利用人體動能—基于壓電材料的內(nèi)藏式充電寶設(shè)計

王江 高鵬翔 劉暢 陳運貴 劉益妮

摘 要：通過實驗設(shè)計了一套內(nèi)藏式行走充電寶的系統(tǒng)，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(chǎn)生壓力，壓電材料通過壓電振子的厚度伸縮模式將其轉(zhuǎn)化成電能。其二，通過能量收集模塊，將壓電材料產(chǎn)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(yīng)不同設(shè)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(chǎn)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(shè)備，以達到節(jié)約電能進而減少干電池的使用，同時減少土地污染達到節(jié)能減排的目的。

關(guān)鍵詞：行走;壓電材料;充電寶

中圖分類號：TM919 文獻標(biāo)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(fā)背景

隨著科技的進步與現(xiàn)代化的不斷發(fā)展，人們對節(jié)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(jì)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(dāng)今社會的首要目標(biāo)。而常常被人們忽略的數(shù)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(jù)調(diào)查，人行走時產(chǎn)生的能量是巨大的，且步態(tài)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(chǎn)生的能量可用于諸多方面。如今，可穿戴智能設(shè)備和微電子器件開始興起，壓電材料的發(fā)展與使用愈發(fā)成熟，均為本產(chǎn)品的設(shè)計提供了基礎(chǔ)。如圖1所示。

1.2 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀

在國內(nèi)，大體上有兩種發(fā)電方式，一種是利用電磁感應(yīng)原理，還有一種是利用壓電陶瓷發(fā)電。壓電材料近年來的發(fā)展極為迅速，廣泛應(yīng)用于各領(lǐng)域，壓電陶瓷是通過粉末燒結(jié)的方法由人工燒制而成的多晶鐵電材料。在國外，利用了現(xiàn)在的一種先進技術(shù)——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(zhuǎn)化為電能。除此之外，國外還有一種病毒發(fā)電，雖然技術(shù)較為先進，但短時間內(nèi)只能用于試驗階段，不能用于商業(yè)生產(chǎn)，而且一雙鞋子的成本也會很高?？傊F(xiàn)有發(fā)電鞋都還處于行走發(fā)熱、電暖鞋、自熱鞋自動發(fā)電保暖的階段，盡管有一些發(fā)電鞋，卻存在因發(fā)電裝置結(jié)構(gòu)復(fù)雜導(dǎo)致的鞋子很重的問題和未能有效地解決有關(guān)存儲電的問題。如圖2所示。

1.3 研發(fā)意義

現(xiàn)代社會高速發(fā)展，手機使用頻率越來越高，而充電寶雖然高產(chǎn)，但是在野外或者長時間處于沒有電的情況下，用電設(shè)備就無法充電。因而，設(shè)計開發(fā)一種節(jié)能、環(huán)保、耐用的內(nèi)藏式行走充電裝置，從而實現(xiàn)節(jié)約能源，減少使用干電池所帶來的環(huán)境污染問題以及滿足特殊人群在長期無電環(huán)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(huán)境用電的問題，也為保護環(huán)境做出了較大貢獻。

2 設(shè)計方案

2.1 方案構(gòu)想

本作品的研究思路是基于現(xiàn)有壓電材料可以利用壓力變形產(chǎn)生電能的原理并充分考慮了現(xiàn)有裝置存在的不足，對干電池污染現(xiàn)狀進行調(diào)研，自主設(shè)計了一種新的解決方案。在減輕人們所使用干電池污染環(huán)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(shè)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(shè)計時考慮的主要問題

2.3.1 壓電材料的發(fā)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(chǎn)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(chǎn)品的壓力發(fā)電裝置，可以將人體行走時的大部分動能轉(zhuǎn)化為電能。

2.3.2 各組件的安裝部件

在鞋底設(shè)計有與壓電片形狀大小相契合的凹槽，并且在凹槽周圍設(shè)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(jié)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(cè)面設(shè)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(dāng)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(shè)計計算

為驗證該產(chǎn)品節(jié)能減排效益，查找并計算如下：

查得：

（1）5號電池一節(jié)2元，以一畝土地收入2000元計算。（2）生產(chǎn)一節(jié)5號干電池耗電3.888kw·h、5號電池性能0.5A·h。（3）一噸標(biāo)準(zhǔn)煤1500元，產(chǎn)生CO2 2620kg，29211KJ能量。（4）一節(jié)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(shù)為670×10-12C/N，通過萬用表測得產(chǎn)生電壓0～2.2v，電流0～50mA，形變3～7mm。

則產(chǎn)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(jié)5號干電池，可產(chǎn)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(yīng)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(yīng)的本質(zhì)原理是內(nèi)部某些電介質(zhì)在受到外界因素的擠壓時，會沿著力的方向發(fā)生變形且產(chǎn)生極化。同時電壓差在其兩邊產(chǎn)生，如果此時去掉外力又會重新恢復(fù)不帶電狀態(tài)。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(yīng)。

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(fā)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(dǎo)致晶體發(fā)生宏觀極化，在兩端面間出現(xiàn)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(nèi)部所含顆粒是無規(guī)則的。如石英、鋰鎂酸鉛等。

5 創(chuàng)新點及應(yīng)用前景

5.1 創(chuàng)新點

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

5.2 應(yīng)用前景

該裝置迎合了我國所倡導(dǎo)的節(jié)能減排的主題，隨著人們環(huán)保意識的提高以及集電裝置、壓電材料等技術(shù)突飛猛進的發(fā)展，內(nèi)藏式行走充電寶在野外探險等領(lǐng)域的應(yīng)用會越來越廣，規(guī)模會越來越大，應(yīng)用前景十分光明。本裝置本著節(jié)能環(huán)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(huán)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(zhì)生活。

參考文獻

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