鞋底發電與充電電路的設計

本文系西華師范大學2018年省級創新創業訓練計劃項目“壓力發電可充電的新型保溫鞋設計”的階段性成果。項目編號：201810638073，項目負責人：林立瓊，項目學校：西華師范大學。

摘要：近些年來隨著社會經濟的快速發展，傳統的以煤炭、石油等為主的化石燃料由于對環境的污染比較大，加之全球儲量有限，很多國家和地區正面臨著能源短缺的問題，因此尋找新的可替代的清潔能源成為當務之急。為了解決這個問題，科學家們提出了各種奇思妙想，利用人體運動發電就是其中之一，比如腳踩到地面時產生的壓力能等。這些無處不在的能量一旦被利用起來，可以很方便地為我們隨身攜帶的手機、筆記本電腦等進行充電，壓電陶瓷鞋就是基于這種理念而誕生的。

關鍵詞：鞋底發電;電路設計;壓電陶瓷鞋

中圖分類號：TM619;TM282文獻標識碼：A文章編號：1672-9129（2020）07-0034-01

Abstract：In recent years， with the rapid development of social economy， traditional fossil fuels such as coal and oil， due to environmental pollution is relatively large， coupled with limited global reserves， many countries and regions are facing the problem of energy shortage， so looking for new alternative clean energy has become a top priority. To solve this problem， scientists have come up with a variety of ideas， such as using human motion to generate electricity， such as the pressure generated when the foot hits the ground. The shoes are based on the idea that this ubiquitous energy， once harnessed， can easily charge our mobile phones， laptops and the like.

Key words：sole power generation;Circuit design;Piezoelectric ceramic shoes

引言：一直以來人類習慣了向大自然索取所需的物質，比如各種能源。但是隨著能源污染問題的日益凸顯，以及能源危機的加劇，越來越多的科學家將目光轉向了人類自身，試圖打開人類向自身索取能量的大門。人體在運動的過程中會向周圍環境釋放振動能，將這種振動能及時轉化為電能并儲存起來，鞋底發電基本就是這樣一個過程。

1鞋底發電基本原理

鞋底發電并不是一個新鮮話題，在壓電陶瓷鞋誕生之前還有人曾利用電磁感應原理，通過給鞋子裝置感應線圈，用電磁感應來產生電能。雖然這種發電鞋技術相對簡單，制作成本也相對低廉，但由于在鞋子內部裝置感應線圈很大程度上會增加鞋子自身的重量，影響正常的使用效果，因此這種電磁感應原理的發電鞋在實際中并沒有得到廣泛的應用和推廣。在此之后，有人發明了壓電陶瓷鞋。

壓電陶瓷鞋是通過夾在鞋底夾層中的壓電陶瓷片，借助人在走路時足部對鞋底產生的壓力，利用正壓電效應使這種壓力借由壓電陶瓷片將壓力能轉化為電能并儲存起來的。雖然壓力陶瓷片產生的電能相當微弱，而且不是直流電，一般要先將這種變化不定的電流轉為直流電儲存到電容器中，當滿足一定條件后再轉存到蓄電池中[1]。

和利用電磁感應原理發電相比，采用壓電陶瓷原理進行發電的壓電陶瓷鞋因為只在鞋子底部增加了一塊壓電陶瓷片，所以自身的重量比前者要輕得多，對人的正常使用體驗并未產生太大的影響。不過由于壓電陶瓷鞋轉化產生的電能微弱，發電能力極為有限，為了解決這個問題，又有人發明了多壓電片串并聯這種方式來獲取更多的電流和所需的電壓。

2壓電陶瓷鞋的基本結構

壓電陶瓷鞋的發電部位主要由五個部分構成，它們依次為壓電陶瓷發電裝置、整流電路和超級電容，以及穩壓充電電路、微型電池、需要用電的設備。

2.1壓電陶瓷發電裝置。壓電振子是壓電陶瓷發電裝置最核心的部分，主要由陶瓷材料構成。由于一般的陶瓷材料往往比較脆，容易折斷，因此不能直接作為壓電振子來使用。業界常見的做法是將壓電陶瓷材料和某種彈性較好的金屬材料粘合起來使用，這樣既保證了壓電振子的正常效能，又確保它不會輕易出現問題[2]。

我們都知道，具有壓電效應的晶體才能被稱為壓電晶體。當壓電晶體的某些方向被施加了外力，在外力作用下晶體發生形變，這時其相對的兩個表面會聚集大量的正、負電荷，從而產生電壓、形成電流，這也是壓電陶瓷晶片可以發電的原因所在。由壓電陶瓷晶片構成的壓電振子在鞋底受到足部的壓力后，表面會形成電荷。這時的壓電振子就相當于一個電容，當位于其正負兩極的電荷達到一定量時它就可以儲存一定的能量。

2.2整流電路。壓電振子在外界力量交變、有規律的沖擊作用下，其電流、電壓都可能會呈現出交流電的特點。但是要給微型電池充電通常需要的是有穩定電壓的直流電，為了能直接給微型電池提供穩定的電流，這時就需要借助整流電路來解決這個問題，盡可能提高輸出電壓。

2.3超級電容電路和穩壓充電電路。超級電容電路指的是將壓電振子所產生的電能進一步用超級電容進行存儲的電路。由于壓電振子所產生的電壓和電流都不夠穩定，與此同時微型電池要充電所需的又恰好是恒壓恒流，這時就需要借助穩壓充電電路來把壓電陶瓷發電裝置產生的非穩定的電流、電壓轉化為穩定的電流、電壓。

經過以上幾個步驟，從壓電陶瓷鞋產生的電能就可以直接供我們使用了。用戶只需要將數據線連接到微型電池上，就可以直接給手機、筆記本電腦等完成充電。

3壓電陶瓷鞋的基本優勢

壓電陶瓷片雖然能夠將機械能轉化為電能，但在其受到外力作用的時候，其電極極化的強度隨著外力作用的大小變化比較大，兩極所吸附的自由電荷量也會隨之發生改變。為了達到電流穩定的效果，提高壓電陶瓷鞋的發電效率，可以從選用比較大的耦合系數壓電材料、盡可能減小壓電材料介電常數，以及提高走路時足部對壓電陶瓷晶片區域應力作用等途徑去考慮。

盡管按照理論計算，壓電陶瓷鞋的發電率和能量傳輸效果并不如人們期望的那么高，但應當考慮到影響這兩點的主要因素還在于理論模型與實際情況有出入。現實生活中，壓電陶瓷鞋輸出的電流雖然很小但可以累積，最終的累積效果還是相對可觀的，對解決人們的燃眉之急足以夠用。

除此之外，將這種小型的發電裝置置于鞋底，既節省了空間也充分發揮了物盡其用的特點。而且，這樣的發電方式無污染、可持續輸出、循環利用，堪稱是成本極低的一種清潔能源。

4結語

壓電陶瓷鞋技術不失為當前開發新能源的一種嘗試，滿足了人們當下追求低碳生活的基本需求，相信在未來會有廣闊的應用前景。

參考文獻：

[1]豆高雅.基于壓電陶瓷的環境振動驅動微型壓電發電裝置設計[J].陶瓷，2019.

[2]蔡明遠，陳昌龍，谷睿.論述壓電陶瓷發電技術在野外探險鞋的發電原理以及功能[J].環球市場信息導報，2018（30）：183-183.

作者簡介：林立瓊，2000年7月19，女，漢，籍貫：四川省儀隴縣，學生，本科。