基于压电发电的生热保温鞋设计

文 婷，宁 铎*，孙 博，陈国庆

(1.陕西科技大学电气与信息工程学院，西安710021;2.陕西龙门钢铁集团，陕西韩城715400)

基于压电发电的生热保温鞋设计

文 婷1，宁 铎1*，孙 博2，陈国庆1

(1.陕西科技大学电气与信息工程学院，西安710021;2.陕西龙门钢铁集团，陕西韩城715400)

为了有效解决严寒地区特殊工作者的脚部保暖问题，现设计并制作了一种生热保温鞋，该保温鞋主要利用压电器件的压电效应实现的，鞋面通过使用特殊材料将电能转换为热能;并通过设计新的机械结构，提高发电量。定量测定了其性能，其发电功率大幅度提高。结果与理论数据基本符合。实验结果表明:该种生热保温鞋，结构简单，成本低，且可行性强，可广泛推广。

传感器;压电效应;发电鞋;生热保温;机械结构

严冬季节，人们都会希望在室外时能够与室内一样的温暖。而且，人的身体各个部位的耐冷程度不同。通常情况下，脚部耐冷程度较低，人们在外衣穿着很多时手脚也经常会感觉冰凉。所以，脚部取暖对人体在寒冷季节时身体保温非常重要［1］。但是目前市面上已有的保温鞋大部分主要采用了性能良好的保温材料以尽量避免鞋内热量的散失来达到保温效果。另有许多生热保温鞋主要是采用电磁发电［2］达到生热保温的效果。这种鞋子保温效果较好，但是其有许多缺点，例如需要有大量机械结构，配备发电机等，结构复杂，难以推广。本课题就针对此提出了一种基于PZT材料的压电效应压电发电的生热保温鞋。

1 PZT压电片发电原理

压电材料具有压电效应，其分为正压电效应和逆压电效应［3］。通常点说，正压电效应可以将机械能转变为电能;逆压电效应是将电能转化为机械能。压电发电鞋正是利用其正压电效应的。通常压电材料的输出为电荷信号，而压电材料本身电阻不可能无穷大，因此，电荷会慢慢跑掉，只能在其上加变化力，电荷才能不断的得到补充［4］。

压电发电鞋原理就是把压电发电装置置入鞋底，通过走路时对鞋底的冲击使压电材料变形而产生电能，然后通过碳纤维材料将电能转化为热能，以达到生热保温的效果。这种发电装置的发电功率可满足户外登山运动员的鞋底保暖和陆上部队在野外军事行动中的保暖使用需求。

但是压电发电片得电源特性很差，高电压、低电流、高阻抗，尤其是在低频特性下更明显。为使发电装置在较小的激励强度、较宽的频率范围内具有较强的发电能力，可以采用多片压电振子发电，其联接方式分为并联和串联。并联的输出电流大，时间常数大，适用于测量缓变信号，并且，使用于以电流作为输出的场合;串联接法的输出电压大，本身电容小，适用于以电压作为输出信号，且测量电路输入阻抗很高的场合［5］。所以通过实验发现，并联要比串联输出的电流大，所以此压电发电装置采用并联方式。

2 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65 kg的人为例，走路时脚底对地的作用力最大可达到1 820 N，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。

图1 厚度伸缩压电发电振子

2.1 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［6］为:

其中，T3为应力，D3为电位移，E3为电场强度，S3为应变，为弹性顺度常数为介质隔离率，g33为电压常数。d33模式压电发电是利用压缩力的，所以压电发电方式采用厚度伸缩模式，且人走路也可认为是有规律的。假设，所给的力为有规律的正弦，即设F=Fm(1+sinωt)。则D3、T3、E3和S3与F一样都是时间t的正弦函数，且频率相同。

设压电振子的厚度为h，电极面积为A，沿厚度方向受力，幅度为Fm，角频率为ω，压电材料对静态力的响应为零［6］。则由压电方程可得出输出电压为:

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。

图2 压电片等效电路图

根据Qt=D3(t)·A，u0(t)，可以得到:

化简得出:

则

2.2 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。

图3 压电发电装置结构图

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。

图4 工作原理图

2.3 实验结果

实验结果如表4所示。

表4 实验结果

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。

3 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。

4 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。

［1］ 马雪芬，施建波.基于PVDF压电膜的保温鞋设计［J］.科技创新导报，2009(3):44，46.

［2］ 王剑，郭吉丰，郭帅.压电发电技术研究综述［J］.压电与声光，2011，33(3):394-398.

［3］ 方科，李欣欣，杨志刚，等.压电式能量获取装置的研究现状［J］.传感器与微系统，2006，25(10):7-9，15.

［4］ 杨晓明，李宗津.新型水泥基压电传感器的基本性能研究［J］.传感技术学报，2012，25(3):349-354.

［5］ 裴先茹，高海荣.压电材料的研究和应用现状［J］.安徽化工，2010，36(3):4-6，10.

［6］ 张福学，王丽坤.现代压电学［M］.北京:科学出版社，2001.

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

［8］ 姚永刚，姚梦.压电陶瓷人体能量收集系统的设计与实验［J］.机械设计与研究，2011，27(6):34-36.

文 婷(1987- )，女，汉族，陕西韩城人，硕士研究生，研究方向为自动控制、压电效应及其应用研究，wowenting123 @163.com;

宁 铎(1955- )，男，汉族，陕西礼泉人，教授、硕导，研究方向为智能仪器仪表研制、太阳能聚光器应用研究，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