基于壓電發電的生熱保溫鞋設計

文 婷，寧 鐸*，孫 博，陳國慶

(1.陜西科技大學電氣與信息工程學院，西安710021;2.陜西龍門鋼鐵集團，陜西韓城715400)

基于壓電發電的生熱保溫鞋設計

文 婷1，寧 鐸1*，孫 博2，陳國慶1

(1.陜西科技大學電氣與信息工程學院，西安710021;2.陜西龍門鋼鐵集團，陜西韓城715400)

為了有效解決嚴寒地區特殊工作者的腳部保暖問題，現設計并制作了一種生熱保溫鞋，該保溫鞋主要利用壓電器件的壓電效應實現的，鞋面通過使用特殊材料將電能轉換為熱能;并通過設計新的機械結構，提高發電量。定量測定了其性能，其發電功率大幅度提高。結果與理論數據基本符合。實驗結果表明:該種生熱保溫鞋，結構簡單，成本低，且可行性強，可廣泛推廣。

傳感器;壓電效應;發電鞋;生熱保溫;機械結構

嚴冬季節，人們都會希望在室外時能夠與室內一樣的溫暖。而且，人的身體各個部位的耐冷程度不同。通常情況下，腳部耐冷程度較低，人們在外衣穿著很多時手腳也經常會感覺冰涼。所以，腳部取暖對人體在寒冷季節時身體保溫非常重要［1］。但是目前市面上已有的保溫鞋大部分主要采用了性能良好的保溫材料以盡量避免鞋內熱量的散失來達到保溫效果。另有許多生熱保溫鞋主要是采用電磁發電［2］達到生熱保溫的效果。這種鞋子保溫效果較好，但是其有許多缺點，例如需要有大量機械結構，配備發電機等，結構復雜，難以推廣。本課題就針對此提出了一種基于PZT材料的壓電效應壓電發電的生熱保溫鞋。

1 PZT壓電片發電原理

壓電材料具有壓電效應，其分為正壓電效應和逆壓電效應［3］。通常點說，正壓電效應可以將機械能轉變為電能;逆壓電效應是將電能轉化為機械能。壓電發電鞋正是利用其正壓電效應的。通常壓電材料的輸出為電荷信號，而壓電材料本身電阻不可能無窮大，因此，電荷會慢慢跑掉，只能在其上加變化力，電荷才能不斷的得到補充［4］。

壓電發電鞋原理就是把壓電發電裝置置入鞋底，通過走路時對鞋底的沖擊使壓電材料變形而產生電能，然后通過碳纖維材料將電能轉化為熱能，以達到生熱保溫的效果。這種發電裝置的發電功率可滿足戶外登山運動員的鞋底保暖和陸上部隊在野外軍事行動中的保暖使用需求。

但是壓電發電片得電源特性很差，高電壓、低電流、高阻抗，尤其是在低頻特性下更明顯。為使發電裝置在較小的激勵強度、較寬的頻率范圍內具有較強的發電能力，可以采用多片壓電振子發電，其聯接方式分為并聯和串聯。并聯的輸出電流大，時間常數大，適用于測量緩變信號，并且，使用于以電流作為輸出的場合;串聯接法的輸出電壓大，本身電容小，適用于以電壓作為輸出信號，且測量電路輸入阻抗很高的場合［5］。所以通過實驗發現，并聯要比串聯輸出的電流大，所以此壓電發電裝置采用并聯方式。

2 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65 kg的人為例，走路時腳底對地的作用力最大可達到1 820 N，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。

圖1 厚度伸縮壓電發電振子

2.1 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［6］為:

其中，T3為應力，D3為電位移，E3為電場強度，S3為應變，為彈性順度常數為介質隔離率，g33為電壓常數。d33模式壓電發電是利用壓縮力的，所以壓電發電方式采用厚度伸縮模式，且人走路也可認為是有規律的。假設，所給的力為有規律的正弦，即設F=Fm(1+sinωt)。則D3、T3、E3和S3與F一樣都是時間t的正弦函數，且頻率相同。

設壓電振子的厚度為h，電極面積為A，沿厚度方向受力，幅度為Fm，角頻率為ω，壓電材料對靜態力的響應為零［6］。則由壓電方程可得出輸出電壓為:

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。

圖2 壓電片等效電路圖

根據Qt=D3(t)·A，u0(t)，可以得到:

化簡得出:

則

2.2 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。

圖3 壓電發電裝置結構圖

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。

圖4 工作原理圖

2.3 實驗結果

實驗結果如表4所示。

表4 實驗結果

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。

3 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。

4 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。

［1］ 馬雪芬，施建波.基于PVDF壓電膜的保溫鞋設計［J］.科技創新導報，2009(3):44，46.

［2］ 王劍，郭吉豐，郭帥.壓電發電技術研究綜述［J］.壓電與聲光，2011，33(3):394-398.

［3］ 方科，李欣欣，楊志剛，等.壓電式能量獲取裝置的研究現狀［J］.傳感器與微系統，2006，25(10):7-9，15.

［4］ 楊曉明，李宗津.新型水泥基壓電傳感器的基本性能研究［J］.傳感技術學報，2012，25(3):349-354.

［5］ 裴先茹，高海榮.壓電材料的研究和應用現狀［J］.安徽化工，2010，36(3):4-6，10.

［6］ 張福學，王麗坤.現代壓電學［M］.北京:科學出版社，2001.

［7］ Joseph A Paradiso.Systems for Human-Powered Mobile Computing［M］.

［8］ 姚永剛，姚夢.壓電陶瓷人體能量收集系統的設計與實驗［J］.機械設計與研究，2011，27(6):34-36.

文 婷(1987- )，女，漢族，陜西韓城人，碩士研究生，研究方向為自動控制、壓電效應及其應用研究，wowenting123 @163.com;

寧 鐸(1955- )，男，漢族，陜西禮泉人，教授、碩導，研究方向為智能儀器儀表研制、太陽能聚光器應用研究，cgqbj@163.com。

The Design of Heat-Preservation Shoes Based on Piezoelectric Power Generation

WEN Ting1，NING Duo1*，SUN Bo2，CHEN Guoqing1

(1.College of Electrical and Information Engineering，Shaanxi University of Science and Technology，Xi’an 710021，China; 2.Shaanxi Longmen Iron＆Steel(Group)Co.，Ltd，Hancheng Shanxi 715400，China)

In order to solve their fect-warmed problem of special cold-suffering workers in the severe cold area effectively，now a kind of thermal insulation shoes was developed.The effects of the shoes was realized mainly by the piezoelectric effect of piezoelectric devices.And the vamps could convert electrical energy into heat energy through the use of special material.The electric energy production was increased by the new design of its mechanical structure. By the tests，generated power expands significongtly，the results conforms to the theory basically.Experimental results show that the structure of this kind of thermal insulation shoes is simple，the cost is low，and the shoes are feasible.this kind of thermal insulation shoes can be widespread used.

sensor;piezoelectric effect;generating shoes;heat insulation;mechanical structure

10.3969/j.issn.1005－9490.2014.02.025

TN384

A

1005－9490(2014)02－0283－04

2013-06-07修改日期:2013-07-07

EEACC:2860;7230