基于压电陶瓷发电技术的走路发电鞋分解

基于压电陶瓷发电技术的走路 发电鞋
可以给电池充电的鞋子
背景

社会的发展引起一系列的环境问题，传统的 化石燃料对环境污染严重，且日益枯竭，寻 找新能源成为当务之急。环境周围的能量比 如振动能，噪声却很少关注，尤其是人体运 动产生的振动。
作品国内外研究现状
美国研究人员充分利用人体动能，开发一种 装置，放入鞋内，边走路边发电，他们这种 技术的原理是充分运用了现在的一种先进的 能量收集技术——逆向电润湿（利用让微型 液滴流动的能量转化为电能） 另外在美国研究人员还研究出了一款利用病 毒发电的新型发电器，这款和普通纸张一样 轻薄的发电器上覆盖有经过特殊处理的无害 病毒，在放在鞋子里后，这种病毒就能够把 人们走路时产生的动能转化为电能。

整体结构示意图
发压 电电 装陶 置瓷 整 流 电 路 超 级 电 容 电稳 电压 路充 微 型 电 池 的需 设要 备供 电
基于压电陶瓷发电技术的走路发电鞋共有五 部分构成，分别为压电陶瓷发电装置、整流 电路、超级电容、稳压充电电路和微型电池
压电效应原理图

具有压电效应的晶体称为压电晶体 当沿着晶片的某些方向施加作用力使晶片发生形变 后，晶片上相对的两个表面会出现等量的正、负电 荷

当电池充好电以后，我们可以利用数据线连 接好手机与电池，给手机电池充电了，这样 我们就不用担心外出旅游手机没电了。
创新点
1、因为利用压电陶瓷材料的压电效应进行电 能转换国内对此研究才刚刚开始，并且在鞋 底这么小的空间内装上发电装置，压电陶瓷 材料也能有效的节约空间。 2、单片压电陶瓷片发电能力较弱，并且已经 分析得出只有当压电陶瓷极间电容和存储电 容相等时才能达到最大的能量传输效率。因 此为了解决上述两个问题采用多压电陶瓷片 并联的方式。


在国内对这种鞋子的研究还不是很普遍，最 常见的是利用电磁感应原理，在鞋子内装上 一个感应线圈，利用电磁感应来发电，此种 技术相对简单，并且鞋子的制作成本也低， 但是如果在鞋子内装上一个线圈会加重鞋子 的重量。
还有一种方法就是利用压电陶瓷来发电，这 种技术相比较于利用电磁感应发电说，鞋子 的重量会大大减轻，但发电能力有限，可以 通过多压电片串并联的方式获得所需的电压 和电流。 本文就是利用压电陶瓷发电的方式。通过在 鞋底夹层中放入一块压电陶瓷片，走路时脚 跟对鞋底的压电片产生压力，通过正压电效 应将压力能转化为电能，将电能储存在微型 电池中。


3、在充电电容的选择上选用超级电容，因为 超级电容相比较于普通的电解电容具有容量 大、循环使用寿命长、不易损坏等优点，适 合鞋底这样复杂的环境。
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压电陶瓷发电装置介绍
压电陶瓷发电装置的核心是压电振子 由于陶瓷材料很脆，所以一般不直接将压电 材料作为压电振子来使用，而是将压电陶瓷 和某种金属弹性材料粘合在一起共同构成压 Leabharlann Baidu振子。

压电陶瓷发电装置的电学等效模型


当压电振子在压力作用下上下表面产生电荷，其相 当于一个电容，电容在其两极产生电荷后就储存了 一定的能量。 压电振子可以简化为一个正弦电流源，与内在的电 极电容并联
整流电路

压电振子在交变的外力或有规则的冲击作用 下，其电压和电流都呈现交变特性，而给微 型电池充电需要稳压直流，故需对其进行整 流。为了尽可能提高输出电压，设计了三倍 压整流电路
超级电容电路

将压电振子产生的电能用超级电容储存的电 路
稳压充电电路

压电陶瓷发电装置产生的电压和电流都不稳 定，瞬时电压存在着突变，而微型电池充电 时需要的电源为恒压恒流，这就需要把突变 的电流和电压转化为恒定的。