壓電發(fā)電的生熱保溫鞋設(shè)計范文

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《電子器件雜志》2014年第三期

1壓電發(fā)電裝置的設(shè)計

經(jīng)過實驗發(fā)現(xiàn)，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65kg的人為例，走路時腳底對地的作用力最大可達(dá)到1820N，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(lián)的壓電疊堆能夠輸出較大的電流，對較小的負(fù)載電阻能夠輸出較大的功率。厚度伸縮模式如圖1所示。

1．1壓電振子發(fā)電特性研究:壓電發(fā)電的理論的基礎(chǔ)是壓電方程，因為我們現(xiàn)在研究的是壓電發(fā)電鞋，其負(fù)載為碳纖維，內(nèi)阻比較大，所以相當(dāng)于研究在開路狀態(tài)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(jìn)行分析。d33模式下的第3類壓電方程。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(lián)，如圖2所示。

1．2發(fā)電裝置機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計由上述式子可以看出，當(dāng)壓電發(fā)電片從壓電式發(fā)電產(chǎn)生能量的計算可以看出:輸出功率對耦合系數(shù)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(chǎn)生的功率理論值與力的大小(即人體的重力)成二次關(guān)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(fā)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(shù)難點，本設(shè)計采用如下裝置進(jìn)行力的放大，以提高壓電效率。如圖3所示。設(shè)計了如圖3所示的壓電發(fā)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(nèi)的兩端，并分別與槽形盒1的內(nèi)側(cè)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(nèi)側(cè)，傳力塊3的底面與箱體1的內(nèi)側(cè)面有很小的間隙，兩個傳力塊3的斜面與槽形盒1內(nèi)部形成V型槽，受力體2左右兩個側(cè)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(dāng)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(chǎn)生電能，因為所有材料都是剛性結(jié)構(gòu)，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(fù)到原位置。驅(qū)動負(fù)載碳纖維產(chǎn)生熱量。工作原理如圖4所示。由上述結(jié)果可以看出，通過使用新的機(jī)械結(jié)構(gòu)使得P''''=100P，即作用在壓電發(fā)電裝置上的壓力擴(kuò)大了10倍，而發(fā)電功率就擴(kuò)大了100倍。發(fā)電量大大提高。把壓電式發(fā)電裝置應(yīng)用到發(fā)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(fā)熱薄膜等現(xiàn)代高科技材料作為發(fā)熱介質(zhì)使保暖鞋能夠達(dá)到更好的效果。

2保暖鞋設(shè)計

為了保證較長時間的保暖效果以及充分利用人體產(chǎn)生的能量，我們設(shè)計一款自動發(fā)熱保暖鞋。該保暖鞋采用壓電式發(fā)電裝置為動力，保暖鞋的發(fā)熱材料采用碳纖維材料，安裝在鞋墊下方以及斜面上。發(fā)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。

3結(jié)束語

本文通過對壓電發(fā)電鞋發(fā)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(chǎn)生微小變形而輸出電荷，產(chǎn)生電能。并將電能直接通過碳纖維材料轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮埽_(dá)到生熱保溫的效果。通過設(shè)計了一種新型的機(jī)械結(jié)構(gòu)，使得發(fā)電量大大提高。且不影響鞋子的美觀。壓電發(fā)電保溫鞋的出現(xiàn)適應(yīng)了低碳需求，它安全無污染，對環(huán)境友好，是對清潔能源的一種利用，具有廣闊的發(fā)展前景。

作者：文婷寧鐸孫博陳國慶單位：陜西科技大學(xué)電氣與信息工程學(xué)院 陜西龍門鋼鐵集團(tuán)