文 婷，寧 鐸*，孫 博，陳國(guó)慶

(1.陜西科技大學(xué)電氣與信息工程學(xué)院，西安710021;2.陜西龍門鋼鐵集團(tuán)，陜西韓城715400)

基于壓電發(fā)電的生熱保溫鞋設(shè)計(jì)

文 婷1，寧 鐸1*，孫 博2，陳國(guó)慶1

(1.陜西科技大學(xué)電氣與信息工程學(xué)院，西安710021;2.陜西龍門鋼鐵集團(tuán)，陜西韓城715400)

為了有效解決嚴(yán)寒地區(qū)特殊工作者的腳部保暖問(wèn)題，現(xiàn)設(shè)計(jì)并制作了一種生熱保溫鞋，該保溫鞋主要利用壓電器件的壓電效應(yīng)實(shí)現(xiàn)的，鞋面通過(guò)使用特殊材料將電能轉(zhuǎn)換為熱能;并通過(guò)設(shè)計(jì)新的機(jī)械結(jié)構(gòu)，提高發(fā)電量。定量測(cè)定了其性能，其發(fā)電功率大幅度提高。結(jié)果與理論數(shù)據(jù)基本符合。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明:該種生熱保溫鞋，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，成本低，且可行性強(qiáng)，可廣泛推廣。

傳感器;壓電效應(yīng);發(fā)電鞋;生熱保溫;機(jī)械結(jié)構(gòu)

嚴(yán)冬季節(jié)，人們都會(huì)希望在室外時(shí)能夠與室內(nèi)一樣的溫暖。而且，人的身體各個(gè)部位的耐冷程度不同。通常情況下，腳部耐冷程度較低，人們?cè)谕庖麓┲芏鄷r(shí)手腳也經(jīng)常會(huì)感覺(jué)冰涼。所以，腳部取暖對(duì)人體在寒冷季節(jié)時(shí)身體保溫非常重要［1］。但是目前市面上已有的保溫鞋大部分主要采用了性能良好的保溫材料以盡量避免鞋內(nèi)熱量的散失來(lái)達(dá)到保溫效果。另有許多生熱保溫鞋主要是采用電磁發(fā)電［2］達(dá)到生熱保溫的效果。這種鞋子保溫效果較好，但是其有許多缺點(diǎn)，例如需要有大量機(jī)械結(jié)構(gòu)，配備發(fā)電機(jī)等，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，難以推廣。本課題就針對(duì)此提出了一種基于PZT材料的壓電效應(yīng)壓電發(fā)電的生熱保溫鞋。

1 PZT壓電片發(fā)電原理

壓電材料具有壓電效應(yīng)，其分為正壓電效應(yīng)和逆壓電效應(yīng)［3］。通常點(diǎn)說(shuō)，正壓電效應(yīng)可以將機(jī)械能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔?逆壓電效應(yīng)是將電能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能。壓電發(fā)電鞋正是利用其正壓電效應(yīng)的。通常壓電材料的輸出為電荷信號(hào)，而壓電材料本身電阻不可能無(wú)窮大，因此，電荷會(huì)慢慢跑掉，只能在其上加變化力，電荷才能不斷的得到補(bǔ)充［4］。

壓電發(fā)電鞋原理就是把壓電發(fā)電裝置置入鞋底，通過(guò)走路時(shí)對(duì)鞋底的沖擊使壓電材料變形而產(chǎn)生電能，然后通過(guò)碳纖維材料將電能轉(zhuǎn)化為熱能，以達(dá)到生熱保溫的效果。這種發(fā)電裝置的發(fā)電功率可滿足戶外登山運(yùn)動(dòng)員的鞋底保暖和陸上部隊(duì)在野外軍事行動(dòng)中的保暖使用需求。

但是壓電發(fā)電片得電源特性很差，高電壓、低電流、高阻抗，尤其是在低頻特性下更明顯。為使發(fā)電裝置在較小的激勵(lì)強(qiáng)度、較寬的頻率范圍內(nèi)具有較強(qiáng)的發(fā)電能力，可以采用多片壓電振子發(fā)電，其聯(lián)接方式分為并聯(lián)和串聯(lián)。并聯(lián)的輸出電流大，時(shí)間常數(shù)大，適用于測(cè)量緩變信號(hào)，并且，使用于以電流作為輸出的場(chǎng)合;串聯(lián)接法的輸出電壓大，本身電容小，適用于以電壓作為輸出信號(hào)，且測(cè)量電路輸入阻抗很高的場(chǎng)合［5］。所以通過(guò)實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，并聯(lián)要比串聯(lián)輸出的電流大，所以此壓電發(fā)電裝置采用并聯(lián)方式。

2 壓電發(fā)電裝置的設(shè)計(jì)

經(jīng)過(guò)實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，人走路腳對(duì)地的最大沖擊力大約為人的體重的1.4倍。以一個(gè)65 kg的人為例，走路時(shí)腳底對(duì)地的作用力最大可達(dá)到1 820 N，具有很大的能量。腳底對(duì)地的作用力較大，頻率較小，這種情況下，我們選擇使用厚度伸縮模式的壓電振子，因?yàn)楹穸壬炜s模式可以承受更大的壓力，而且在外部壓力大的情況下可以輸出更多的功率電極并聯(lián)的壓電疊堆能夠輸出較大的電流，對(duì)較小的負(fù)載電阻能夠輸出較大的功率。厚度伸縮模式如圖1所示。

圖1 厚度伸縮壓電發(fā)電振子

2.1 壓電振子發(fā)電特性研究:

壓電發(fā)電的理論的基礎(chǔ)是壓電方程，因?yàn)槲覀儸F(xiàn)在研究的是壓電發(fā)電鞋，其負(fù)載為碳纖維，內(nèi)阻比較大，所以相當(dāng)于研究在開(kāi)路狀態(tài)下的輸出電壓。先將壓電振子等效為電壓源。此時(shí)宜采用第3類壓電方程進(jìn)行分析。d33模式下的第3類壓電方程［6］為:

其中，T3為應(yīng)力，D3為電位移，E3為電場(chǎng)強(qiáng)度，S3為應(yīng)變，為彈性順度常數(shù)為介質(zhì)隔離率，g33為電壓常數(shù)。d33模式壓電發(fā)電是利用壓縮力的，所以壓電發(fā)電方式采用厚度伸縮模式，且人走路也可認(rèn)為是有規(guī)律的。假設(shè)，所給的力為有規(guī)律的正弦，即設(shè)F=Fm(1+sinωt)。則D3、T3、E3和S3與F一樣都是時(shí)間t的正弦函數(shù)，且頻率相同。

設(shè)壓電振子的厚度為h，電極面積為A，沿厚度方向受力，幅度為Fm，角頻率為ω，壓電材料對(duì)靜態(tài)力的響應(yīng)為零［6］。則由壓電方程可得出輸出電壓為:

第1項(xiàng)為控制電源，第2項(xiàng)等效為Qt/CP，則壓電振子可以等效為電壓源us與電容CP的串聯(lián)，如圖2所示。

圖2 壓電片等效電路圖

根據(jù)Qt=D3(t)·A，u0(t)，可以得到:

化簡(jiǎn)得出:

則

2.2 發(fā)電裝置機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

由上述式子可以看出，當(dāng)壓電發(fā)電片從壓電式發(fā)電產(chǎn)生能量的計(jì)算可以看出:輸出功率對(duì)耦合系數(shù)的大小非常敏感。并且，在壓電片材料和面積一定的情況下，壓電片所能產(chǎn)生的功率理論值與力的大小(即人體的重力)成二次關(guān)系，因?yàn)閾p耗，實(shí)際的電能輸出理論值會(huì)有所下降。所以，增大壓電片所受的力成為增大發(fā)電量的一個(gè)重要途徑，而人走路對(duì)地面的壓力基本為人體重的1.4倍［8］。所以提高對(duì)壓電裝置的壓力成為一個(gè)技術(shù)難點(diǎn)，本設(shè)計(jì)采用如下裝置進(jìn)行力的放大，以提高壓電效率。如圖3所示。

圖3 壓電發(fā)電裝置結(jié)構(gòu)圖

設(shè)計(jì)了如圖3所示的壓電發(fā)電器，它主要由箱體1，傳力塊3，受力塊2，壓電器件5和彈簧6組成。兩個(gè)壓電器件5分別置于箱體1內(nèi)的兩端，并分別與槽形盒1的內(nèi)側(cè)端面貼合，兩個(gè)帶有滾輪4的傳力塊3都是直角梯形的光滑直棱柱體，兩個(gè)傳力塊3分別置于兩個(gè)壓電晶體5的內(nèi)側(cè)，傳力塊3的底面與箱體1的內(nèi)側(cè)面有很小的間隙，兩個(gè)傳力塊3的斜面與槽形盒1內(nèi)部形成V型槽，受力體2左右兩個(gè)側(cè)面分別與傳力塊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。當(dāng)受力塊2在受到向下力的情況下，通過(guò)傳力塊3將其放大后，水平方向施加給壓電器件5，從而對(duì)稱的兩個(gè)壓電器件5同時(shí)產(chǎn)生電能，因?yàn)樗胁牧隙际莿傂越Y(jié)構(gòu)，所以重量會(huì)比較大，為了使得受力塊可以順利反彈上去，特地加了滾軸4和彈簧6，滾軸可以減小傳力塊與受力塊之間的摩擦，而彈簧可以給受力塊一個(gè)向上的反彈力，使得受力塊可以順利恢復(fù)到原位置。驅(qū)動(dòng)負(fù)載碳纖維產(chǎn)生熱量。工作原理如圖4所示。

圖4 工作原理圖

2.3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表4所示。

表4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

由上述結(jié)果可以看出，通過(guò)使用新的機(jī)械結(jié)構(gòu)使得P'=100P，即作用在壓電發(fā)電裝置上的壓力擴(kuò)大了10倍，而發(fā)電功率就擴(kuò)大了100倍。發(fā)電量大大提高。把壓電式發(fā)電裝置應(yīng)用到發(fā)熱保暖鞋中是絕對(duì)可行的，并且前景非常廣闊。同時(shí)，在保暖鞋中使用發(fā)熱薄膜等現(xiàn)代高科技材料作為發(fā)熱介質(zhì)使保暖鞋能夠達(dá)到更好的效果。

3 保暖鞋設(shè)計(jì)

為了保證較長(zhǎng)時(shí)間的保暖效果以及充分利用人體產(chǎn)生的能量，我們?cè)O(shè)計(jì)一款自動(dòng)發(fā)熱保暖鞋。該保暖鞋采用壓電式發(fā)電裝置為動(dòng)力，保暖鞋的發(fā)熱材料采用碳纖維材料，安裝在鞋墊下方以及斜面上。發(fā)電裝置的直流電將直接供給碳纖維使用。這樣，既可以保證保暖鞋較長(zhǎng)時(shí)間的保暖，又可以滿足人體舒適的需求。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文通過(guò)對(duì)壓電發(fā)電鞋發(fā)電原理的研究分析，即走路時(shí)通過(guò)對(duì)鞋底的壓力，使鞋子底部的壓電片產(chǎn)生微小變形而輸出電荷，產(chǎn)生電能。并將電能直接通過(guò)碳纖維材料轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮?，達(dá)到生熱保溫的效果。通過(guò)設(shè)計(jì)了一種新型的機(jī)械結(jié)構(gòu)，使得發(fā)電量大大提高。且不影響鞋子的美觀。壓電發(fā)電保溫鞋的出現(xiàn)適應(yīng)了低碳需求，它安全無(wú)污染，對(duì)環(huán)境友好，是對(duì)清潔能源的一種利用，具有廣闊的發(fā)展前景。

［1］ 馬雪芬，施建波.基于PVDF壓電膜的保溫鞋設(shè)計(jì)［J］.科技創(chuàng)新導(dǎo)報(bào)，2009(3):44，46.

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［5］ 裴先茹，高海榮.壓電材料的研究和應(yīng)用現(xiàn)狀［J］.安徽化工，2010，36(3):4-6，10.

［6］ 張福學(xué)，王麗坤.現(xiàn)代壓電學(xué)［M］.北京:科學(xué)出版社，2001.

［7］ Joseph A Paradiso.Systems for Human-Powered Mobile Computing［M］.

［8］ 姚永剛，姚夢(mèng).壓電陶瓷人體能量收集系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)驗(yàn)［J］.機(jī)械設(shè)計(jì)與研究，2011，27(6):34-36.

文 婷(1987- )，女，漢族，陜西韓城人，碩士研究生，研究方向?yàn)樽詣?dòng)控制、壓電效應(yīng)及其應(yīng)用研究，wowenting123 @163.com;

寧 鐸(1955- )，男，漢族，陜西禮泉人，教授、碩導(dǎo)，研究方向?yàn)橹悄軆x器儀表研制、太陽(yáng)能聚光器應(yīng)用研究，cgqbj@163.com。

The Design of Heat-Preservation Shoes Based on Piezoelectric Power Generation

WEN Ting1，NING Duo1*，SUN Bo2，CHEN Guoqing1

(1.College of Electrical and Information Engineering，Shaanxi University of Science and Technology，Xi’an 710021，China; 2.Shaanxi Longmen Iron＆Steel(Group)Co.，Ltd，Hancheng Shanxi 715400，China)

In order to solve their fect-warmed problem of special cold-suffering workers in the severe cold area effectively，now a kind of thermal insulation shoes was developed.The effects of the shoes was realized mainly by the piezoelectric effect of piezoelectric devices.And the vamps could convert electrical energy into heat energy through the use of special material.The electric energy production was increased by the new design of its mechanical structure. By the tests，generated power expands significongtly，the results conforms to the theory basically.Experimental results show that the structure of this kind of thermal insulation shoes is simple，the cost is low，and the shoes are feasible.this kind of thermal insulation shoes can be widespread used.

sensor;piezoelectric effect;generating shoes;heat insulation;mechanical structure

10.3969/j.issn.1005－9490.2014.02.025

TN384

A

1005－9490(2014)02－0283－04

2013-06-07修改日期:2013-07-07

EEACC:2860;7230