鞋底发电与充电电路的设计

本文系西华师范大学2018年省级创新创业训练计划项目“压力发电可充电的新型保温鞋设计”的阶段性成果。项目编号：201810638073，项目负责人：林立琼，项目学校：西华师范大学。

摘要：近些年来随着社会经济的快速发展，传统的以煤炭、石油等为主的化石燃料由于对环境的污染比较大，加之全球储量有限，很多国家和地区正面临着能源短缺的问题，因此寻找新的可替代的清洁能源成为当务之急。为了解决这个问题，科学家们提出了各种奇思妙想，利用人体运动发电就是其中之一，比如脚踩到地面时产生的压力能等。这些无处不在的能量一旦被利用起来，可以很方便地为我们随身携带的手机、笔记本电脑等进行充电，压电陶瓷鞋就是基于这种理念而诞生的。

关键词：鞋底发电;电路设计;压电陶瓷鞋

中图分类号：TM619;TM282文献标识码：A文章编号：1672-9129（2020）07-0034-01

Abstract：In recent years， with the rapid development of social economy， traditional fossil fuels such as coal and oil， due to environmental pollution is relatively large， coupled with limited global reserves， many countries and regions are facing the problem of energy shortage， so looking for new alternative clean energy has become a top priority. To solve this problem， scientists have come up with a variety of ideas， such as using human motion to generate electricity， such as the pressure generated when the foot hits the ground. The shoes are based on the idea that this ubiquitous energy， once harnessed， can easily charge our mobile phones， laptops and the like.

Key words：sole power generation;Circuit design;Piezoelectric ceramic shoes

引言：一直以来人类习惯了向大自然索取所需的物质，比如各种能源。但是随着能源污染问题的日益凸显，以及能源危机的加剧，越来越多的科学家将目光转向了人类自身，试图打开人类向自身索取能量的大门。人体在运动的过程中会向周围环境释放振动能，将这种振动能及时转化为电能并储存起来，鞋底发电基本就是这样一个过程。

1鞋底发电基本原理

鞋底发电并不是一个新鲜话题，在压电陶瓷鞋诞生之前还有人曾利用电磁感应原理，通过给鞋子装置感应线圈，用电磁感应来产生电能。虽然这种发电鞋技术相对简单，制作成本也相对低廉，但由于在鞋子内部装置感应线圈很大程度上会增加鞋子自身的重量，影响正常的使用效果，因此这种电磁感应原理的发电鞋在实际中并没有得到广泛的应用和推广。在此之后，有人发明了压电陶瓷鞋。

压电陶瓷鞋是通过夹在鞋底夹层中的压电陶瓷片，借助人在走路时足部对鞋底产生的压力，利用正压电效应使这种压力借由压电陶瓷片将压力能转化为电能并储存起来的。虽然压力陶瓷片产生的电能相当微弱，而且不是直流电，一般要先将这种变化不定的电流转为直流电储存到电容器中，当满足一定条件后再转存到蓄电池中[1]。

和利用电磁感应原理发电相比，采用压电陶瓷原理进行发电的压电陶瓷鞋因为只在鞋子底部增加了一块压电陶瓷片，所以自身的重量比前者要轻得多，对人的正常使用体验并未产生太大的影响。不过由于压电陶瓷鞋转化产生的電能微弱，发电能力极为有限，为了解决这个问题，又有人发明了多压电片串并联这种方式来获取更多的电流和所需的电压。

2压电陶瓷鞋的基本结构

压电陶瓷鞋的发电部位主要由五个部分构成，它们依次为压电陶瓷发电装置、整流电路和超级电容，以及稳压充电电路、微型电池、需要用电的设备。

2.1压电陶瓷发电装置。压电振子是压电陶瓷发电装置最核心的部分，主要由陶瓷材料构成。由于一般的陶瓷材料往往比较脆，容易折断，因此不能直接作为压电振子来使用。业界常见的做法是将压电陶瓷材料和某种弹性较好的金属材料粘合起来使用，这样既保证了压电振子的正常效能，又确保它不会轻易出现问题[2]。

我们都知道，具有压电效应的晶体才能被称为压电晶体。当压电晶体的某些方向被施加了外力，在外力作用下晶体发生形变，这时其相对的两个表面会聚集大量的正、负电荷，从而产生电压、形成电流，这也是压电陶瓷晶片可以发电的原因所在。由压电陶瓷晶片构成的压电振子在鞋底受到足部的压力后，表面会形成电荷。这时的压电振子就相当于一个电容，当位于其正负两极的电荷达到一定量时它就可以储存一定的能量。

2.2整流电路。压电振子在外界力量交变、有规律的冲击作用下，其电流、电压都可能会呈现出交流电的特点。但是要给微型电池充电通常需要的是有稳定电压的直流电，为了能直接给微型电池提供稳定的电流，这时就需要借助整流电路来解决这个问题，尽可能提高输出电压。

2.3超级电容电路和稳压充电电路。超级电容电路指的是将压电振子所产生的电能进一步用超级电容进行存储的电路。由于压电振子所产生的电压和电流都不够稳定，与此同时微型电池要充电所需的又恰好是恒压恒流，这时就需要借助稳压充电电路来把压电陶瓷发电装置产生的非稳定的电流、电压转化为稳定的电流、电压。

经过以上几个步骤，从压电陶瓷鞋产生的电能就可以直接供我们使用了。用户只需要将数据线连接到微型电池上，就可以直接给手机、笔记本电脑等完成充电。

3压电陶瓷鞋的基本优势

压电陶瓷片虽然能够将机械能转化为电能，但在其受到外力作用的时候，其电极极化的强度随着外力作用的大小变化比较大，两极所吸附的自由电荷量也会随之发生改变。为了达到电流稳定的效果，提高压电陶瓷鞋的发电效率，可以从选用比较大的耦合系数压电材料、尽可能减小压电材料介电常数，以及提高走路时足部对压电陶瓷晶片区域应力作用等途径去考虑。

尽管按照理论计算，压电陶瓷鞋的发电率和能量传输效果并不如人们期望的那么高，但应当考虑到影响这两点的主要因素还在于理论模型与实际情况有出入。现实生活中，压电陶瓷鞋输出的电流虽然很小但可以累积，最终的累积效果还是相对可观的，对解决人们的燃眉之急足以够用。

除此之外，将这种小型的发电装置置于鞋底，既节省了空间也充分发挥了物尽其用的特点。而且，这样的发电方式无污染、可持续输出、循环利用，堪称是成本极低的一种清洁能源。

4结语

压电陶瓷鞋技术不失为当前开发新能源的一种尝试，满足了人们当下追求低碳生活的基本需求，相信在未来会有广阔的应用前景。

参考文献：

[1]豆高雅.基于压电陶瓷的环境振动驱动微型压电发电装置设计[J].陶瓷，2019.

[2]蔡明远，陈昌龙，谷睿.论述压电陶瓷发电技术在野外探险鞋的发电原理以及功能[J].环球市场信息导报，2018（30）：183-183.

作者简介：林立琼，2000年7月19，女，汉，籍贯：四川省仪陇县，学生，本科。