多功能发电鞋设计与制作

卢景 邓豪 杨丽

【摘要】基于减少环境污染，开发新能源，达到节能减排的目的，本文设计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。该发电鞋采用压电效应和微型发电机运动两种发电方式，使用双发电机，发电机正转及反转均在发电，辅以合理布局的压电陶瓷片，充分利用能量来源，高效率的将机械能转化为电能，给鞋子内置蓄电池充电和为外围设备供电。整个设计节能环保，开发新能源，符合当今社会发展绿色经济的需求。

【关键词】发电鞋;发电机;压电陶瓷;节能

Abstract：Based on the reduction of environmental pollution，the development of new energy sources，to achieve the purpose of energy saving，the paper can be used when designing a person walking on the soles of pressure and power generation composite shoes.The power shoes using the piezoelectric effect and micro-generators sports two kinds of power generation，the use of double Generator both forward and reverse power generation，combined with rational distribution of piezoelectric ceramics，make full use of energy sources，high efficiency the mechanical energy into electrical energy，to shoes built-in battery charging and power supply to peripheral devices.The whole design of energy-saving and environmental protection，the development of new energy sources，green economy and social development in line with today's needs.

Keywords：power shoes;generators;piezoelectric ceramics;energy

1.引言

當今社会随着经济的快速发展，人们赖以生存的生活环境不断遭到破坏，地球母亲的宝贵资源被过量开采。环境问题、能源问题成为人类发展的关键问题。

新材料及节能产品成为社会研究热点。本文介绍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。鞋一侧装有USB接口，可为手机等小电器充电。前置设有LED照明装置，为夜间行走照明。鞋内装配电热保暖丝，可控制鞋内的温度。实验证实，该发电鞋能量转换效率高，能源产生过程对环境安全无害，符合节能减排理念。

2.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充放电模块、直流发电机与压电陶瓷共发电模块、电热保暖丝模块、USB供电模块及灯光照明5部分组成。

直流发电机与压电陶瓷共发电模块将人体行走损耗的能量转化为电能为锂电池充电，锂电池为电热保暖丝模块及灯光照明供电，锂电池又可可将多余的电量存储，在电量不足时可为USB、电热保暖丝及灯光照明供电。锂电池的电压经升压电路后为USB口供电。

鞋本体一侧USB接口，在需要时可给手机、随身听等小型用电设备供电;前置LED照明装置，可为夜间行走照明;鞋内装配电热保暖丝，在需要时提供保暖。整个发电鞋功能多样化，使用安全，具有很强推广应用性。

图2 系统结构框图

3.硬件模块

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。其中微型直流电机发电效率高、体积小，适合安装在位置有限的地方，而且电机可根据负载大小，自动降速，达到极大的启动扭矩。另外由于直流电机易吸收负载大小的突变，电机转速可自动适应负载大小。压电陶瓷则因受力形变而产生电的效应。

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。

4.机械模块

根据人体生理结构，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。

5.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。

参考文献

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