利用人体动能—基于压电材料的内藏式充电宝设计

王江 高鹏翔 刘畅 陈运贵 刘益妮

摘 要：通过实验设计了一套内藏式行走充电宝的系统，其工作过程大体上分为两个部分。其一，人体在行走时会对安装于鞋底的压电材料产生压力，压电材料通过压电振子的厚度伸缩模式将其转化成电能。其二，通过能量收集模块，将压电材料产生的微弱电流进行收集，并通过电路进行输出电压控制，以适应不同设备的输入电压要求。其原理主要利用了压电材料的多功能性，压电材料位于鞋垫下方，其产生的电能可存储并利用。通过充电宝将电能提供给多种电子设备，以达到节约电能进而减少干电池的使用，同时减少土地污染达到节能减排的目的。

关键词：行走;压电材料;充电宝

中图分类号：TM919 文献标识码：A 文章编号：1671-2064（2019）13-0059-02

1 研制背景及意义

1.1 研发背景

随着科技的进步与现代化的不断发展，人们对节约能源，低碳生活的意识越来越强烈。况且石油、天然气、煤炭等化石能源将在21世纪消耗殆尽，寻找清洁能源、用可再生能源取代化石能源成为当今社会的首要目标。而常常被人们忽略的数量巨大且不受天气或地理位置影响的潜在能源——“人体动能”。据调查，人行走时产生的能量是巨大的，且步态曲线较为简单。如果将行走过程中的能量利用起来，那么所产生的能量可用于诸多方面。如今，可穿戴智能设备和微电子器件开始兴起，压电材料的发展与使用愈发成熟，均为本产品的设计提供了基础。如图1所示。

1.2 国内外研究现状

在国内，大体上有两种发电方式，一种是利用电磁感应原理，还有一种是利用压电陶瓷发电。压电材料近年来的发展极为迅速，广泛应用于各领域，压电陶瓷是通过粉末烧结的方法由人工烧制而成的多晶铁电材料。在国外，利用了现在的一种先进技术——逆向电润湿。它是利用电压改变疏水表面上液滴的外形，反过来利用该原理，让微型液滴流动的能量转化为电能。除此之外，国外还有一种病毒发电，虽然技术较为先进，但短时间内只能用于试验阶段，不能用于商业生产，而且一双鞋子的成本也会很高。总之，现有发电鞋都还处于行走发热、电暖鞋、自热鞋自动发电保暖的阶段，尽管有一些发电鞋，却存在因发电装置结构复杂导致的鞋子很重的问题和未能有效地解决有关存储电的问题。如图2所示。

1.3 研发意义

现代社会高速发展，手机使用频率越来越高，而充电宝虽然高产，但是在野外或者长时间处于没有电的情况下，用电设备就无法充电。因而，设计开发一种节能、环保、耐用的内藏式行走充电装置，从而实现节约能源，减少使用干电池所带来的环境污染问题以及满足特殊人群在长期无电环境的充電需求。该装置的推广和普及，能有效地解决特殊人群在特殊环境用电的问题，也为保护环境做出了较大贡献。

2 设计方案

2.1 方案构想

本作品的研究思路是基于现有压电材料可以利用压力变形产生电能的原理并充分考虑了现有装置存在的不足，对干电池污染现状进行调研，自主设计了一种新的解决方案。在减轻人们所使用干电池污染环境的同时，还达到了解决特殊群体的用电需求目的。

2.2 整体设计及运行流程

该装置主要分为3部分，各部分箭头指示说明如图3所示。

2.3 设计时考虑的主要问题

2.3.1 压电材料的发电性能

由于普通平面压电片只能受到以正向为单一方向的压力，不能产生良好的形变效果，达不到压电效率最大化。于是我们采用弧形压电片作为本产品的压力发电装置，可以将人体行走时的大部分动能转化为电能。

2.3.2 各组件的安装部件

在鞋底设计有与压电片形状大小相契合的凹槽，并且在凹槽周围设计有附加扣槽，可以将压电片扣于鞋底，方便取用和安装。使用高效节能的锂离子电池作为电能存储的充电电池，它主要依靠锂离子在正极和负极之间移动来工作。我们通过对人体运动时鞋子的受力变形情况进行分析，在鞋子外表面的鞋帮侧面设计有充电宝收纳袋，该收纳袋也是由鞋面材料制作而成，具有美观的外形和一定的实用价值。

2.3.3 鞋子清洗问题

当鞋子需要清洗时，由于采用防水线路，所以只需将压电片取出，再打开充电宝收纳袋取出锂离子电池即可进行正常清洗。

3 理论设计计算

为验证该产品节能减排效益，查找并计算如下：

查得：

（1）5号电池一节2元，以一亩土地收入2000元计算。（2）生产一节5号干电池耗电3.888kw·h、5号电池性能0.5A·h。（3）一吨标准煤1500元，产生CO2 2620kg，29211KJ能量。（4）一节5号干电池可污染1m3的土地，污染600吨水。（5）1度电可以减排0.997kgCO2。（6）陶瓷压电片性能：陶瓷压电片压电常数为670×10-12C/N，通过万用表测得产生电压0～2.2v，电流0～50mA，形变3～7mm。

则产生电压有效值为2.2/=1.56v，电流有效值为50/=35.36mA，功p=1.56*35.36*10-3=0.055kw/h。

以一双鞋子寿命半年（180天），每天走4小时计算。则一双鞋可替换2*180*4/14=102节5号干电池，可产生总能量2*0.055*4*180=79.2kw，可减排CO2：0.997*79.2=79kg。减小电池污染对应增收102*1/666.67*2000=306元。一双鞋带来总收益100（销售利润）+306（土地增收）+204（电池费用）=610元，如表1所示。

4 工作原理及性能分析

压电效应的本质原理是内部某些电介质在受到外界因素的挤压时，会沿着力的方向发生变形且产生极化。同时电压差在其两边产生，如果此时去掉外力又会重新恢复不带电状态。相反，如果把电场施加在极化方向上，压电材料也会变形，这就是所谓的逆压电效应。

压电材料则是指一些晶体在受到压力作用时，由于晶体的对称性较低受到外力而发生形变，晶胞中正负离子的相对位移使正负电荷中心不再重合，导致晶体发生宏观极化，在两端面间出现电压的晶体材料。

压电材料可以分为有机和无机两种，无机又细分为两种，一种是压电晶体（单晶体），是指按晶体空间点阵长程有序生长而成的晶体。这种材料有水晶、锗酸钛、镓酸锂等。另一种是压电陶瓷，压电陶瓷一般指多晶体，它是由一系列的加工和处理制成的一种多晶体压电材料内部所含颗粒是无规则的。如石英、锂镁酸铅等。

5 创新点及应用前景

5.1 创新点

（1）整体设备采用内藏式布置不易破损，安全，耐用。（2）压力产电存储于微型充电宝中，外接USB接口可供手机等设备使用，充电宝可拆卸，使用方便。（3）鞋换设备不换，即鞋子寿命期满，可将充电设备拆卸装至下一双鞋，继续使用。

5.2 应用前景

该装置迎合了我国所倡导的节能减排的主题，随着人们环保意识的提高以及集电装置、压电材料等技术突飞猛进的发展，内藏式行走充电宝在野外探险等领域的应用会越来越广，规模会越来越大，应用前景十分光明。本装置本着节能环保和提高人们生活水平的理念，将人体动能利用起来。该装置适用于野外勘探人员、驴友、军队等特殊群体。减少干电池使用所带来的环境和土地污染、降低了人们使用干电池的概率，致力打造我们的高品质生活。

参考文献

[1] 王强，骆英，顾建祖.基于压电材料的振动能量获取技术的研究[J].电子元件与材料，2008，27（3）：46-50.

[2] 钟俊文.基于柔性驻极体发电机的自供能可穿戴电子器件[D].华中科技大学，2016.

[3] 王军龙.基于压电材料的振动发电装置的研究[D].江苏大学，2010.