壓電發電的生熱保溫鞋設計范文

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《電子器件雜志》2014年第三期

1壓電發電裝置的設計

經過實驗發現，人走路腳對地的最大沖擊力大約為人的體重的1．4倍。以一個65kg的人為例，走路時腳底對地的作用力最大可達到1820N，具有很大的能量。腳底對地的作用力較大，頻率較小，這種情況下，我們選擇使用厚度伸縮模式的壓電振子，因為厚度伸縮模式可以承受更大的壓力，而且在外部壓力大的情況下可以輸出更多的功率電極并聯的壓電疊堆能夠輸出較大的電流，對較小的負載電阻能夠輸出較大的功率。厚度伸縮模式如圖1所示。

1．1壓電振子發電特性研究:壓電發電的理論的基礎是壓電方程，因為我們現在研究的是壓電發電鞋，其負載為碳纖維，內阻比較大，所以相當于研究在開路狀態下的輸出電壓。先將壓電振子等效為電壓源。此時宜采用第3類壓電方程進行分析。d33模式下的第3類壓電方程。第1項為控制電源，第2項等效為Qt/CP，則壓電振子可以等效為電壓源us與電容CP的串聯，如圖2所示。

1．2發電裝置機械結構設計由上述式子可以看出，當壓電發電片從壓電式發電產生能量的計算可以看出:輸出功率對耦合系數的大小非常敏感。并且，在壓電片材料和面積一定的情況下，壓電片所能產生的功率理論值與力的大小(即人體的重力)成二次關系，因為損耗，實際的電能輸出理論值會有所下降。所以，增大壓電片所受的力成為增大發電量的一個重要途徑，而人走路對地面的壓力基本為人體重的1．4倍［8］。所以提高對壓電裝置的壓力成為一個技術難點，本設計采用如下裝置進行力的放大，以提高壓電效率。如圖3所示。設計了如圖3所示的壓電發電器，它主要由箱體1，傳力塊3，受力塊2，壓電器件5和彈簧6組成。

兩個壓電器件5分別置于箱體1內的兩端，并分別與槽形盒1的內側端面貼合，兩個帶有滾輪4的傳力塊3都是直角梯形的光滑直棱柱體，兩個傳力塊3分別置于兩個壓電晶體5的內側，傳力塊3的底面與箱體1的內側面有很小的間隙，兩個傳力塊3的斜面與槽形盒1內部形成V型槽，受力體2左右兩個側面分別與傳力塊3斜面相平行，且其底部和上平面下部高度都高于槽型盒1高度。當受力塊2在受到向下力的情況下，通過傳力塊3將其放大后，水平方向施加給壓電器件5，從而對稱的兩個壓電器件5同時產生電能，因為所有材料都是剛性結構，所以重量會比較大，為了使得受力塊可以順利反彈上去，特地加了滾軸4和彈簧6，滾軸可以減小傳力塊與受力塊之間的摩擦，而彈簧可以給受力塊一個向上的反彈力，使得受力塊可以順利恢復到原位置。驅動負載碳纖維產生熱量。工作原理如圖4所示。由上述結果可以看出，通過使用新的機械結構使得P''''=100P，即作用在壓電發電裝置上的壓力擴大了10倍，而發電功率就擴大了100倍。發電量大大提高。把壓電式發電裝置應用到發熱保暖鞋中是絕對可行的，并且前景非常廣闊。同時，在保暖鞋中使用發熱薄膜等現代高科技材料作為發熱介質使保暖鞋能夠達到更好的效果。

2保暖鞋設計

為了保證較長時間的保暖效果以及充分利用人體產生的能量，我們設計一款自動發熱保暖鞋。該保暖鞋采用壓電式發電裝置為動力，保暖鞋的發熱材料采用碳纖維材料，安裝在鞋墊下方以及斜面上。發電裝置的直流電將直接供給碳纖維使用。這樣，既可以保證保暖鞋較長時間的保暖，又可以滿足人體舒適的需求。

3結束語

本文通過對壓電發電鞋發電原理的研究分析，即走路時通過對鞋底的壓力，使鞋子底部的壓電片產生微小變形而輸出電荷，產生電能。并將電能直接通過碳纖維材料轉變為熱能，達到生熱保溫的效果。通過設計了一種新型的機械結構，使得發電量大大提高。且不影響鞋子的美觀。壓電發電保溫鞋的出現適應了低碳需求，它安全無污染，對環境友好，是對清潔能源的一種利用，具有廣闊的發展前景。

作者：文婷寧鐸孫博陳國慶單位：陜西科技大學電氣與信息工程學院 陜西龍門鋼鐵集團