特工都眼红

李昌琪

摘要：随着智能手机等电子设备日渐成为我国民众标配，人们对电力能源的需求逐渐上升到了一个新的高度，占用空间小、可自主发电的设备开始受到业界广泛关注。基于此，本文就充电防水鞋设计思路展开分析，并围绕充电防水鞋实现原理，对充电防水鞋的实现进行了详细论述，希望由此能够为相关业内人士带来一定启发。

关键字：充电防水鞋；压电效应；发电机

前言：

作为人类最基本的活动方式，步行属于人们日常生活的重要组成部分，而考虑到智能手机等移动电子设备对移动电源的天然需求，本文研究了一种能够为小型设备充电的防水鞋子，该鞋子能够在人们正常行走中始终处于产电和储电状态，由此就能够较好满足人们对移动电源的需求，同时实现的节能减排对我国资源节约型、环境友好型社会的创建也将带来较为积极影响。

1.充电防水鞋设计思路

结合国内外围绕充电鞋子开展的研究，笔者在充电防水鞋的设计中首先想到的是在鞋子底部安装可储电的电池组，并配合安装小型发电装置，由此就能够实现人们行走过程中的发电存储，而必要时候电池组还能够与家庭用电相连进行充电，这样就进一步提升了充电防水鞋的实用性。不过在小型发电装置的选择上，由于学界存在多种实践性较高的步行发电技术，因此技术的选择在一定程度上影响了充电防水鞋的设计实现。

2.充电防水鞋实现原理

2.1压电效应

一些压电晶体会因受到外力施加的压力在表面产生电荷，而这种压电效应便为充电防水鞋的实现提供了契机，这是由于人类步行中人体脚会始终向鞋子施加压力，因此应用压电晶体便能够轻松完成充电防水鞋小型发电装置的设计。压电陶瓷是我国当下应用较为广泛的一种压电晶体材料，其本身属于一种具有压电效应的铁电陶瓷，其在外力作用下产生的形状变化将使自身表面产生电荷。不过在笔者的深入研究中发现，将压电陶瓷设计为充电防水鞋小型发电装置虽然能够满足充电防水鞋的发电需要，但由于人们行走过程中的步频对压电陶瓷施加的压力不均匀，这就使得压电陶瓷所产生的交流电也将出现不均匀特性，这类交流电的具体应用则需要进行较为繁复的处理，这点一定程度上降低了其实践价值[1]。

2.2发电机

将机械能量转换为电能量属于发电机的基本原理，而结合这一原理不难发现，人们的行走过程能够对鞋子产生间歇性压力，由此作用于齿条带动齿轮运动并最终带动发电机线圈转动，鞋子中的发电机便能够实现发电。发电机的发电实现应用了人体行走过程产生的作用力，由此产生的电力能源便具备着节能环保的优点。不过在笔者的深入调查中发现，整套发电系统的使用较为复杂且占用面积较大、重量也较大，而基于能量守恒定律由发电机实现的发电也将加大人行走过程的能量消耗，充电防水鞋的实际应用价值因此便将大大下降。

2.3“塞贝克”效应

很多鞋子虽然能够为人们提供便利的服务，但穿着过程中产生的热量却往往影响人们的穿鞋体验，而“塞贝克”效应则能够通过收集鞋子穿着过程中产生的热量进行发电。在应用“塞贝克”效应实现的鞋子发电工程中，该效应需要得到p型和n型半导体材料制成的热点模块支持，该模块需要将热电偶连接在一起形成热电堆，由此脚步热能和地面冷能通过陶瓷薄片便能够激发“塞贝克”效应，鞋子也能够由此实现步行发电。不过在笔者的深入调查中发现，基于“塞贝克效应”开展的鞋子发电效率较低，人们一天的步行量仅能够满足智能手机60mim的通话需要，这显然制约了该效应在本文研究中的应用潜力。此外，“塞贝克”效应的应用对鞋子的保温性要求较高，由此带来的穿着舒适度影响也不应被忽视[2]。

3.充电防水鞋的实现

综合分析压电效应、发电机、“塞贝克”效应三方面充电防水鞋实现思路，本文最终选择了压电效应和发电机两种发电方式开展了复合式充电防水鞋的设计，由此即可保证发电机正转和反转均在发电，压电陶瓷的合理布置也将避免交流电不均匀问题的出现，由此充电防水鞋的发电效率便能够得到较好保障。

3.1整体框架实现

充电防水鞋由锂电池、微型直流发电机、压电陶瓷、升压电路、灯光照明、USB共七部分组成，其中微型直流发电机与压电陶瓷负责充电防水鞋的发电，锂电池则负责电源的存储，而经过升压电路为锂电池供电，锂电池所存储的电能便能够通过USB装置满足各类电子设备的用电需要，由此充电防水鞋便实现了环保、技能减排的目的。

3.2硬件模块实现

各硬件模块的具体设计如下所示：（1）微型直流发电机。考虑到微型直流发电机较小的体积和较大的发电效率，因此本文设计的充电防水鞋便将微型直流发电机安装在了一定空间的位置之上，并通过速度控制降低充电防水鞋带来的使用者能量消耗。（2）压电陶瓷。上文中研究提到了压电陶瓷产生的交流电电压不稳定，因此设计使用升压电路实现了压电陶瓷产生交流电的处理，锂电池也将由此获得4.2V标准供电。（3）锂电池。为了保证锂电池安全，采用了标准的过充、过放、外电路短路电流的过电保护电路，由此锂电池危害充电防水鞋使用者安全的风险便被降到了最低。（4）升压电路。升压电路不仅仅需要对压电陶瓷产生的交流电进行处理，还需要将锂电池的电压提升了5V以此保证其能够更好为智能手机等用电设备提供充电服务。

3.3机械模块实现

在机械模块的设计中，本文对各硬件模块的安装位置进行了分配，具体分配如下所示：（1）压电陶瓷片。考虑到人们在日常行走过程中多存在前脚先着地的习惯，因此本文设计的充电防水鞋在鞋子对应脚趾和脚掌的位置相对多放置了压电陶瓷片。（2）锂电池。由于鞋子的后跟和脚掌处不常受力，因此锂电池被放置在该部位。（3）微型直流发电机。考虑到微型直流发电机的发电原理，因此将其放在鞋子脚后跟部位，这是由于该部位主要受力点活动空间大，微型直流发电机的发电需求能够在该部位得到较好满足，由此实现的鞋子脚后跟部分微小力量通过微型直流发电机减速齿轮箱放大，即可满足微型直流发电机转动需要。（4）防水。鞋底外侧加装防水，避免进水，便能够进一步提升充电防水鞋的稳定性和安全性。

3.4未来设想

为了实现充电防水鞋的推广，可尝试与体育用品、知名运动鞋品牌进行合作，通过商品化降低制造成本、提升应用效果，充电防水鞋的应用前景便能够进一步开阔。此外，充电防水鞋在推广过程中还可以采用以旧换新等手段，这样其生产成本得以实现更好降低，充电防水鞋的环保特性也将实现更好提升。

结论：

综上所述，本文所研究的充电防水鞋具备较高的应用潜力，文章的第三点便直观说明了这一认知。而在此基础上，本文涉及的压电效应、发电机、“塞贝克”效应、机械模块实现等内容，则证明了研究的实践价值与理论价值。因此，在相关理论研究和实践探索中，本文内容便能够发挥一定程度的参考作用。

参考文献：

[1]虞周凱，傅文珍，辛欣欣.“发电鞋”的研究综述[J].硅谷，2015，804：71+81.

[2].德国科学家研制出“发电鞋”[J].企业技术开发，2015，3407：116.