多功能發(fā)電鞋設計與制作

盧景 鄧豪 楊麗

【摘要】基于減少環(huán)境污染，開發(fā)新能源，達到節(jié)能減排的目的，本文設計一款可利用人行走時對鞋底的壓力而發(fā)電的復合式發(fā)電鞋。該發(fā)電鞋采用壓電效應和微型發(fā)電機運動兩種發(fā)電方式，使用雙發(fā)電機，發(fā)電機正轉(zhuǎn)及反轉(zhuǎn)均在發(fā)電，輔以合理布局的壓電陶瓷片，充分利用能量來源，高效率的將機械能轉(zhuǎn)化為電能，給鞋子內(nèi)置蓄電池充電和為外圍設備供電。整個設計節(jié)能環(huán)保，開發(fā)新能源，符合當今社會發(fā)展綠色經(jīng)濟的需求。

【關鍵詞】發(fā)電鞋;發(fā)電機;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

當今社會隨著經(jīng)濟的快速發(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量開采。環(huán)境問題、能源問題成為人類發(fā)展的關鍵問題。

新材料及節(jié)能產(chǎn)品成為社會研究熱點。本文介紹一款可利用人行走時對鞋底的壓力而發(fā)電的復合式發(fā)電鞋。鞋一側(cè)裝有USB接口，可為手機等小電器充電。前置設有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。實驗證實，該發(fā)電鞋能量轉(zhuǎn)換效率高，能源產(chǎn)生過程對環(huán)境安全無害，符合節(jié)能減排理念。

2.整體框架設計

整體的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。整個發(fā)電鞋由鋰電池充放電模塊、直流發(fā)電機與壓電陶瓷共發(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，在電量不足時可為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，在需要時可給手機、隨身聽等小型用電設備供電;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，在需要時提供保暖。整個發(fā)電鞋功能多樣化，使用安全，具有很強推廣應用性。

圖2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

3.硬件模塊

本發(fā)電鞋利用兩個微型直流發(fā)電機和壓電瓷片進行復合發(fā)電。其中微型直流電機發(fā)電效率高、體積小，適合安裝在位置有限的地方，而且電機可根據(jù)負載大小，自動降速，達到極大的啟動扭矩。另外由于直流電機易吸收負載大小的突變，電機轉(zhuǎn)速可自動適應負載大小。壓電陶瓷則因受力形變而產(chǎn)生電的效應。

對于發(fā)電機及壓電瓷片產(chǎn)生的不穩(wěn)定電壓，首先經(jīng)過整流、濾波處理，由于整流濾波后的電壓較小，于是采用相應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標準電壓，并在電路中采用標準鋰電池過充、過放及外電路短路過流的過電保護電路，保證鋰電池使用安全。用電時，照明LED和電熱等用電部分的供電從有保護電路的鋰電池引出，外接USB接口用電時，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.機械模塊

根據(jù)人體生理結(jié)構(gòu)，鞋子前部分（對應腳掌位置）受力較大，但可用形變空間小，所以布以多塊壓電瓷片進行組合發(fā)電;鞋子中部（對應腳弓位置）一般情況下形變小，用于放置蓄電池;鞋子后部分（對應腳根位置）受力較大，且上下可活動空間較大，使用微型發(fā)電機組輔以壓電瓷片進行發(fā)電，本發(fā)電機組設計有兩個可同時發(fā)電的微型發(fā)電機，通過減速齒輪箱將鞋后跟的微小形變放大，增大電機轉(zhuǎn)動圈數(shù)，并采用較強的彈簧再次驅(qū)動電機轉(zhuǎn)動，實現(xiàn)雙次發(fā)電。發(fā)電鞋根據(jù)人腳生理結(jié)構(gòu)，合理化設計鞋子的結(jié)構(gòu)，達到了高效率的發(fā)電效果。

5.結(jié)語

當今社會，環(huán)境問題、能源問題成為了人類文明發(fā)展的關鍵點。基于減少環(huán)境污染，開發(fā)新能源，達到節(jié)能減排的目的，本項目組設計的可利用人行走時對鞋底的壓力而發(fā)電的復合式發(fā)電鞋，實驗證明，該發(fā)電鞋能量轉(zhuǎn)換效率高，能源產(chǎn)生過程對環(huán)境無害，符合節(jié)能減排理念。

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