李昌琪

摘要：隨著智能手機(jī)等電子設(shè)備日漸成為我國民眾標(biāo)配，人們對電力能源的需求逐漸上升到了一個(gè)新的高度，占用空間小、可自主發(fā)電的設(shè)備開始受到業(yè)界廣泛關(guān)注?；诖耍疚木统潆姺浪O(shè)計(jì)思路展開分析，并圍繞充電防水鞋實(shí)現(xiàn)原理，對充電防水鞋的實(shí)現(xiàn)進(jìn)行了詳細(xì)論述，希望由此能夠?yàn)橄嚓P(guān)業(yè)內(nèi)人士帶來一定啟發(fā)。

關(guān)鍵字：充電防水鞋；壓電效應(yīng)；發(fā)電機(jī)

前言：

作為人類最基本的活動(dòng)方式，步行屬于人們?nèi)粘Ｉ畹闹匾M成部分，而考慮到智能手機(jī)等移動(dòng)電子設(shè)備對移動(dòng)電源的天然需求，本文研究了一種能夠?yàn)樾⌒驮O(shè)備充電的防水鞋子，該鞋子能夠在人們正常行走中始終處于產(chǎn)電和儲電狀態(tài)，由此就能夠較好滿足人們對移動(dòng)電源的需求，同時(shí)實(shí)現(xiàn)的節(jié)能減排對我國資源節(jié)約型、環(huán)境友好型社會(huì)的創(chuàng)建也將帶來較為積極影響。

1.充電防水鞋設(shè)計(jì)思路

結(jié)合國內(nèi)外圍繞充電鞋子開展的研究，筆者在充電防水鞋的設(shè)計(jì)中首先想到的是在鞋子底部安裝可儲電的電池組，并配合安裝小型發(fā)電裝置，由此就能夠?qū)崿F(xiàn)人們行走過程中的發(fā)電存儲，而必要時(shí)候電池組還能夠與家庭用電相連進(jìn)行充電，這樣就進(jìn)一步提升了充電防水鞋的實(shí)用性。不過在小型發(fā)電裝置的選擇上，由于學(xué)界存在多種實(shí)踐性較高的步行發(fā)電技術(shù)，因此技術(shù)的選擇在一定程度上影響了充電防水鞋的設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)。

2.充電防水鞋實(shí)現(xiàn)原理

2.1壓電效應(yīng)

一些壓電晶體會(huì)因受到外力施加的壓力在表面產(chǎn)生電荷，而這種壓電效應(yīng)便為充電防水鞋的實(shí)現(xiàn)提供了契機(jī)，這是由于人類步行中人體腳會(huì)始終向鞋子施加壓力，因此應(yīng)用壓電晶體便能夠輕松完成充電防水鞋小型發(fā)電裝置的設(shè)計(jì)。壓電陶瓷是我國當(dāng)下應(yīng)用較為廣泛的一種壓電晶體材料，其本身屬于一種具有壓電效應(yīng)的鐵電陶瓷，其在外力作用下產(chǎn)生的形狀變化將使自身表面產(chǎn)生電荷。不過在筆者的深入研究中發(fā)現(xiàn)，將壓電陶瓷設(shè)計(jì)為充電防水鞋小型發(fā)電裝置雖然能夠滿足充電防水鞋的發(fā)電需要，但由于人們行走過程中的步頻對壓電陶瓷施加的壓力不均勻，這就使得壓電陶瓷所產(chǎn)生的交流電也將出現(xiàn)不均勻特性，這類交流電的具體應(yīng)用則需要進(jìn)行較為繁復(fù)的處理，這點(diǎn)一定程度上降低了其實(shí)踐價(jià)值[1]。

2.2發(fā)電機(jī)

將機(jī)械能量轉(zhuǎn)換為電能量屬于發(fā)電機(jī)的基本原理，而結(jié)合這一原理不難發(fā)現(xiàn)，人們的行走過程能夠?qū)π赢a(chǎn)生間歇性壓力，由此作用于齒條帶動(dòng)齒輪運(yùn)動(dòng)并最終帶動(dòng)發(fā)電機(jī)線圈轉(zhuǎn)動(dòng)，鞋子中的發(fā)電機(jī)便能夠?qū)崿F(xiàn)發(fā)電。發(fā)電機(jī)的發(fā)電實(shí)現(xiàn)應(yīng)用了人體行走過程產(chǎn)生的作用力，由此產(chǎn)生的電力能源便具備著節(jié)能環(huán)保的優(yōu)點(diǎn)。不過在筆者的深入調(diào)查中發(fā)現(xiàn)，整套發(fā)電系統(tǒng)的使用較為復(fù)雜且占用面積較大、重量也較大，而基于能量守恒定律由發(fā)電機(jī)實(shí)現(xiàn)的發(fā)電也將加大人行走過程的能量消耗，充電防水鞋的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值因此便將大大下降。

2.3“塞貝克”效應(yīng)

很多鞋子雖然能夠?yàn)槿藗兲峁┍憷姆?wù)，但穿著過程中產(chǎn)生的熱量卻往往影響人們的穿鞋體驗(yàn)，而“塞貝克”效應(yīng)則能夠通過收集鞋子穿著過程中產(chǎn)生的熱量進(jìn)行發(fā)電。在應(yīng)用“塞貝克”效應(yīng)實(shí)現(xiàn)的鞋子發(fā)電工程中，該效應(yīng)需要得到p型和n型半導(dǎo)體材料制成的熱點(diǎn)模塊支持，該模塊需要將熱電偶連接在一起形成熱電堆，由此腳步熱能和地面冷能通過陶瓷薄片便能夠激發(fā)“塞貝克”效應(yīng)，鞋子也能夠由此實(shí)現(xiàn)步行發(fā)電。不過在筆者的深入調(diào)查中發(fā)現(xiàn)，基于“塞貝克效應(yīng)”開展的鞋子發(fā)電效率較低，人們一天的步行量僅能夠滿足智能手機(jī)60mim的通話需要，這顯然制約了該效應(yīng)在本文研究中的應(yīng)用潛力。此外，“塞貝克”效應(yīng)的應(yīng)用對鞋子的保溫性要求較高，由此帶來的穿著舒適度影響也不應(yīng)被忽視[2]。

3.充電防水鞋的實(shí)現(xiàn)

綜合分析壓電效應(yīng)、發(fā)電機(jī)、“塞貝克”效應(yīng)三方面充電防水鞋實(shí)現(xiàn)思路，本文最終選擇了壓電效應(yīng)和發(fā)電機(jī)兩種發(fā)電方式開展了復(fù)合式充電防水鞋的設(shè)計(jì)，由此即可保證發(fā)電機(jī)正轉(zhuǎn)和反轉(zhuǎn)均在發(fā)電，壓電陶瓷的合理布置也將避免交流電不均勻問題的出現(xiàn)，由此充電防水鞋的發(fā)電效率便能夠得到較好保障。

3.1整體框架實(shí)現(xiàn)

充電防水鞋由鋰電池、微型直流發(fā)電機(jī)、壓電陶瓷、升壓電路、燈光照明、USB共七部分組成，其中微型直流發(fā)電機(jī)與壓電陶瓷負(fù)責(zé)充電防水鞋的發(fā)電，鋰電池則負(fù)責(zé)電源的存儲，而經(jīng)過升壓電路為鋰電池供電，鋰電池所存儲的電能便能夠通過USB裝置滿足各類電子設(shè)備的用電需要，由此充電防水鞋便實(shí)現(xiàn)了環(huán)保、技能減排的目的。

3.2硬件模塊實(shí)現(xiàn)

各硬件模塊的具體設(shè)計(jì)如下所示：（1）微型直流發(fā)電機(jī)?？紤]到微型直流發(fā)電機(jī)較小的體積和較大的發(fā)電效率，因此本文設(shè)計(jì)的充電防水鞋便將微型直流發(fā)電機(jī)安裝在了一定空間的位置之上，并通過速度控制降低充電防水鞋帶來的使用者能量消耗。（2）壓電陶瓷。上文中研究提到了壓電陶瓷產(chǎn)生的交流電電壓不穩(wěn)定，因此設(shè)計(jì)使用升壓電路實(shí)現(xiàn)了壓電陶瓷產(chǎn)生交流電的處理，鋰電池也將由此獲得4.2V標(biāo)準(zhǔn)供電。（3）鋰電池。為了保證鋰電池安全，采用了標(biāo)準(zhǔn)的過充、過放、外電路短路電流的過電保護(hù)電路，由此鋰電池危害充電防水鞋使用者安全的風(fēng)險(xiǎn)便被降到了最低。（4）升壓電路。升壓電路不僅僅需要對壓電陶瓷產(chǎn)生的交流電進(jìn)行處理，還需要將鋰電池的電壓提升了5V以此保證其能夠更好為智能手機(jī)等用電設(shè)備提供充電服務(wù)。

3.3機(jī)械模塊實(shí)現(xiàn)

在機(jī)械模塊的設(shè)計(jì)中，本文對各硬件模塊的安裝位置進(jìn)行了分配，具體分配如下所示：（1）壓電陶瓷片。考慮到人們在日常行走過程中多存在前腳先著地的習(xí)慣，因此本文設(shè)計(jì)的充電防水鞋在鞋子對應(yīng)腳趾和腳掌的位置相對多放置了壓電陶瓷片。（2）鋰電池。由于鞋子的后跟和腳掌處不常受力，因此鋰電池被放置在該部位。（3）微型直流發(fā)電機(jī)?？紤]到微型直流發(fā)電機(jī)的發(fā)電原理，因此將其放在鞋子腳后跟部位，這是由于該部位主要受力點(diǎn)活動(dòng)空間大，微型直流發(fā)電機(jī)的發(fā)電需求能夠在該部位得到較好滿足，由此實(shí)現(xiàn)的鞋子腳后跟部分微小力量通過微型直流發(fā)電機(jī)減速齒輪箱放大，即可滿足微型直流發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)需要。（4）防水。鞋底外側(cè)加裝防水，避免進(jìn)水，便能夠進(jìn)一步提升充電防水鞋的穩(wěn)定性和安全性。

3.4未來設(shè)想

為了實(shí)現(xiàn)充電防水鞋的推廣，可嘗試與體育用品、知名運(yùn)動(dòng)鞋品牌進(jìn)行合作，通過商品化降低制造成本、提升應(yīng)用效果，充電防水鞋的應(yīng)用前景便能夠進(jìn)一步開闊。此外，充電防水鞋在推廣過程中還可以采用以舊換新等手段，這樣其生產(chǎn)成本得以實(shí)現(xiàn)更好降低，充電防水鞋的環(huán)保特性也將實(shí)現(xiàn)更好提升。

結(jié)論：

綜上所述，本文所研究的充電防水鞋具備較高的應(yīng)用潛力，文章的第三點(diǎn)便直觀說明了這一認(rèn)知。而在此基礎(chǔ)上，本文涉及的壓電效應(yīng)、發(fā)電機(jī)、“塞貝克”效應(yīng)、機(jī)械模塊實(shí)現(xiàn)等內(nèi)容，則證明了研究的實(shí)踐價(jià)值與理論價(jià)值。因此，在相關(guān)理論研究和實(shí)踐探索中，本文內(nèi)容便能夠發(fā)揮一定程度的參考作用。

參考文獻(xiàn)：

[1]虞周凱，傅文珍，辛欣欣.“發(fā)電鞋”的研究綜述[J].硅谷，2015，804：71+81.

[2].德國科學(xué)家研制出“發(fā)電鞋”[J].企業(yè)技術(shù)開發(fā)，2015，3407：116.