走路发电鞋产品说明书最终版.doc

目录摘要3一、总述51.1 作品的背景及意义51.2 作品的国内外研究现状5二、作品的设计方案72.1 整体结构设计72.2 压电陶瓷发电装置的设计72.3 整流电路的设计102.4 稳压充电电路的设计11三、作品设计的创新之处133.1 产品设计的创新之处13四、作品带来的经济和社会效益144.1 作品带来的经济效益144.2 作品带来的社会效益14参考文献15摘 要 社会的发展引起一系列的环境问题，传统的化石燃料对环境污染严重，且日益枯竭，寻找新能源成为当务之急。人类每天走路产生很多振动能，如果将这部分振动能通过转化合理利用，不仅能节省能源而且还能为人们带来方便，因此我们提出了走路发电鞋这个构想。基于压电陶瓷发电技术的走路发电鞋是在鞋底放入用压电陶瓷片制成的压电陶瓷发电装置，然后利用压电陶瓷材料的压电效应将人体走路产生的机械能转化为电能，并且储存起来给需要充电的用电设备充电的一种鞋子。基于压电陶瓷发电技术的走路发电鞋共有五部分构成，分别为压电陶瓷发电装置、整流电路、超级电容、稳压充电电路和微型电池。压电陶瓷发电装置时利用压电陶瓷片制成的电能转化装置，通过该装置可以将人体走路产生的振动能转化为电能，然后通过一个整流电路将产生的电能进行处理储存在超级电容中，最后设计一个稳压充电电路输出稳定的直流电源给微型电池充电。关键词：电能转化、压电陶瓷、整流电路ABSTRACTSocial development has led to a range of environmental issues, traditional fossil fuels become urgent and serious environmental pollution, and increasing depletion find new energy sources.Humans walk every day to generate a lot of vibration, this vibration through the the transformed rational use of not only save energy but also bring convenience for people, so we have put forward the idea of walking generation shoes.Based the shoes walking power generation of piezoelectric the ceramic power generation technology is the soles placed in piezoelectric ceramic made of piezoelectric ceramics power generation device, and then take advantage of the piezoelectric effect of the piezoelectric ceramic material of human walking mechanical energy into electrical energy, andstored the shoes of a charge to the electrical equipment needs to be charged.The walk based the piezoelectric ceramic generation technology generation shoes, a total of five parts, namely piezoelectric ceramic generation device, a rectifier circuit, super capacitors, voltage regulators, charging circuit and micro batteries.The piezoelectric ceramic power generating device using a piezoelectric ceramic sheets made of energy conversion devices, the human walking vibrations generated through the device can be can be transformed into electricity, and then through a rectifier circuit to produce electrical energy for processing is stored in the super capacitor,Finally, design a stable DC power regulator charging circuit output to tiny battery charge.Keywords ：Energy conversion、Piezoelectric ceramics、Rectifier circuit一、总述1.1 作品的背景及意义社会的发展引起一系列的环境问题，传统的化石燃料对环境污染严重，且日益枯竭，寻找新能源成为当务之急。环境周围的能量比如振动能，噪声却很少关注，尤其是人体运动产生的振动。人类在不停的向自然索取能量，却很少向自己索取能量。走路发电就是通过在鞋底夹层中放入一块压电陶瓷片，走路时脚跟对鞋底的压电片产生压力，通过正压电效应将压力能转化为电能，将电能储存在微型电池中。由压电陶瓷片产生的电能很微弱，且为交替变化的电流，因此，要将交流电变为直流电先储存在电容器中，当电压达到一定的阀值时，再储存到电池中。通过对压电发电鞋的研究可以解决微型电子设备缺电的情况。对利用环境中的能量具有重要意义。1.2 作品的国内外研究现状在走路发电鞋这个研究领域，基本上有以下几种发电原理，首先了解一下国外水平，美国研究人员充分利用人体动能，开发一种装置，放入鞋内，边走路边发电，他们这种技术的原理是充分运用了现在的一种先进的能量收集技术逆向电润湿，电润湿是利用电压改变疏水表面上液滴的外形，研究人员反过来利用这一原理，让微型液滴流动的能量转化为电能。该装置类似一层鞋垫，内含数千滴微型液滴，放入鞋内，随着走动发电，另外在美国研究人员还研究出了一款利用病毒发电的新型发电器，这款和普通纸张一样轻薄的发电器上覆盖有经过特殊处理的无害病毒，在放在鞋子里后，这种病毒就能够把人们走路时产生的动能转化为电能。这两种技术都在研究当中，尤其是第二种利用病毒发电的技术，仍在实验阶段，另外这两种技术都比较先进，短时间内还不能用于商业生产，只能用于实验阶段，如果用于商业生产鞋子的成本也会大大增加。在国外还有一种技术，日本电信电话公司正在研制一种发电鞋，它的原理是在鞋内装上水和小型发电机。人们穿着这种鞋子行走，鞋底产生的压力使水流流动，带动发电机发电。这种技术很普通，但是最难的是你要将水轮发电机做到最小，另外水轮发电也具有不稳定性。在国内对这种鞋子的研究还不是很普遍，最常见的是利用电磁感应原理，在鞋子内装上一个感应线圈，利用电磁感应来发电，此种技术相对简单，并且鞋子的制作成本也低，但是如果在鞋子内装上一个线圈，会加重鞋子的重量。还有一种方法就是利用压电陶瓷来发电，压电陶瓷在外力的作用下可以产生电荷这一现象被发现几十年了，但受压电材料发电能力的限制，将这部分电荷收集、储存起来用作驱动微功率电器的电源的研究一直很少。因此当在鞋子内装上压电材料后，人体走动挤压鞋子，压电材料表面就会出现正负电荷，这种技术相比较于利用电磁感应发电来说，鞋子的重量会大大减轻，但是压电材料发电能力有限，可以通过多压电片串并联的方式获得所需的电压和电流。所以根据上述情况分析，选用压电陶瓷材料制作压电发电装置，作为走路发电鞋的核心部分。二、作品的设计方案2.1整体结构设计需要供电的设备 整流电路 超级电容稳压充电电路 微型电池压电陶瓷发电装置 图1整体结构示意图 基于压电陶瓷发电技术的走路发电鞋的内部结构是由上面五部分结构构成的，通过在鞋底放入压电陶瓷片组成的发电装置，当人走路时，人产生的振动能通过压电陶瓷发电装置转换成电能，该装置产生的是交流电，并且伴随着很多高低频杂波和谐波，所以要经过很多部的滤波和转化最后输出稳定的直流电源，然后给微型电池充电。 首先压电陶瓷装置通过人体振动产生的机械能将其转换成电能，然后通过一个整流电路将交流电转换成直流电，通过整流电路出来的直流电源仍不能给微型电池充电，因为这个直流电源不是很稳定，通过一个超级电容，先给超级电容充电，然后通过稳压充电电路输出一个稳定的直流电压，这样才可以给微型电池充电，通过以上几部转换就可以讲人体走路时产生的机械能转换成电能储存在微型电池中，然后给需要供电的设备充电。2.2压电陶瓷发电装置的设计 2.2.1压电效应的基本原理1880年法国物理学家皮埃尔和雅各居里兄弟在研究石英晶体的物理性质时发现：当沿着晶片的某些方向施加作用力使晶片发生形变后，晶片上相对的两个表面会出现等量的正、负电荷，电荷面密度与施加的力的大小有关，该现象称为压电现象。具有压电现象的介质为压电体。在离子性的晶体中，正负离子有规则地交错配置，构成结晶点阵，就形成固有电矩，在晶体表面出现极化电荷，由于晶体暴露在空气中，经过一段时间，这些电荷便被降落到晶面上的空气中的异号离子所中和，因此，极化面电荷和电矩都不会显现。但当晶体发生机械形变时，晶格就会发生变化。这样，电矩产生变化，表面极化电荷数值也发生改变。于是，表面上正电荷或负电荷都有了可以测量的增量，该增量是压电效应电量。压电效应分为正压电效应和逆压电效应。具体工作原理如图2所示。FF正压电效应逆压电效应图2 压电效应原理在无电场作用下，当沿着一定方向对压电体施力而使它产生机械变形时，其内部产生极化现象，相对的两个表面会出现异号电荷，外力与端面积大，出现的电荷就多。端面电荷的符号视外力而定。当外力去掉后，又重新恢复不带电状态的现象，称为正压电效应。当作用力方向改变时，电荷极性也随着改变。若将两个表面装上电极并用导线接通，变化的自由电荷便从一个极板移至另一极板，形成电流。具有压电效应的晶体称为压电晶体。当在压电体的极化方向施加电场时，压电体就在一定方向上产生机械形变或机械压力，当外电场撤去时，这些形变或压力随之消失的现象称为逆压电效应。逆压电效应的产生，是由于压电晶体受到电场作用时，在晶体内部产生了应力，这种应力称为压电应力，通过它的作用产生压电应变。因此，压电效应是由于晶体在机械力的作用下发生形变而引起带电粒子的相对位移，从而使晶体的总电矩发生变化而造成的。晶体是否呈现压电性，由构成晶体的原子和离子排列方式决定的。具有对称中心的晶体不可能有压电性。凡是具有正压电效应的晶体，也一定有逆压电效应，具有压电效应的材料称为压电材料。2.2.2压电陶瓷发电装置的构成压电陶瓷发电装置的核心是压电振子，压电振子是在外界激励作用下产生振动的压电材料和弹性材料的结合体，压电材料选用PZT系陶瓷。陶瓷材料很脆，所以一般不直接将压电材料作为压电振子来使用，而是将压电陶瓷和某种金属弹性材料粘合在一起共同构成压电振子。压电振子要将机械能高效的转换成电能，必须选择合适的压电振子振动模式，根据人走路时是通过人脚的离地和着地来挤压压电振子以产生电能，所以选择与电场振动方向平行的伸缩振动模式，即TE模。确定了压电振子的振动方式之后，还要选择压电振子在鞋底的支撑方式，压电阵子的支撑方式直接影响到压电阵子的能量转化效率。如果要将压电陶瓷片放在鞋底的话，选择悬臂梁式支撑方式，来设计悬臂梁压电发电装置。因为最后需要建立压电振子发电装置的数学模型，所以还要假设一种压电振子的振动方式，人走路时对压电振子产生冲击很大，所以压电振子的振动方式应该是冲击自由振动式，当压电振子与人走路发生谐振时，此时压电振子能很好的吸收人走路产生的机械能，从而产生更多的能量。2.2.3 压电方程及压电性能参数在压电振子中，机械效应与电效应是分不开的，它们互相牵制，紧紧耦合在一起。因此，压电方程是压电体的力学量（应力T，应变S）和电学量（电场强度E，电位移D）间的关系方程。表示如下： 式中是在恒定应力（或零应力）下测量出的机械自由介电常数，为电短路情况下测得的弹性常数，为压电常数。第一个方程叙述了正压电效应，第二个方程叙述了逆压电效应。压电发电鞋利用PZT系陶瓷片的正压电效应产生电压和电荷，陶瓷片的压电性能直接影响压电发电鞋的工作性能。其压电性能可由多个压电参数表达，主要由机电耦合系数、机械品质因数、频率常数、相对介电常数等构成。2.2.4 压电陶瓷发电装置的电学等效模型当压电振子在压力作用下上下表面产生电荷，其相当于一个电容，电容在其两极产生电荷后就储存了一定的能量。从电学角度来看，压电振子可以简化为一个正弦电流源，与内在的电极电容 并联，如图2所示。假设电流源和电极电容恒定，负载可调。由戴维南等效定理，该电路中阻抗为：图3 压电电学等效模型可求出电路输出电压：输出功率:当时，即外接负载电阻和压电片等效阻抗相等时，负载吸收的能量最大。2.3 整流电路的设计压电振子在交变的外力或有规则的冲击作用下，其电压和电流都呈现交变特性，而给微型电池充电需要稳压直流，故需对其进行整流。常见的整流方式有：单相半波整流、全波整流和倍压整流。单相半波整流利用二极管的单向导电性，在负载上得到的电压是以单方向的脉动直流电压，脉动大，利用效率低。在桥式整流电路中，变压器的变比已经确定，则输出电压平均值的上限就被确定，另外桥式整流电路因为二极管存在着正向压降，所以负载获得的电压值不高。因此采用倍压整流电路。为了尽可能提高输出电压，设计了三倍压整流电路，电路如图所示。图4 三倍压整流电路图 图中C3是一个滤波电容，在正弦电压源的第一个正半周期时C1被充电至U1，第一个负半周期时C2上的电压被冲到接近2U1。当第二个正半周期时，D1，D3到导通，D2截止，C2上的电压与电压源串联经D3对C3充电至3U1。 设计将压电振子产生的电能用超级电容储存的电路，电路如图所示。图5 超级电容储存电路 超级电容储能的第一部分是压电振子的电学等效电路，经三倍压整流电路升压，整流后为超级电容Cd进行充电，稳压二极管D4为保护超级电容。参数选择为超级电容的最高耐压值。2.4稳压充电电路的设计压电陶瓷发电装置产生的电压和电流都不稳定，瞬时电压存在着突变，而微型电池充电时需要的电源为恒压恒流，这就需要把突变的电流和电压转化为恒定的。MAX1672内部由于内部集成了一个含有线性稳压器的升压式DC/DC变换器，因此该芯片具有升压式或降压式DC/DC变换器的功能，因此选择用MAX1672芯片来设计稳压充电电路，电路的主要设计任务就是根据实际需要选择合适的外围元器件。图6 稳压充电电路由MAX1672组成的稳压充电电路外围器件主要包括一个肖特基二极管，一个10uH的电感，两个较大的钽电容，输出端接一个4.7uF电容及若干电阻。两个100uF的钽电容一个接在输入端，主要起到去除输入纹波的作用。由于上一级电路的输出电阻较大，对于加大的开关负载将产生较大的输出纹波，4.7uF的电容就是起到缓解负载剧烈变化，减小输出波动的作用。另一个100uF的钽电容的输出电阻较小，可以有效的提高输出电流。电感是MAX1672储能的关键器件，在选择时主要考虑的参数有饱和电流、电感量和直流电阻。较大的电感量有利于电流脉动的较小，输出纹波的降低和输出电流容量的增大，当磁芯接近饱和时损耗将会增大，所以选用饱和电流较大的电感就能提升芯片的转换效率。同时选用直流电阻小的电感能降低功率的消耗。选择滤波电容的主要依据为系统对整流电路产生纹波的要求。滤波电容的等效串联电阻是产生输出纹波的主要原因，对电流的转换效率也有一定的影响，因此应选用低等效串联电阻的电容，钽电容具有较低的等效串联电阻，容量在10uF100uF左右比较合适，对于负载大的情况应选取大的电容。三、作品设计的创新之处3.1 作品设计的创新之处本产品是运用压电陶瓷技术制作的走路发电鞋，相比较其他类似产品也面临着许多竞争，与这些竞争者相比，本产品在设计方面的创新性可总结为以下四个方面：1、在设计时了解了国内外对走路发电鞋的研究现状，综合现在的各种鞋底发电技术进行比较，最终提出了利用压电陶瓷片的压电效应来将人体产生的机械能转化为电能。因为利用压电陶瓷材料的压电效应进行电能转换国内对此研究才刚刚开始，并且在鞋底这么小的空间内装上发电装置，压电陶瓷材料也能有效的节约空间。2、单片压电陶瓷片发电能力较弱，并且已经分析得出只有当压电陶瓷极间电容和存储电容相等时才能达到最大的能量传输效率。因此为了解决上述两个问题采用多压电陶瓷片并联的方式。3、在设计整流电路时，比较了各种整流电路的优缺点，最后提出了倍压整流电路，并且采用三倍压的方式，这种整流电路可以有效的提高电压。4、在充电电容的选择上选用超级电容，因为超级电容相比较于普通的电解电容具有容量大、循环使用寿命长、不易损坏等优点，适合鞋底这样复杂的环境。四、作品带来的经济和社会效益4.1作品带来的经济效益 压电发电技术现在在国内处于刚刚开始起步阶段，而基于压电陶瓷发电技