微型發電機與壓電陶瓷發電特性小應用

鄧 豪 盧 景 楊 麗

西南科技大學信息工程學院

隨著經濟發展以及社會信息化的加快，人們在生活水平提高的同時，因鋪張浪費等陋習，使得能源消耗日益增長，對自然環境負面影響日趨嚴重。目前，各類資源被不同程度透支，且土壤、空氣、水等自然環境也受到了不同程度的污染，節能減排問題已經成為全世界都高度重視的問題。目前，世界范圍內圍繞節能減排的研究課題頗多，如風能、地熱能、光能，以及風能-電能互補式等新能源開發模式。

基于減少環境污染，開發新能源，達到節能減排的目的。本文介紹了一款可利用人行走時對鞋底的壓力而發電的復合式發電鞋。該設計成本較低，實現技術相對較為容易，能量轉換效率相對較高，能源產生過程對環境無害，符合節能減排理念。

整體框架設計

整體的系統結構框圖如圖1 所示。整個發電鞋由鋰電池發電組、蓄電設備、用電組三部分組成。其中直流發電機與壓電陶瓷將人體行走對鞋底的壓力形變轉化為電能，為外圍用電設備組供電及鋰電池蓄電；發電組產生的電能經過整流、濾波、穩壓等一系列方式處理之后，送入鋰電池存儲及外圍設備使用；對于產生電能，主要用于方便使用對象生活，且擴展性較強。該發電鞋功能多樣化，使用安全，具有很強推廣應用性。

硬件模塊

根據人體生理結構，人體行走鞋底受力示意圖如圖2所示，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，使用微型發電機組輔以壓電瓷片進行發電，本發電機組設計有兩個可同時發電的微型發電機，通過減速齒輪箱將鞋后跟的微小形變放大，增大電機轉動圈數，并采用較強的彈簧再次驅動電機轉動，實現雙次發電。發電鞋根據人腳生理結構，合理化設計鞋子的結構，達到了高效率的發電效果。發電鞋設計概念圖如圖3 所示。

圖1 系統結構框圖

電氣設計

本發電鞋利用兩個微型直流發電機和壓電瓷片進行復合發電。對于發電機及壓電瓷片產生的不穩定電壓，首先經過整流、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。此外，本發電鞋電路還設計有電量顯示功能，為用戶使用提供方便。

結語

當今社會，環境問題、能源問題成為了人類文明發展的關鍵點。基于減少環境污染，開發新能源，達到節能減排的目的，本項目組設計的可利用人行走時對鞋底的壓力而發電的復合式發電鞋，實驗證明，該發電鞋能量轉換效率高，能源產生過程對環境無害，符合節能減排理念。并設計有過電保護及電量顯示功能，充分人性化。且其電能應用方向廣泛，應用性較強。

圖2 人體行走鞋底受力示意圖

圖3 發電鞋設計概念圖