微型发电机与压电陶瓷发电特性小应用

邓 豪 卢 景 杨 丽

西南科技大学信息工程学院

随着经济发展以及社会信息化的加快，人们在生活水平提高的同时，因铺张浪费等陋习，使得能源消耗日益增长，对自然环境负面影响日趋严重。目前，各类资源被不同程度透支，且土壤、空气、水等自然环境也受到了不同程度的污染，节能减排问题已经成为全世界都高度重视的问题。目前，世界范围内围绕节能减排的研究课题颇多，如风能、地热能、光能，以及风能-电能互补式等新能源开发模式。

基于减少环境污染，开发新能源，达到节能减排的目的。本文介绍了一款可利用人行走时对鞋底的压力而发电的复合式发电鞋。该设计成本较低，实现技术相对较为容易，能量转换效率相对较高，能源产生过程对环境无害，符合节能减排理念。

整体框架设计

整体的系统结构框图如图1 所示。整个发电鞋由锂电池发电组、蓄电设备、用电组三部分组成。其中直流发电机与压电陶瓷将人体行走对鞋底的压力形变转化为电能，为外围用电设备组供电及锂电池蓄电；发电组产生的电能经过整流、滤波、稳压等一系列方式处理之后，送入锂电池存储及外围设备使用；对于产生电能，主要用于方便使用对象生活，且扩展性较强。该发电鞋功能多样化，使用安全，具有很强推广应用性。

硬件模块

根据人体生理结构，人体行走鞋底受力示意图如图2所示，鞋子前部分（对应脚掌位置）受力较大，但可用形变空间小，所以布以多块压电瓷片进行组合发电；鞋子中部（对应脚弓位置）一般情况下形变小，用于放置蓄电池；鞋子后部分（对应脚根位置）受力较大，且上下可活动空间较大，使用微型发电机组辅以压电瓷片进行发电，本发电机组设计有两个可同时发电的微型发电机，通过减速齿轮箱将鞋后跟的微小形变放大，增大电机转动圈数，并采用较强的弹簧再次驱动电机转动，实现双次发电。发电鞋根据人脚生理结构，合理化设计鞋子的结构，达到了高效率的发电效果。发电鞋设计概念图如图3 所示。

图1 系统结构框图

电气设计

本发电鞋利用两个微型直流发电机和压电瓷片进行复合发电。对于发电机及压电瓷片产生的不稳定电压，首先经过整流、滤波处理，由于整流滤波后的电压较小，于是采用相应的升压电路使电压升高并稳定为可供锂电池充电使用的4.2V 标准电压，并在电路中采用标准锂电池过充、过放及外电路短路过流的过电保护电路，保证锂电池使用安全。用电时，照明LED 和电热等用电部分的供电从有保护电路的锂电池引出，外接USB 接口用电时，先采用升压电路将锂电池输出电压升至5V 电压，再供外电路使用。此外，本发电鞋电路还设计有电量显示功能，为用户使用提供方便。

结语

当今社会，环境问题、能源问题成为了人类文明发展的关键点。基于减少环境污染，开发新能源，达到节能减排的目的，本项目组设计的可利用人行走时对鞋底的压力而发电的复合式发电鞋，实验证明，该发电鞋能量转换效率高，能源产生过程对环境无害，符合节能减排理念。并设计有过电保护及电量显示功能，充分人性化。且其电能应用方向广泛，应用性较强。

图2 人体行走鞋底受力示意图

图3 发电鞋设计概念图