微型發(fā)電機(jī)與壓電陶瓷發(fā)電特性小應(yīng)用

鄧 豪 盧 景 楊 麗

西南科技大學(xué)信息工程學(xué)院

隨著經(jīng)濟(jì)發(fā)展以及社會(huì)信息化的加快，人們在生活水平提高的同時(shí)，因鋪張浪費(fèi)等陋習(xí)，使得能源消耗日益增長，對(duì)自然環(huán)境負(fù)面影響日趨嚴(yán)重。目前，各類資源被不同程度透支，且土壤、空氣、水等自然環(huán)境也受到了不同程度的污染，節(jié)能減排問題已經(jīng)成為全世界都高度重視的問題。目前，世界范圍內(nèi)圍繞節(jié)能減排的研究課題頗多，如風(fēng)能、地?zé)崮?、光能，以及風(fēng)能-電能互補(bǔ)式等新能源開發(fā)模式。

基于減少環(huán)境污染，開發(fā)新能源，達(dá)到節(jié)能減排的目的。本文介紹了一款可利用人行走時(shí)對(duì)鞋底的壓力而發(fā)電的復(fù)合式發(fā)電鞋。該設(shè)計(jì)成本較低，實(shí)現(xiàn)技術(shù)相對(duì)較為容易，能量轉(zhuǎn)換效率相對(duì)較高，能源產(chǎn)生過程對(duì)環(huán)境無害，符合節(jié)能減排理念。

整體框架設(shè)計(jì)

整體的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖1 所示。整個(gè)發(fā)電鞋由鋰電池發(fā)電組、蓄電設(shè)備、用電組三部分組成。其中直流發(fā)電機(jī)與壓電陶瓷將人體行走對(duì)鞋底的壓力形變轉(zhuǎn)化為電能，為外圍用電設(shè)備組供電及鋰電池蓄電；發(fā)電組產(chǎn)生的電能經(jīng)過整流、濾波、穩(wěn)壓等一系列方式處理之后，送入鋰電池存儲(chǔ)及外圍設(shè)備使用；對(duì)于產(chǎn)生電能，主要用于方便使用對(duì)象生活，且擴(kuò)展性較強(qiáng)。該發(fā)電鞋功能多樣化，使用安全，具有很強(qiáng)推廣應(yīng)用性。

硬件模塊

根據(jù)人體生理結(jié)構(gòu)，人體行走鞋底受力示意圖如圖2所示，鞋子前部分（對(duì)應(yīng)腳掌位置）受力較大，但可用形變空間小，所以布以多塊壓電瓷片進(jìn)行組合發(fā)電；鞋子中部（對(duì)應(yīng)腳弓位置）一般情況下形變小，用于放置蓄電池；鞋子后部分（對(duì)應(yīng)腳根位置）受力較大，且上下可活動(dòng)空間較大，使用微型發(fā)電機(jī)組輔以壓電瓷片進(jìn)行發(fā)電，本發(fā)電機(jī)組設(shè)計(jì)有兩個(gè)可同時(shí)發(fā)電的微型發(fā)電機(jī)，通過減速齒輪箱將鞋后跟的微小形變放大，增大電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)圈數(shù)，并采用較強(qiáng)的彈簧再次驅(qū)動(dòng)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)雙次發(fā)電。發(fā)電鞋根據(jù)人腳生理結(jié)構(gòu)，合理化設(shè)計(jì)鞋子的結(jié)構(gòu)，達(dá)到了高效率的發(fā)電效果。發(fā)電鞋設(shè)計(jì)概念圖如圖3 所示。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

電氣設(shè)計(jì)

本發(fā)電鞋利用兩個(gè)微型直流發(fā)電機(jī)和壓電瓷片進(jìn)行復(fù)合發(fā)電。對(duì)于發(fā)電機(jī)及壓電瓷片產(chǎn)生的不穩(wěn)定電壓，首先經(jīng)過整流、濾波處理，由于整流濾波后的電壓較小，于是采用相應(yīng)的升壓電路使電壓升高并穩(wěn)定為可供鋰電池充電使用的4.2V 標(biāo)準(zhǔn)電壓，并在電路中采用標(biāo)準(zhǔn)鋰電池過充、過放及外電路短路過流的過電保護(hù)電路，保證鋰電池使用安全。用電時(shí)，照明LED 和電熱等用電部分的供電從有保護(hù)電路的鋰電池引出，外接USB 接口用電時(shí)，先采用升壓電路將鋰電池輸出電壓升至5V 電壓，再供外電路使用。此外，本發(fā)電鞋電路還設(shè)計(jì)有電量顯示功能，為用戶使用提供方便。

結(jié)語

當(dāng)今社會(huì)，環(huán)境問題、能源問題成為了人類文明發(fā)展的關(guān)鍵點(diǎn)?；跍p少環(huán)境污染，開發(fā)新能源，達(dá)到節(jié)能減排的目的，本項(xiàng)目組設(shè)計(jì)的可利用人行走時(shí)對(duì)鞋底的壓力而發(fā)電的復(fù)合式發(fā)電鞋，實(shí)驗(yàn)證明，該發(fā)電鞋能量轉(zhuǎn)換效率高，能源產(chǎn)生過程對(duì)環(huán)境無害，符合節(jié)能減排理念。并設(shè)計(jì)有過電保護(hù)及電量顯示功能，充分人性化。且其電能應(yīng)用方向廣泛，應(yīng)用性較強(qiáng)。

圖2 人體行走鞋底受力示意圖

圖3 發(fā)電鞋設(shè)計(jì)概念圖