保暖絲及燈光照明供電。鋰電池的電壓經(jīng)升壓電路后為USB口供電。

鞋本體一側(cè)USB接口，在需要時(shí)可給手機(jī)、隨身聽(tīng)等小型用電設(shè)備供電;前置LED照明裝置，可為夜間行走照明;鞋內(nèi)裝配電熱保暖絲，在需要時(shí)提供保暖。整個(gè)發(fā)電鞋功能多樣化，使用安全，具有很強(qiáng)推廣應(yīng)用性。

圖2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

3.硬件模塊

本發(fā)電鞋利用兩個(gè)微型直流發(fā)電機(jī)和壓電瓷片進(jìn)行復(fù)合發(fā)電。其中微型直流電機(jī)發(fā)電效率高、體積小，適合安裝在位置有限的地方，而且電機(jī)可根據(jù)負(fù)載大小，自動(dòng)降速，達(dá)到極大的啟動(dòng)扭矩。另外由于直流電機(jī)易吸收負(fù)載大小的突變，電機(jī)轉(zhuǎn)速可自動(dòng)適應(yīng)負(fù)載大小。壓電陶瓷則因受力形變而產(chǎn)生電的效應(yīng)。

對(duì)于發(fā)電機(jī)及壓電瓷片產(chǎn)生的不穩(wěn)定電壓，首先經(jīng)過(guò)整流、濾波處理，由于整流濾波后的電壓較小，于是采用相應(yīng)的升壓電路使電壓升高并穩(wěn)定為可供鋰電池充電使用的4.2V標(biāo)準(zhǔn)電壓，并在電路中采用標(biāo)準(zhǔn)鋰電池過(guò)充、過(guò)放及外電路短路過(guò)流的過(guò)電保護(hù)電路，保證鋰電池使用安全。用電時(shí)，照明LED和電熱等用電部分的供電從有保護(hù)電路的鋰電池引出，外接USB接口用電時(shí)，先采用升壓電路將鋰電池輸出電壓升至5V電壓，再供外電路使用。

4.機(jī)械模塊

根據(jù)人體生理結(jié)構(gòu)，鞋子前部分（對(duì)應(yīng)腳掌位置）受力較大，但可用形變空間小，所以布以多塊壓電瓷片進(jìn)行組合發(fā)電;鞋子中部（對(duì)應(yīng)腳弓位置）一般情況下形變小，用于放置蓄電池;鞋子后部分（對(duì)應(yīng)腳根位置）受力較大，且上下可活動(dòng)空間較大，使用微型發(fā)電機(jī)組輔以壓電瓷片進(jìn)行發(fā)電，本發(fā)電機(jī)組設(shè)計(jì)有兩個(gè)可同時(shí)發(fā)電的微型發(fā)電機(jī)，通過(guò)減速齒輪箱將鞋后跟的微小形變放大，增大電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)圈數(shù)，并采用較強(qiáng)的彈簧再次驅(qū)動(dòng)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)雙次發(fā)電。發(fā)電鞋根據(jù)人腳生理結(jié)構(gòu)，合理化設(shè)計(jì)鞋子的結(jié)構(gòu)，達(dá)到了高效率的發(fā)電效果。

5.結(jié)語(yǔ)

當(dāng)今社會(huì)，環(huán)境問(wèn)題、能源問(wèn)題成為了人類文明發(fā)展的關(guān)鍵點(diǎn)?；跍p少環(huán)境污染，開(kāi)發(fā)新能源，達(dá)到節(jié)能減排的目的，本項(xiàng)目組設(shè)計(jì)的可利用人行走時(shí)對(duì)鞋底的壓力而發(fā)電的復(fù)合式發(fā)電鞋，實(shí)驗(yàn)證明，該發(fā)電鞋能量轉(zhuǎn)換效率高，能源產(chǎn)生過(guò)程對(duì)環(huán)境無(wú)害，符合節(jié)能減排理念。

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