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1、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
2、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 d
3、evelopment 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 onl
4、y 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 generat
5、ion 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 technol
6、ogy 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 conversio
7、n 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 ti
8、ny 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
9、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
10、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
11、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
12、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
13、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，
14、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
