压电发电的生热保温鞋设计.docx

压电发电的生热保温鞋设计《电子器件杂志》2014年第三期1压电发电装置的设计经过实验发现人走路脚对地的最大冲击力大约为人的体重的1．4倍。以一个65kg的人为例走路时脚底对地的作用力最大可达到1820N具有很大的能量。脚底对地的作用力较大频率较小这种情况下我们选择使用厚度伸缩模式的压电振子因为厚度伸缩模式可以承受更大的压力而且在外部压力大的情况下可以输出更多的功率电极并联的压电叠堆能够输出较大的电流对较小的负载电阻能够输出较大的功率。厚度伸缩模式如图1所示。1．1压电振子发电特性研究:压电发电的理论的基础是压电方程因为我们现在研究的是压电发电鞋其负载为碳纤维内阻比较大所以相当于研究在开路状态下的输出电压。先将压电振子等效为电压源。此时宜采用第3类压电方程进行分析。d33模式下的第3类压电方程。第1项为控制电源第2项等效为Qt/CP则压电振子可以等效为电压源us与电容CP的串联如图2所示。1．2发电装置机械结构设计由上述式子可以看出当压电发电片从压电式发电产生能量的计算可以看出:输出功率对耦合系数的大小非常敏感。并且在压电片材料和面积一定的情况下压电片所能产生的功率理论值与力的大小(即人体的重力)成二次关系因为损耗实际的电能输出理论值会有所下降。所以增大压电片所受的力成为增大发电量的一个重要途径而人走路对地面的压力基本为人体重的1．4倍［8］。所以提高对压电装置的压力成为一个技术难点本设计采用如下装置进行力的放大以提高压电效率。如图3所示。设计了如图3所示的压电发电器它主要由箱体1传力块3受力块2压电器件5和弹簧6组成。两个压电器件5分别置于箱体1内的两端并分别与槽形盒1的内侧端面贴合两个带有滚轮4的传力块3都是直角梯形的光滑直棱柱体两个传力块3分别置于两个压电晶体5的内侧传力块3的底面与箱体1的内侧面有很小的间隙两个传力块3的斜面与槽形盒1内部形成V型槽受力体2左右两个侧面分别与传力块3斜面相平行且其底部和上平面下部高度都高于槽型盒1高度。当受力块2在受到向下力的情况下通过传力块3将其放大后水平方向施加给压电器件5从而对称的两个压电器件5同时产生电能因为所有材料都是刚性结构所以重量会比较大为了使得受力块可以顺利反弹上去特地加了滚轴4和弹簧6滚轴可以减小传力块与受力块之间的摩擦而弹簧可以给受力块一个向上的反弹力使得受力块可以顺利恢复到原位置。驱动负载碳纤维产生热量。工作原理如图4所示。由上述结果可以看出通过使用新的机械结构使得P''''=100P即作用在压电发电装置上的压力扩大了10倍而发电功率就扩大了100倍。发电量大大提高。把压电式发电装置应用到发热保暖鞋中是绝对可行的并且前景非常广阔。同时在保暖鞋中使用发热薄膜等现代高科技材料作为发热介质使保暖鞋能够达到更好的效果。2保暖鞋设计为了保证较长时间的保暖效果以及充分利用人体产生的能量我们设计一款自动发热保暖鞋。该保暖鞋采用压电式发电装置为动力保暖鞋的发热材料采用碳纤维材料安装在鞋垫下方以及斜面上。发电装置的直流电将直接供给碳纤维使用。这样既可以保证保暖鞋较长时间的保暖又可以满足人体舒适的需求。3结束语本文通过对压电发电鞋发电原理的研究分析即走路时通过对鞋底的压力使鞋子底部的压电片产生微小变形而输出电荷产生电能。并将电能直接通过碳纤维材料转变为热能达到生热保温的效果。通过设计了一种新型的机械结构使得发电量大大提高。且不影响鞋子的美观。压电发电保温鞋的出现适应了低碳需求它安全无污染对环境友好是对清洁能源的一种利用具有广阔的发展前景。作者：文婷宁铎孙博陈国庆单位：陕西科技大学电气与信息工程学院陕西龙门钢铁集团