基于壓電材料的發(fā)電保溫鞋

周書艷，李保森，肖愛民

(新疆大學(xué) 紡織與服裝學(xué)院，新疆 烏魯木齊 830046)

隨著社會的快速發(fā)展，智能可穿戴產(chǎn)品在生活中逐漸普及，這些智能服飾產(chǎn)品的電能供應(yīng)不持續(xù)是限制其快速有效普及的瓶頸之一。智能可穿戴產(chǎn)品的常用供電方式為鋰電池供電，聚合物鋰電池容量有限，電能不能持續(xù)輸出。此外，聚合物鋰電池隨著容量的增加，體積和質(zhì)量會逐漸增大，加大了智能可穿戴產(chǎn)品的設(shè)計難度。因此，智能可穿戴產(chǎn)品的電能供給需要另辟蹊徑，設(shè)計新的方案。目前在很多領(lǐng)域發(fā)現(xiàn)了多種能量轉(zhuǎn)換的辦法，如水電、風(fēng)電、潮汐能發(fā)電以及光伏新能源等方式[1]。隨著越來越多換能器產(chǎn)品的出現(xiàn)，能源轉(zhuǎn)換方式逐漸增多。生活中，人體運動會產(chǎn)生大量的機械能，若實現(xiàn)利用換能器將人體運動的機械能轉(zhuǎn)化為電能的方案，便可增加智能可穿戴產(chǎn)品的續(xù)航能力。

在眾多能量轉(zhuǎn)換方案中，對壓電材料壓電效應(yīng)[1]的研究越來越成熟。由此結(jié)合智能服飾的概念提出一種利用壓電材料將人體運動產(chǎn)生的不便收集的機械能轉(zhuǎn)換為便于儲存利用的電能、熱能等能量的方案。人體運動的機械能通過壓電材料轉(zhuǎn)換而獲得的電能不僅清潔無污染，且較為安全，可廣泛應(yīng)用在生活中[2]。國內(nèi)外對壓電材料在壓電鞋中的設(shè)計已有許多設(shè)計和專利創(chuàng)新。如吳楠等[3]設(shè)計一種基于壓電效應(yīng)的壓力發(fā)電鞋，其重點是對雙晶壓電片的應(yīng)用研究；樊康旗等[4]通過從人體行走中收集能量來研究換能器；文婷等[5]提出一種如何提高壓電片受力的結(jié)構(gòu)等。前人的研究設(shè)計多采用壓電陶瓷(Piezoelectric Ceramic，簡稱PZT)或聚偏氟乙烯(Polyvinylidene Fluoride，簡稱PVDF)壓電膜等單一壓電材料，將其放置在懸臂梁結(jié)構(gòu)中實現(xiàn)腳部壓力沖擊[6]壓電片來達到能量轉(zhuǎn)換的目的。這種保溫鞋的設(shè)計與更早的電磁式發(fā)電鞋[7]相比具有質(zhì)量輕、機械結(jié)構(gòu)簡單等優(yōu)點，但放置懸臂梁結(jié)構(gòu)的發(fā)電鞋鞋底空間受限，不能放置過多的壓電片，也有發(fā)電量低、電能收集困難等問題。同時，懸臂梁結(jié)構(gòu)易受到由于過多腳部壓力沖擊而出現(xiàn)的磨損，故障率較高。

本文針對如何提高壓電保溫鞋發(fā)電量，優(yōu)化電能收集電路，增加保溫鞋溫度便捷可調(diào)節(jié)功能的研究方向，提出一種以PZT和PVDF為壓電材料設(shè)計的“拱形”復(fù)合壓電結(jié)構(gòu)，以LTC3588-1芯片電路為儲能電路的發(fā)電保溫鞋。這種設(shè)計方案有效將人體運動時難以利用的機械能轉(zhuǎn)換為清潔電能和熱能，為人體腳部供暖保溫，也使智能服飾發(fā)展所需電能的自備成為可能。

1 壓電發(fā)電保溫鞋原理

壓電效應(yīng)是壓電片發(fā)電的核心。沿著壓電材料某個方向施加應(yīng)力時，材料會發(fā)生形變，此時對應(yīng)的受力面改變了電中和狀態(tài)，分別在兩面產(chǎn)生等量的正負電荷，這是正壓電效應(yīng)。反之，逆壓電效應(yīng)是對壓電材料極化方向施加電場時，壓電材料會在一定方向上產(chǎn)生機械形變或者對應(yīng)的機械壓力，撤掉電場時，此形變或壓力也隨之消失。壓電效應(yīng)是存在于持續(xù)不斷外力場中，壓電材料受到外力作用時，可對外輸出電荷，實現(xiàn)能量轉(zhuǎn)換，當(dāng)外界變化的力消失，電荷輸出也隨之消失。因此，保持壓電材料持續(xù)受到變化的外力作用是電荷持續(xù)輸出的必要條件。

本文的發(fā)電保溫鞋利用壓電材料的正壓電效應(yīng)原理設(shè)計。壓電保溫鞋將設(shè)計的“拱形”壓電結(jié)構(gòu)做成發(fā)電裝置嵌入鞋底，通過人體運動時腳部對鞋底壓電裝置的不斷施壓和放壓，使其不斷產(chǎn)生形變而持續(xù)輸出電能。輸出的電能通過LTC3588-1芯片收集電路儲存到柔性電池中。壓電保溫鞋以柔性電池為儲能和供能媒介，用于壓電能電量存儲和對控溫電路供電?？販仉娐房刂铺祭w維發(fā)熱絲的通斷，達到腳部供熱和保溫效果。鞋內(nèi)溫度可在20～45 ℃范圍內(nèi)通過手機端藍牙APP自由調(diào)節(jié)。

2 壓電發(fā)電裝置分析與設(shè)計

2.1 壓電片發(fā)電模型建立

壓電片為非線性元器件，設(shè)計中需考慮其輸出特性對電能收集的影響[8]。針對電路輸出問題，電學(xué)上采用電源串聯(lián)增壓或電源并聯(lián)增流的方式以達到輸出要求。經(jīng)實驗測量，通過走路方式腳底產(chǎn)生的壓力使壓電裝置最高可輸出開路電壓20 V，短路電流為160 mA。壓電裝置的輸出電壓能滿足輸出要求，為使在同樣激勵情況下獲取更多電能，可通過提高輸出電流的方法實現(xiàn)。因此本文采用多壓電片并聯(lián)的方式提高電流輸出，達到相同激勵下收集到更多電能的目的。

發(fā)電裝置主要是靠PZT和PVDF的復(fù)合壓電片利用壓電效應(yīng)實現(xiàn)機械能轉(zhuǎn)換為電能。假設(shè)在垂直壓電材料正面的方向上施加壓力時，上、下兩面分別帶正、負電荷，則當(dāng)在垂直壓電材料正面的方向上施加拉力時，上、下兩面分別帶負、正電荷，因此壓電材料在一定振動頻率下極化面兩端的正負電荷是隨之交替的。這里建立壓電片的等效模型，便于對后續(xù)電路設(shè)計阻抗的計算。以電路電源模型為基礎(chǔ)，把受外力時的壓電片等效為交流電流源i(t)和內(nèi)在電極電容的并聯(lián)電路。根據(jù)戴維寧定理[9]計算出等效電路阻抗，見式(1)。

(1)

根據(jù)式(1)推出電路輸出電壓V0見式(2)。

(2)

由V0和負載R推出等效電流源輸出功率P見式(3)。

(3)

式中：V0為等效電路負載端電壓，V；Z為電路阻抗，Ω；w為等效電流源角頻率，弧度/s；Ip輸出電流，A；Cp為內(nèi)在電極電容，F(xiàn)；R為負載，Ω；P為等效電流源輸出功率，W。

2.2 輸出電能傳輸效率分析

因壓電效應(yīng)產(chǎn)生的電荷是瞬態(tài)電荷，會隨作用力的消失而消滅，所以負載電容大小對壓電片產(chǎn)生瞬態(tài)電荷的收集是電能輸出的重要影響因素。假設(shè)壓電片的等效電容以C0表示，負載電容以C1表示，產(chǎn)生的電荷在二者之間進行電荷分配，根據(jù)電路原理[9]可知，傳輸結(jié)束后二者電壓是相等的。若C1=aC0，則電容C1上存儲的電能和產(chǎn)生電能的傳輸效率η由式(4)計算得出。

(4)

圖1 電能傳輸效率Fig.1 Power transmission efficiency

2.3 壓電片發(fā)電量計算

根據(jù)壓電效應(yīng)發(fā)電的原理，假設(shè)壓電片沿坐標(biāo)軸Y軸方向極化，保溫鞋壓電片受力示意圖見圖2，由圖示出壓電片受力方式和電能輸出方向。

圖2 保溫鞋壓電片受力示意圖Fig.2 Stress diagram of piezoelectric plate of thermal insulation shoe

模擬人體行走時腳沿Y軸方向?qū)弘娖┘油饬。在外力作用下，發(fā)電片產(chǎn)生的電荷量Q和電壓U由式(5)(6)計算得出。壓電片等效電容的儲能最大值由式(7)(8)計算得出。

Q=d33FS

(5)

(6)

(7)

(8)

式中：Q為電荷量，C；U為壓電片輸出電壓，V；C0為壓電片等效電容，F(xiàn)；d33為壓電片的壓電常數(shù)；F為壓電片表面受到的應(yīng)力，N；S為壓電片受力面積，m2；d為壓電片的厚度,m；ε0為壓電片真空介電常數(shù)；εr為壓電片相對介電常數(shù)；E為壓電片輸出的電能，J。

2.4 壓電片放置結(jié)構(gòu)設(shè)計

由式(8)中變量關(guān)系推導(dǎo)出：電能的多少與壓電片受力面積和壓電片厚度成正比，與壓電片的壓電常數(shù)的平方成正比，與相對介電常數(shù)和真空介電常數(shù)成反比。因此排除不可控因素，宜采用柔韌性好，相對介電常數(shù)盡可能小和壓電常數(shù)盡可能大的壓電材料，結(jié)合查閱的資料和文獻[10]，PVDF和PZT組合使用既滿足柔韌性好、穩(wěn)定性強、抗沖擊強度高，耐腐蝕性好等條件，也滿足相對介電常數(shù)低，有較高的壓電常數(shù)值d33的特征。綜上所述，本文設(shè)計出以PZT和PVDF復(fù)合壓電材料為基礎(chǔ)的“拱形”壓電結(jié)構(gòu)。

通過理論發(fā)電量分析，壓電片的厚度和面積是影響發(fā)電量的主要幾何因素。因為壓電片放置結(jié)構(gòu)直接影響著鞋底可利用空間體積大小。前人的研究為了提高壓電片收到的作用力[5]多采用懸臂梁結(jié)構(gòu)。在產(chǎn)品設(shè)計中存在鞋底應(yīng)用空間較小、人體壓力較大等因素，使得對懸臂梁機械結(jié)構(gòu)品質(zhì)要求較高，并且懸臂梁結(jié)構(gòu)本身要占用鞋體空間較大，因此壓電片安置的大小直接受限。因此，本文設(shè)計的“拱形”結(jié)構(gòu)做到精簡機械構(gòu)造，提高鞋底空間利用率，更大效率放置多塊并聯(lián)壓電片提高發(fā)電量?！肮靶巍苯Y(jié)構(gòu)采用不銹鋼作為外骨架，用于抵抗腳部壓力，不銹鋼骨架擠壓壓電片產(chǎn)生形變，當(dāng)腳部抬起，不銹鋼骨架壓力消失，形變恢復(fù)。這個設(shè)計結(jié)構(gòu)通過時刻感應(yīng)腳部的壓力實現(xiàn)電能轉(zhuǎn)換。

本文設(shè)計的并聯(lián)型“拱形”結(jié)構(gòu)為上下對稱結(jié)構(gòu)，包括最外層為拱形不銹鋼骨架層，用于固定壓電片形變量和本身機械韌性恢復(fù)形變位移，是直接受力面。中間層是PVDF壓電膜層，最內(nèi)層為PZT壓電片層。“拱形”壓電結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 “拱形”壓電結(jié)構(gòu)Fig.3 "Arch" piezoelectric structures

2.5 保溫鞋壓電片發(fā)電功率測試

本文從理論上對發(fā)電裝置作出改進設(shè)計，并對新設(shè)計的發(fā)電保溫鞋的“拱形”壓電結(jié)構(gòu)進行發(fā)電量測試。本次發(fā)電功率測試以新設(shè)計的單片“拱形”壓電結(jié)構(gòu)為例，以1名50 kg女性的單腳壓力為外力來源，并采用以LTC3588-1芯片設(shè)計的管理電路為電能收集裝置，另外以數(shù)字多用表及示波器作為電信號監(jiān)測設(shè)備進行本次試驗。

試驗者以80步/min的速度持續(xù)不斷踩壓“拱形”壓電結(jié)構(gòu)，壓電裝置電荷輸出端通過整流電路連接LTC3588-1芯片的收集電路。儲能電容規(guī)格選用10 V、1.88 mF的法拉電容，收集電路釋放電壓閾值為5.1 V，以10 kΩ電阻為負載，以二極管作為通斷指示，通過數(shù)字多用表和示波器實時監(jiān)測收集電路的輸出端及儲能電容端的電壓U和電流I。

P=UI

(9)

W=Pt

(10)

式中：P為輸出功率，W；W為電能做的功，J；U為輸出電壓，V；I為輸出電流，A；t為電能輸出時間，s。

經(jīng)測試，儲能電容端電壓經(jīng)過約10步踩踏后電壓由0.0 V上升到5.1 V，滿足釋放電壓閾值條件后儲能電容進行電荷釋放。以80步/min的速度持續(xù)不斷踩壓“拱形”壓電結(jié)構(gòu)，使發(fā)電量滿足維持儲能電容端電壓達到5.1 V條件，管理電路終端輸出恒定電壓為3.6 V，持續(xù)輸出電流0.35 mA。

經(jīng)測試結(jié)果計算得出該“拱形”壓電結(jié)構(gòu)中單片壓電片發(fā)電輸出功率約1.26 mW。拱形壓電結(jié)構(gòu)增加壓電片層數(shù)，發(fā)電輸出功率以放置的層數(shù)呈倍數(shù)增加，用以提高發(fā)電保溫鞋的發(fā)電功率。

2.6 保溫鞋發(fā)熱與保溫測試

本文對保溫鞋的發(fā)熱量控制和保溫性能做出一系列測試試驗。以同一測試者穿1雙棉質(zhì)馬丁鞋的左右腳為對照參考，左鞋內(nèi)放置有發(fā)熱材料及控制電路，右鞋內(nèi)不放置發(fā)熱材及電路。以溫度作為測試結(jié)果進行對比，加熱材料設(shè)置溫度為40.0 ℃，2只鞋內(nèi)都采用DS18B20溫度傳感器作為溫度監(jiān)控設(shè)備。發(fā)熱效果測試結(jié)果見表1。

表1 發(fā)熱效果測試Tab.1 Heating effect test ℃

由表1示出測試時初使溫度均為24.6 ℃，隨著測試時間增加，左鞋中控溫電路控制碳纖維加熱絲加熱，溫度逐漸增高，加熱速率先增加后減小，最后在180 s左右時逐漸接近溫度設(shè)定值40 ℃。在此過程中，右鞋作為左鞋的空白參照，其溫度無明顯變化，由此得出加熱絲在保溫鞋內(nèi)加熱效果顯著，最大加熱速率達到0.14 ℃/s。

保溫效果是測試以30、35、40 ℃的3個溫度點為代表，分別測試到達設(shè)定溫度后30 min時間內(nèi)溫度保持能力。保溫效果測試結(jié)果見表2。

表2 保溫效果測試Tab.2 Insulation effect test ℃

由表2示出，環(huán)境溫度在30 min內(nèi)波動量為0.1 ℃，各溫度試驗點下，鞋內(nèi)溫度均能保持在±0.2 ℃范圍內(nèi)，證明控制電路控溫能力和鞋子整體保溫性能良好。

3 保溫設(shè)計

3.1 保溫材料

根據(jù)人體腳部特征和受溫特性，本文對多種發(fā)熱的功能性材料進行對比選擇。

本次試驗發(fā)熱材料需具備：①材料自身質(zhì)地不宜過硬，以纖維或軟質(zhì)片狀為宜。②材料發(fā)熱量充足，厚度不宜太厚，與鞋墊結(jié)合輕薄、緊密，其尺寸要求當(dāng)以腳部大小為參考；③供電參考電壓以5 V為基準(zhǔn)，保證鞋體電壓為安全電壓。④加熱材料易于控制，避免發(fā)熱量過大或不發(fā)熱。根據(jù)材料特征要求，篩選出金屬電熱絲和碳纖維加熱絲2種材料作為參考[11-12]。發(fā)熱絲材料功能對比見表3。

表3 發(fā)熱絲材料特征對比表Tab.3 Comparison table of heating wire material characteristics

由表3示出碳纖維電熱絲具有通電電壓要求低、材質(zhì)柔性好、可任意彎曲、電熱轉(zhuǎn)換效率高、耐水性好、無電磁輻射等特點，適用于孕婦、兒童等特殊人群。碳纖維電熱絲通電發(fā)熱快、熱源穩(wěn)定、可控性好。綜合考慮，選擇聚乙烯膜封裝的5 V碳纖維電熱片作為本次試驗的發(fā)熱材料。本文設(shè)計的碳纖維發(fā)熱鞋墊如圖4所示。

圖4 碳纖維發(fā)熱鞋墊Fig.4 Carbon fiber heat-generating insoles

保溫鞋的鞋墊結(jié)構(gòu)分3層，鞋墊上層為導(dǎo)熱面，直接與腳部接觸導(dǎo)熱；鞋墊中層為碳纖維聚乙烯封裝膜，用于隔絕碳纖維絲與空氣接觸，防止通電氧化，延長使用壽命；鞋墊底層為隔熱層，防止熱量向鞋底傳遞，起到保溫作用。其中聚乙烯膜封裝長度為16～23 cm,寬度為4 cm,厚度為0.5 mm。

3.2 溫度調(diào)節(jié)設(shè)計

本文發(fā)電保溫鞋的設(shè)計加入藍牙無線控溫功能，實現(xiàn)無線溫度調(diào)節(jié)，適應(yīng)于不同場合、不同人群的多種溫度要求。溫度調(diào)節(jié)主要采用無線藍牙傳輸模塊和智能手機之間的數(shù)據(jù)傳輸，通過手機軟件直觀的調(diào)節(jié)溫度。無線調(diào)節(jié)可避免鞋子上因增加按鍵和顯示器而影響鞋子的美觀，同時降低鞋中電路的復(fù)雜性，減少鞋子的電路故障率。

4 保溫鞋整體結(jié)構(gòu)設(shè)計

保溫鞋整體外型設(shè)計以女士馬丁靴鞋為基準(zhǔn)，保溫鞋外型設(shè)計圖見圖5,保溫鞋鞋底結(jié)構(gòu)見圖6。鞋面和鞋底分別采用棉質(zhì)保溫材料和橡膠材料制作而成。鞋底的橡膠材質(zhì)符合人體壓力到“拱形”壓電結(jié)構(gòu)的高效傳遞要求，其韌性也可緩沖腳與地面壓力，提高保溫鞋的舒適性。在鞋底中前腳掌和后腳跟部預(yù)留空間內(nèi)放入設(shè)計的“拱形”壓電結(jié)構(gòu)，腳拱部鞋底空間放置集成電路。

圖5 保溫鞋外型設(shè)計圖Fig.5 Exterior design drawing of thermal insulation shoes

圖6 保溫鞋鞋底結(jié)構(gòu)Fig.6 Thermal insulation shoe sole structure

5 結(jié) 論

本文通過文獻研究和試驗測試的方法，從如何提高壓電片發(fā)電量以及優(yōu)化保溫鞋舒適性2個方面對壓電材料在保溫鞋中的應(yīng)用問題進行研究。通過試驗數(shù)據(jù)得出以下3點結(jié)論：

①新設(shè)計的“拱形”壓電結(jié)構(gòu)可以在鞋底有限空間中最大限度置入壓電片，從而大大提高鞋子的發(fā)電量；②基于LTC3588-1芯片設(shè)計的電荷收集電路解決了高電壓、低電流特征的壓電能的收集和存儲問題；③發(fā)電保溫鞋采用藍牙無線調(diào)控的方式控溫，簡化控制電路的復(fù)雜性，提高對鞋子調(diào)溫的便捷性，實現(xiàn)不同場合和不同人群適宜溫度任意調(diào)節(jié)的功能。

發(fā)電保溫鞋的設(shè)計旨在解決當(dāng)前市場中保溫鞋發(fā)熱用電不可再生、溫度調(diào)節(jié)能力差以及當(dāng)前保溫鞋實用性不足的問題。新的設(shè)計符合新能源和碳中和的應(yīng)用前景，為更多的壓電發(fā)電產(chǎn)品的設(shè)計提供可能的依據(jù)。同時也為越來越多的智能穿戴等服飾產(chǎn)品的推廣提供電量研究基礎(chǔ)。