利用人體動能—基于壓電材料的內藏式充電寶設計

王江 高鵬翔 劉暢 陳運貴 劉益妮

摘 要：通過實驗設計了一套內藏式行走充電寶的系統，其工作過程大體上分為兩個部分。其一，人體在行走時會對安裝于鞋底的壓電材料產生壓力，壓電材料通過壓電振子的厚度伸縮模式將其轉化成電能。其二，通過能量收集模塊，將壓電材料產生的微弱電流進行收集，并通過電路進行輸出電壓控制，以適應不同設備的輸入電壓要求。其原理主要利用了壓電材料的多功能性，壓電材料位于鞋墊下方，其產生的電能可存儲并利用。通過充電寶將電能提供給多種電子設備，以達到節約電能進而減少干電池的使用，同時減少土地污染達到節能減排的目的。

關鍵詞：行走;壓電材料;充電寶

中圖分類號：TM919 文獻標識碼：A 文章編號：1671-2064（2019）13-0059-02

1 研制背景及意義

1.1 研發背景

隨著科技的進步與現代化的不斷發展，人們對節約能源，低碳生活的意識越來越強烈。況且石油、天然氣、煤炭等化石能源將在21世紀消耗殆盡，尋找清潔能源、用可再生能源取代化石能源成為當今社會的首要目標。而常常被人們忽略的數量巨大且不受天氣或地理位置影響的潛在能源——“人體動能”。據調查，人行走時產生的能量是巨大的，且步態曲線較為簡單。如果將行走過程中的能量利用起來，那么所產生的能量可用于諸多方面。如今，可穿戴智能設備和微電子器件開始興起，壓電材料的發展與使用愈發成熟，均為本產品的設計提供了基礎。如圖1所示。

1.2 國內外研究現狀

在國內，大體上有兩種發電方式，一種是利用電磁感應原理，還有一種是利用壓電陶瓷發電。壓電材料近年來的發展極為迅速，廣泛應用于各領域，壓電陶瓷是通過粉末燒結的方法由人工燒制而成的多晶鐵電材料。在國外，利用了現在的一種先進技術——逆向電潤濕。它是利用電壓改變疏水表面上液滴的外形，反過來利用該原理，讓微型液滴流動的能量轉化為電能。除此之外，國外還有一種病毒發電，雖然技術較為先進，但短時間內只能用于試驗階段，不能用于商業生產，而且一雙鞋子的成本也會很高?？傊?，現有發電鞋都還處于行走發熱、電暖鞋、自熱鞋自動發電保暖的階段，盡管有一些發電鞋，卻存在因發電裝置結構復雜導致的鞋子很重的問題和未能有效地解決有關存儲電的問題。如圖2所示。

1.3 研發意義

現代社會高速發展，手機使用頻率越來越高，而充電寶雖然高產，但是在野外或者長時間處于沒有電的情況下，用電設備就無法充電。因而，設計開發一種節能、環保、耐用的內藏式行走充電裝置，從而實現節約能源，減少使用干電池所帶來的環境污染問題以及滿足特殊人群在長期無電環境的充電需求。該裝置的推廣和普及，能有效地解決特殊人群在特殊環境用電的問題，也為保護環境做出了較大貢獻。

2 設計方案

2.1 方案構想

本作品的研究思路是基于現有壓電材料可以利用壓力變形產生電能的原理并充分考慮了現有裝置存在的不足，對干電池污染現狀進行調研，自主設計了一種新的解決方案。在減輕人們所使用干電池污染環境的同時，還達到了解決特殊群體的用電需求目的。

2.2 整體設計及運行流程

該裝置主要分為3部分，各部分箭頭指示說明如圖3所示。

2.3 設計時考慮的主要問題

2.3.1 壓電材料的發電性能

由于普通平面壓電片只能受到以正向為單一方向的壓力，不能產生良好的形變效果，達不到壓電效率最大化。于是我們采用弧形壓電片作為本產品的壓力發電裝置，可以將人體行走時的大部分動能轉化為電能。

2.3.2 各組件的安裝部件

在鞋底設計有與壓電片形狀大小相契合的凹槽，并且在凹槽周圍設計有附加扣槽，可以將壓電片扣于鞋底，方便取用和安裝。使用高效節能的鋰離子電池作為電能存儲的充電電池，它主要依靠鋰離子在正極和負極之間移動來工作。我們通過對人體運動時鞋子的受力變形情況進行分析，在鞋子外表面的鞋幫側面設計有充電寶收納袋，該收納袋也是由鞋面材料制作而成，具有美觀的外形和一定的實用價值。

2.3.3 鞋子清洗問題

當鞋子需要清洗時，由于采用防水線路，所以只需將壓電片取出，再打開充電寶收納袋取出鋰離子電池即可進行正常清洗。

3 理論設計計算

為驗證該產品節能減排效益，查找并計算如下：

查得：

（1）5號電池一節2元，以一畝土地收入2000元計算。（2）生產一節5號干電池耗電3.888kw·h、5號電池性能0.5A·h。（3）一噸標準煤1500元，產生CO2 2620kg，29211KJ能量。（4）一節5號干電池可污染1m3的土地，污染600噸水。（5）1度電可以減排0.997kgCO2。（6）陶瓷壓電片性能：陶瓷壓電片壓電常數為670×10-12C/N，通過萬用表測得產生電壓0～2.2v，電流0～50mA，形變3～7mm。

則產生電壓有效值為2.2/=1.56v，電流有效值為50/=35.36mA，功p=1.56*35.36*10-3=0.055kw/h。

以一雙鞋子壽命半年（180天），每天走4小時計算。則一雙鞋可替換2*180*4/14=102節5號干電池，可產生總能量2*0.055*4*180=79.2kw，可減排CO2：0.997*79.2=79kg。減小電池污染對應增收102*1/666.67*2000=306元。一雙鞋帶來總收益100（銷售利潤）+306（土地增收）+204（電池費用）=610元，如表1所示。

4 工作原理及性能分析

壓電效應的本質原理是內部某些電介質在受到外界因素的擠壓時，會沿著力的方向發生變形且產生極化。同時電壓差在其兩邊產生，如果此時去掉外力又會重新恢復不帶電狀態。相反，如果把電場施加在極化方向上，壓電材料也會變形，這就是所謂的逆壓電效應。

壓電材料則是指一些晶體在受到壓力作用時，由于晶體的對稱性較低受到外力而發生形變，晶胞中正負離子的相對位移使正負電荷中心不再重合，導致晶體發生宏觀極化，在兩端面間出現電壓的晶體材料。

壓電材料可以分為有機和無機兩種，無機又細分為兩種，一種是壓電晶體（單晶體），是指按晶體空間點陣長程有序生長而成的晶體。這種材料有水晶、鍺酸鈦、鎵酸鋰等。另一種是壓電陶瓷，壓電陶瓷一般指多晶體，它是由一系列的加工和處理制成的一種多晶體壓電材料內部所含顆粒是無規則的。如石英、鋰鎂酸鉛等。

5 創新點及應用前景

5.1 創新點

（1）整體設備采用內藏式布置不易破損，安全，耐用。（2）壓力產電存儲于微型充電寶中，外接USB接口可供手機等設備使用，充電寶可拆卸，使用方便。（3）鞋換設備不換，即鞋子壽命期滿，可將充電設備拆卸裝至下一雙鞋，繼續使用。

5.2 應用前景

該裝置迎合了我國所倡導的節能減排的主題，隨著人們環保意識的提高以及集電裝置、壓電材料等技術突飛猛進的發展，內藏式行走充電寶在野外探險等領域的應用會越來越廣，規模會越來越大，應用前景十分光明。本裝置本著節能環保和提高人們生活水平的理念，將人體動能利用起來。該裝置適用于野外勘探人員、驢友、軍隊等特殊群體。減少干電池使用所帶來的環境和土地污染、降低了人們使用干電池的概率，致力打造我們的高品質生活。

參考文獻

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