创新设计论文 走路发电鞋的设计

1、JingDezhen Ceramic Institute创新性设计页脚题院班学走路发电鞋的设计系： 机械电子工程学院级：09材成（1）班号：0姓 名： 金坤鹏 指导老师： 戴老师走路发电鞋的设计摘要：能源短缺问题是我们面临的最大环境挑战。现在人类 所依赖的化石能源不仅造成了地球升温等全球性的生态灾难，而 且这种社会经济运行本身也难以为继。科学家预测，到2030年 左右，全世界的化石燃料将消耗殆尽。资源、能源短缺当前，世 界上资源和能源短缺问题已经在大多数国家甚至全球围出现。这 种现象的出现，主要是人类无计划、不合理地大规模开采所至。 本世纪九十年代初全世界消耗能源总数约100亿吨标准煤，预测

2、到2000年能源消耗量将翻一番。从目前石油、煤、水利和核能 发展的情况来看，要满足这种需求量是十分困难的。因此，在新 能源（如太阳能、快中子反应堆电站、核聚变电站等）开发利用 尚未取得较大突破之前，世界能源供应将日趋紧。此外，其它 不可再生性矿产资源的储量也在日益减少，这些资源终究会被消 耗殆尽。我国是世界上少数几个以煤炭为主的国家，能源的消费 远远偏离当前世界以油气燃料为主的基本趋势。 回顾20年的 发展，我国仍然采取的是高增长、高消耗、高污染的粗放型扩和 外延为主的经济增长方式。2001年，全国能耗费用支出达12500 亿元，占GDP的13.5%,而同期美国只占7%。中国11个高能 耗产业

3、的33种产品能耗比国际先进水平高46%左右，这些部门 每年多耗能约2.3亿t标煤。此外，中国大气污染造成的损失已 经占到GDP的3%、7沆这样的发展方式必然造成我国能源需求 的不断上升，同时也产生大量的环境污染，从另一个方面减少了 我国可利用的资源的数量，造成资源供给的严重不足。我国一次 性能源的消费构成为煤炭占73.5%,原油占18.6%,天然气占 2.2%,水电占5. 7%。煤炭高效、洁净利用的难度远比油、气燃 料大得多。而且我国大量的煤炭是直接燃烧使用，用于工业锅炉、 窑炉和采暖的煤炭占47.3%,用于发电或热电联产的煤炭只有 38. 1%,而美国为89.5%。此外，我国终端能源消费结构

4、也不 合理，电力占终端能源的比重明显偏低，国家电气化程度不高。 因此，改变能源结构，寻找新能源已成为全人类必须面对的首要 环境课题。人体储存着巨大的能量。据统计，一个成年人脂肪中储有的 能量相当于一个一吨重的蓄电池的蓄能。实际上，人体运动产生 的许多能量是可以被利用的。根据这一现象，我们利用一个发电 装置能够转换并收集人体运动产生的能量以供手机、MP3等设备 使用的发电系统。走路发电鞋的设计就是为了缓解能源紧，并且 为人们提供方便的一个发明设计。发电鞋主要是在人体鞋的鞋跟 处安装一个微型的发电装置。在鞋子的部植入了一个微电机系 统。这个系统包含了传感器、稳压器、传动装置以及电子芯片， 当然这些

5、都是微型的。这个微电机系统可以把人走路产生的机械能转化为电能，通过电子芯片整合之后给用电设备充电。鞋子完成效果图如下：在该装置中，鞋子发电原理和普通发电机原理相同，只是带 动发电机运动的动力供应装置不同，在鞋子发电机中，带动电动 机运动的动力来自人在步行时的对鞋子鞋后跟的压力，其图示如 下图：B在该图示中，A是磁铁，而上面的B, C和D是线圈，右图 的是俯视示意图；小圆圈是线圈（各线圈可串连亦可并连），里 面是磁铁（图上省略了）。上面的图是电路图。下面的图是侧视, 鞋底为中空，上下鞋底的运动可以使磁铁阵列被反复切割从而产 生电流。在该装置中，其发电功率可以采用以下方式算出：设鞋子后 跟的液压转

6、换效率为0.6,机电转换为0.85,则总的转换效率为 效率：液压转换0. 6* 机电转换0.85= 总效率0.51输入功率： 设：步行时速为5公里/小时 3步2米得：步频二（5公里/小时）/（2米/3步）=2. 1步/秒设人体体重50公斤 踩下去1厘米已知：步频二2. 1米/秒得:输入功率二50公斤厘米/秒2. 1 米/秒=10. 37 瓦输出功率;输入功率10.37瓦 * 总效率0. 51=5. 288该系统利用简单的电磁感应和电能转换装置，通过人体运 动带动磁体切割磁力线等原理产生电能。只要人有步行运动，就 会有电能产生。该系统不仅适用于人体，理论上，一切运动的物 体都可作为其载体。这样可

7、以给手机充电、MP3、CD,可能产生的电能并不是一 个巨大的数字，但是在长时间步行中，我们无意产生的这些电累 积起来也是一个比较大的数量，至少远行的背包客在紧急时候不 会为定位装置或者信号灯没电而一筹莫展。据报有关科学研究表明，人体每天走路所产生的能量就能转 换成电力储存起来，平均走一分钟的路发出电力就能让手机通话 10分钟。科学家表示，”肌肉是人的发电所，可以产生有机能量, 透过这项装置就能产生电能。”该走路发电装置的设计可以将人在步行或跑步时自然产生 机械能转化为电能。该装置还可以进行一定的改进，将它安装在 跑步机上，这样我们就可以利用跑步时产生的动力来发电，通过 一定的变压或稳压装置输出给我们的电子设备（如手机、MP3播 放器、笔记本电脑等）。有了它，我们可能迎来一个新时代：由于能从人们自身的活 动中获得电力，而不再是由电池供电，微型传感器和微型医疗设 备变得很耐用。例如，把由它提供能量的发光二极管嵌入儿童运 动鞋的鞋底，它还能发出火花，点着丙烷为燃料的打火机，蜡烛, 壁炉等，步行发电鞋还可以给人造心脏供电，我们知道人造心脏 在通常情况下所需的电流时非常小的，这样刚好把我们鞋子发的 电输给人造心脏，这样的话