压电发电的生热保温鞋设计

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《电子器件杂志》2014年第三期

1压电发电装置的设计

经过实验发现，人走路脚对地的最大冲击力大约为人的体重的1．4倍。以一个65kg的人为例，走路时脚底对地的作用力最大可达到1820N，具有很大的能量。脚底对地的作用力较大，频率较小，这种情况下，我们选择使用厚度伸缩模式的压电振子，因为厚度伸缩模式可以承受更大的压力，而且在外部压力大的情况下可以输出更多的功率电极并联的压电叠堆能够输出较大的电流，对较小的负载电阻能够输出较大的功率。厚度伸缩模式如图1所示。

1．1压电振子发电特性研究:压电发电的理论的基础是压电方程，因为我们现在研究的是压电发电鞋，其负载为碳纤维，内阻比较大，所以相当于研究在开路状态下的输出电压。先将压电振子等效为电压源。此时宜采用第3类压电方程进行分析。d33模式下的第3类压电方程。第1项为控制电源，第2项等效为Qt/CP，则压电振子可以等效为电压源us与电容CP的串联，如图2所示。

1．2发电装置机械结构设计由上述式子可以看出，当压电发电片从压电式发电产生能量的计算可以看出:输出功率对耦合系数的大小非常敏感。并且，在压电片材料和面积一定的情况下，压电片所能产生的功率理论值与力的大小(即人体的重力)成二次关系，因为损耗，实际的电能输出理论值会有所下降。所以，增大压电片所受的力成为增大发电量的一个重要途径，而人走路对地面的压力基本为人体重的1．4倍［8］。所以提高对压电装置的压力成为一个技术难点，本设计采用如下装置进行力的放大，以提高压电效率。如图3所示。设计了如图3所示的压电发电器，它主要由箱体1，传力块3，受力块2，压电器件5和弹簧6组成。

两个压电器件5分别置于箱体1内的两端，并分别与槽形盒1的内侧端面贴合，两个带有滚轮4的传力块3都是直角梯形的光滑直棱柱体，两个传力块3分别置于两个压电晶体5的内侧，传力块3的底面与箱体1的内侧面有很小的间隙，两个传力块3的斜面与槽形盒1内部形成V型槽，受力体2左右两个侧面分别与传力块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。当受力块2在受到向下力的情况下，通过传力块3将其放大后，水平方向施加给压电器件5，从而对称的两个压电器件5同时产生电能，因为所有材料都是刚性结构，所以重量会比较大，为了使得受力块可以顺利反弹上去，特地加了滚轴4和弹簧6，滚轴可以减小传力块与受力块之间的摩擦，而弹簧可以给受力块一个向上的反弹力，使得受力块可以顺利恢复到原位置。驱动负载碳纤维产生热量。工作原理如图4所示。由上述结果可以看出，通过使用新的机械结构使得P''''=100P，即作用在压电发电装置上的压力扩大了10倍，而发电功率就扩大了100倍。发电量大大提高。把压电式发电装置应用到发热保暖鞋中是绝对可行的，并且前景非常广阔。同时，在保暖鞋中使用发热薄膜等现代高科技材料作为发热介质使保暖鞋能够达到更好的效果。

2保暖鞋设计

为了保证较长时间的保暖效果以及充分利用人体产生的能量，我们设计一款自动发热保暖鞋。该保暖鞋采用压电式发电装置为动力，保暖鞋的发热材料采用碳纤维材料，安装在鞋垫下方以及斜面上。发电装置的直流电将直接供给碳纤维使用。这样，既可以保证保暖鞋较长时间的保暖，又可以满足人体舒适的需求。

3结束语

本文通过对压电发电鞋发电原理的研究分析，即走路时通过对鞋底的压力，使鞋子底部的压电片产生微小变形而输出电荷，产生电能。并将电能直接通过碳纤维材料转变为热能，达到生热保温的效果。通过设计了一种新型的机械结构，使得发电量大大提高。且不影响鞋子的美观。压电发电保温鞋的出现适应了低碳需求，它安全无污染，对环境友好，是对清洁能源的一种利用，具有广阔的发展前景。

作者：文婷宁铎孙博陈国庆单位：陕西科技大学电气与信息工程学院 陕西龙门钢铁集团