王江 高鵬翔 劉暢 陳運(yùn)貴 劉益妮

摘 要：通過(guò)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)了一套內(nèi)藏式行走充電寶的系統(tǒng)，其工作過(guò)程大體上分為兩個(gè)部分。其一，人體在行走時(shí)會(huì)對(duì)安裝于鞋底的壓電材料產(chǎn)生壓力，壓電材料通過(guò)壓電振子的厚度伸縮模式將其轉(zhuǎn)化成電能。其二，通過(guò)能量收集模塊，將壓電材料產(chǎn)生的微弱電流進(jìn)行收集，并通過(guò)電路進(jìn)行輸出電壓控制，以適應(yīng)不同設(shè)備的輸入電壓要求。其原理主要利用了壓電材料的多功能性，壓電材料位于鞋墊下方，其產(chǎn)生的電能可存儲(chǔ)并利用。通過(guò)充電寶將電能提供給多種電子設(shè)備，以達(dá)到節(jié)約電能進(jìn)而減少干電池的使用，同時(shí)減少土地污染達(dá)到節(jié)能減排的目的。

關(guān)鍵詞：行走;壓電材料;充電寶

中圖分類號(hào)：TM919 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1671-2064（2019）13-0059-02

1 研制背景及意義

1.1 研發(fā)背景

隨著科技的進(jìn)步與現(xiàn)代化的不斷發(fā)展，人們對(duì)節(jié)約能源，低碳生活的意識(shí)越來(lái)越強(qiáng)烈。況且石油、天然氣、煤炭等化石能源將在21世紀(jì)消耗殆盡，尋找清潔能源、用可再生能源取代化石能源成為當(dāng)今社會(huì)的首要目標(biāo)。而常常被人們忽略的數(shù)量巨大且不受天氣或地理位置影響的潛在能源——“人體動(dòng)能”。據(jù)調(diào)查，人行走時(shí)產(chǎn)生的能量是巨大的，且步態(tài)曲線較為簡(jiǎn)單。如果將行走過(guò)程中的能量利用起來(lái)，那么所產(chǎn)生的能量可用于諸多方面。如今，可穿戴智能設(shè)備和微電子器件開(kāi)始興起，壓電材料的發(fā)展與使用愈發(fā)成熟，均為本產(chǎn)品的設(shè)計(jì)提供了基礎(chǔ)。如圖1所示。

1.2 國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀

在國(guó)內(nèi)，大體上有兩種發(fā)電方式，一種是利用電磁感應(yīng)原理，還有一種是利用壓電陶瓷發(fā)電。壓電材料近年來(lái)的發(fā)展極為迅速，廣泛應(yīng)用于各領(lǐng)域，壓電陶瓷是通過(guò)粉末燒結(jié)的方法由人工燒制而成的多晶鐵電材料。在國(guó)外，利用了現(xiàn)在的一種先進(jìn)技術(shù)——逆向電潤(rùn)濕。它是利用電壓改變疏水表面上液滴的外形，反過(guò)來(lái)利用該原理，讓微型液滴流動(dòng)的能量轉(zhuǎn)化為電能。除此之外，國(guó)外還有一種病毒發(fā)電，雖然技術(shù)較為先進(jìn)，但短時(shí)間內(nèi)只能用于試驗(yàn)階段，不能用于商業(yè)生產(chǎn)，而且一雙鞋子的成本也會(huì)很高?？傊?，現(xiàn)有發(fā)電鞋都還處于行走發(fā)熱、電暖鞋、自熱鞋自動(dòng)發(fā)電保暖的階段，盡管有一些發(fā)電鞋，卻存在因發(fā)電裝置結(jié)構(gòu)復(fù)雜導(dǎo)致的鞋子很重的問(wèn)題和未能有效地解決有關(guān)存儲(chǔ)電的問(wèn)題。如圖2所示。

1.3 研發(fā)意義

現(xiàn)代社會(huì)高速發(fā)展，手機(jī)使用頻率越來(lái)越高，而充電寶雖然高產(chǎn)，但是在野外或者長(zhǎng)時(shí)間處于沒(méi)有電的情況下，用電設(shè)備就無(wú)法充電。因而，設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)一種節(jié)能、環(huán)保、耐用的內(nèi)藏式行走充電裝置，從而實(shí)現(xiàn)節(jié)約能源，減少使用干電池所帶來(lái)的環(huán)境污染問(wèn)題以及滿足特殊人群在長(zhǎng)期無(wú)電環(huán)境的充電需求。該裝置的推廣和普及，能有效地解決特殊人群在特殊環(huán)境用電的問(wèn)題，也為保護(hù)環(huán)境做出了較大貢獻(xiàn)。

2 設(shè)計(jì)方案

2.1 方案構(gòu)想

本作品的研究思路是基于現(xiàn)有壓電材料可以利用壓力變形產(chǎn)生電能的原理并充分考慮了現(xiàn)有裝置存在的不足，對(duì)干電池污染現(xiàn)狀進(jìn)行調(diào)研，自主設(shè)計(jì)了一種新的解決方案。在減輕人們所使用干電池污染環(huán)境的同時(shí)，還達(dá)到了解決特殊群體的用電需求目的。

2.2 整體設(shè)計(jì)及運(yùn)行流程

該裝置主要分為3部分，各部分箭頭指示說(shuō)明如圖3所示。

2.3 設(shè)計(jì)時(shí)考慮的主要問(wèn)題

2.3.1 壓電材料的發(fā)電性能

由于普通平面壓電片只能受到以正向?yàn)閱我环较虻膲毫?，不能產(chǎn)生良好的形變效果，達(dá)不到壓電效率最大化。于是我們采用弧形壓電片作為本產(chǎn)品的壓力發(fā)電裝置，可以將人體行走時(shí)的大部分動(dòng)能轉(zhuǎn)化為電能。

2.3.2 各組件的安裝部件

在鞋底設(shè)計(jì)有與壓電片形狀大小相契合的凹槽，并且在凹槽周圍設(shè)計(jì)有附加扣槽，可以將壓電片扣于鞋底，方便取用和安裝。使用高效節(jié)能的鋰離子電池作為電能存儲(chǔ)的充電電池，它主要依靠鋰離子在正極和負(fù)極之間移動(dòng)來(lái)工作。我們通過(guò)對(duì)人體運(yùn)動(dòng)時(shí)鞋子的受力變形情況進(jìn)行分析，在鞋子外表面的鞋幫側(cè)面設(shè)計(jì)有充電寶收納袋，該收納袋也是由鞋面材料制作而成，具有美觀的外形和一定的實(shí)用價(jià)值。

2.3.3 鞋子清洗問(wèn)題

當(dāng)鞋子需要清洗時(shí)，由于采用防水線路，所以只需將壓電片取出，再打開(kāi)充電寶收納袋取出鋰離子電池即可進(jìn)行正常清洗。

3 理論設(shè)計(jì)計(jì)算

為驗(yàn)證該產(chǎn)品節(jié)能減排效益，查找并計(jì)算如下：

查得：

（1）5號(hào)電池一節(jié)2元，以一畝土地收入2000元計(jì)算。（2）生產(chǎn)一節(jié)5號(hào)干電池耗電3.888kw·h、5號(hào)電池性能0.5A·h。（3）一噸標(biāo)準(zhǔn)煤1500元，產(chǎn)生CO2 2620kg，29211KJ能量。（4）一節(jié)5號(hào)干電池可污染1m3的土地，污染600噸水。（5）1度電可以減排0.997kgCO2。（6）陶瓷壓電片性能：陶瓷壓電片壓電常數(shù)為670×10-12C/N，通過(guò)萬(wàn)用表測(cè)得產(chǎn)生電壓0～2.2v，電流0～50mA，形變3～7mm。

則產(chǎn)生電壓有效值為2.2/=1.56v，電流有效值為50/=35.36mA，功p=1.56*35.36*10-3=0.055kw/h。

以一雙鞋子壽命半年（180天），每天走4小時(shí)計(jì)算。則一雙鞋可替換2*180*4/14=102節(jié)5號(hào)干電池，可產(chǎn)生總能量2*0.055*4*180=79.2kw，可減排CO2：0.997*79.2=79kg。減小電池污染對(duì)應(yīng)增收102*1/666.67*2000=306元。一雙鞋帶來(lái)總收益100（銷售利潤(rùn)）+306（土地增收）+204（電池費(fèi)用）=610元，如表1所示。

4 工作原理及性能分析

壓電效應(yīng)的本質(zhì)原理是內(nèi)部某些電介質(zhì)在受到外界因素的擠壓時(shí)，會(huì)沿著力的方向發(fā)生變形且產(chǎn)生極化。同時(shí)電壓差在其兩邊產(chǎn)生，如果此時(shí)去掉外力又會(huì)重新恢復(fù)不帶電狀態(tài)。相反，如果把電場(chǎng)施加在極化方向上，壓電材料也會(huì)變形，這就是所謂的逆壓電效應(yīng)。

壓電材料則是指一些晶體在受到壓力作用時(shí)，由于晶體的對(duì)稱性較低受到外力而發(fā)生形變，晶胞中正負(fù)離子的相對(duì)位移使正負(fù)電荷中心不再重合，導(dǎo)致晶體發(fā)生宏觀極化，在兩端面間出現(xiàn)電壓的晶體材料。

壓電材料可以分為有機(jī)和無(wú)機(jī)兩種，無(wú)機(jī)又細(xì)分為兩種，一種是壓電晶體（單晶體），是指按晶體空間點(diǎn)陣長(zhǎng)程有序生長(zhǎng)而成的晶體。這種材料有水晶、鍺酸鈦、鎵酸鋰等。另一種是壓電陶瓷，壓電陶瓷一般指多晶體，它是由一系列的加工和處理制成的一種多晶體壓電材料內(nèi)部所含顆粒是無(wú)規(guī)則的。如石英、鋰鎂酸鉛等。

5 創(chuàng)新點(diǎn)及應(yīng)用前景

5.1 創(chuàng)新點(diǎn)

（1）整體設(shè)備采用內(nèi)藏式布置不易破損，安全，耐用。（2）壓力產(chǎn)電存儲(chǔ)于微型充電寶中，外接USB接口可供手機(jī)等設(shè)備使用，充電寶可拆卸，使用方便。（3）鞋換設(shè)備不換，即鞋子壽命期滿，可將充電設(shè)備拆卸裝至下一雙鞋，繼續(xù)使用。

5.2 應(yīng)用前景

該裝置迎合了我國(guó)所倡導(dǎo)的節(jié)能減排的主題，隨著人們環(huán)保意識(shí)的提高以及集電裝置、壓電材料等技術(shù)突飛猛進(jìn)的發(fā)展，內(nèi)藏式行走充電寶在野外探險(xiǎn)等領(lǐng)域的應(yīng)用會(huì)越來(lái)越廣，規(guī)模會(huì)越來(lái)越大，應(yīng)用前景十分光明。本裝置本著節(jié)能環(huán)保和提高人們生活水平的理念，將人體動(dòng)能利用起來(lái)。該裝置適用于野外勘探人員、驢友、軍隊(duì)等特殊群體。減少干電池使用所帶來(lái)的環(huán)境和土地污染、降低了人們使用干電池的概率，致力打造我們的高品質(zhì)生活。

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