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摘 要 鞋底发电技术是目前较流行的一种实用技术，它是利用发电机原理，将人们在步行时候的动能转化为电能。只要人在行走就会产生电能。电能经过电源处理电路存在小电池中。本文阐述了鞋底发电技术的基本原理，对比分析了三种现有的鞋底发电技术，对每一种鞋底发电技术进行了可实施的结构论证，为后续研究提供有利证据。
关键词 发电鞋；步行；压电晶片
中图分类号：TN384 文献标识码：A 文章编号：1671-7597（2015）04-0071-01
步行是人类最基本的活动方式之一，也是日常生活中不可缺少的部分。步行对人类健康的关系早被人们所认识，如步行可防治心脑血管疾病、高血压、糖尿病、癌症等疾病；步行还可减轻精神压力，消除不安和抑郁感等[1]。在人们独自外出步行锻炼身体时经常会感到孤独，老年人一般随身携带收音机来排遣孤独，中年人一般戴耳机听歌，年轻人则通过手机分散注意力。不管什么方式都存在电源难以解决的问题；MP3、MP4存在充电时间的影响，现在的智能手机功能虽强大，但续航时间一直难以解决[2]。为减小充电时间对电子娱乐设备的影响，近些年的旅行快速充电器很受多数人的欢迎，车载充电器的发展也给不少人带来方便。同样存在的问题便是寻找电源，现在一些大型公共场所都不设有外带插座，即使有旅行快速充电器也无法发挥其功能；有的地方虽带有墙面插座，但处在比较公开的地方，充电时的安全又成为新的问题。还有靠手捏的动能转化为电能的充电方式，虽能排遣短时间运行，但时间稍长就会感觉烦躁，加上容量较小难以适应人们的要求。
为解决移动电源的不足，满足人们更高要求的需要，做到时常为移动电源补充电能，减少外界充电环境对电池充电的影响，本文探索研究了一种能及时补充电能的鞋底发电装置。鞋底发电装置是将人在步行时候的动能转化为电能，只要人在行走就会产生电能，电能经过电源处理电路存在小电池中，当小电池蓄电达到饱和时给出蜂鸣提示。小电池可自由取出，并可直接插入到移动电源里面完成电能的转移，每一个移动电源里面都是有这种电池作为蓄电单元。通过将人们行走时的重力势能转化为电能，最后经移动电源输出供给电子设备使用，不仅延长电子设备的使用时间、给充电带来方便，还有效促进了人们步行，达到节能减排的效果。
1 鞋底发电技术基本原理及结构研究
发电机实质是变化的磁场产生电，静止的磁场没有电。利用这一原理可将鞋底发电系统按照结构及材料使用的不同分为以下两种：微型发电机系统、直接利用条形磁铁运动时切割导体产生电能。除以上两种利用发电机原理进行鞋底发电外，还有一种利用压电晶片，直接将步行的动能转化为电能。下面分别对三种不同结构的鞋底发电系统进行分析与比较：
第一种微型发电系统，其结构和动力发电机一样，具有齿轮传动组合、变速箱、小型发动机等主要结构。
鞋底微型发电系统，是当步行抬脚时弹簧属于无压缩状态，整个系统不受力；当脚落地时，弹簧受压紧推齿轮组合的主动轮转动，从而带动从动轮转动起来，为了使发动发挥更好的动力特性，在发动机和齿轮组合间加一个变速箱，最后在变速箱控制下发动机按照一定速度转动起来，从而在发动机定子线圈上产生一定电压和电流，经过储能装置就能将此由步行动力产生的电能储存起来。具体齿轮组合，即本鞋底微型发电机的主要机械结构。
第二种鞋底发电系统与第一种原理相同，都是通过外力将发动机高速旋转将动能转化为电能，其原理是闭合导线的磁通发生变化，改变闭合导线的磁通可以在导线里面产生电能，且对磁通减小形式没有要求，只要求磁通总量有所减小。将此发电原理运用到步行中，在鞋底增加一个可微小活动的部件，在活动部件里面加入磁铁，在不活动的地方加上线圈。当人们步行时，人体重力势能促使活动部件有运动，活动部件带动磁铁一起运动，磁铁运动时就会改变线圈的磁通，进而是线圈产生电能。再在鞋底增设一个电能处理电路，将产生的电能收集下来，作为移动电源的蓄电单元，最后作为电子设备的电源保障。
本鞋底发电系统有鞋底架和活动部件构成。此鞋底活动件上面装有磁铁，在鞋底架上装有电磁线圈。人们在行走时候脚和地面不断的紧压和分离，这个过程会引起鞋底活动件运动，进而带动磁铁一起运动。磁铁的运动改变了电磁线圈的磁通，电磁线圈便会产生电能，产生的电能经过电源处理电路后存储在蓄电池中。
普通鞋底结构一般是鞋跟部分高出前面脚心一定位置，在鞋跟上面的部分一般做成网格式的空心减压结构或填充其他物质来增加高度。本文设计的鞋底发电装置先把鞋跟去掉，做一个可上下移动的活动鞋跟，再通过四个稳定固件来连接鞋底架。在底部分布电磁线圈，电磁线圈在运动的磁铁的作用下产生电能；在原来的填充物位置装上电源处理电路和蓄电池，将发出的电能处理并收集。
鞋底活动件：将原来的鞋跟改为可上下运动的活动件，当人们行走时活动件随着人脚离开和紧压地面不断运动，进而带动磁铁运动，严格限制好活动件的运动距离，可降低发电对人行走时的影响。在活动件的边沿有四个位置限定柱，这四个位置限定柱负责平衡活动件的运动，使活动件运动时不发生偏差，保证人们行走时安全；此外，这四个位置限定柱还起着调节活动件运动距离的任务。
第三种鞋底发电技术是依赖于一种叫做压振晶片的材料，此材料可将走路时对鞋底的压力直接转化为电势能输出。这种方法简单易行，但能收集到的电能较小，选择压振晶片材料也是较为讲究的。利用压振晶片的振动能量捕获还存在一些问题，如压电材料制备、高效机电耦合的研究、压电振子的优化设计及高效的电荷提取电路设计等。
2 鞋底发电充电系统介绍
鞋底由电磁线圈发出来的电流为交流电，需经过整流、滤波、降压才可连接蓄电池。当利用桥式整流时，系统就设定为脚接触地面和离开地面都要发电，此发电方式可加快电能储存速度，但在活动件中需要加入足够弹性系数的弹簧才能保证在脚离开地面时候也能发电。当整流方式为半波整流时候，系统设定为脚接触地面或离开地面时候发电，发电速度减小为全波的一半，此种发电方式有利于内部弹簧的选择，加强了接卸结构的牢固性能。
参考文献
[1]向剑锋，李之俊，刘欣.步行与健康研究进展[J].中国运动医学杂志，2009，9（5）：575-580.
[2]余国华.Cd-Ni蓄电池在铁道系统中的应用[J].电池工业，2000，5（1）：27-30.
关键词 发电鞋；步行；压电晶片
中图分类号：TN384 文献标识码：A 文章编号：1671-7597（2015）04-0071-01
步行是人类最基本的活动方式之一，也是日常生活中不可缺少的部分。步行对人类健康的关系早被人们所认识，如步行可防治心脑血管疾病、高血压、糖尿病、癌症等疾病；步行还可减轻精神压力，消除不安和抑郁感等[1]。在人们独自外出步行锻炼身体时经常会感到孤独，老年人一般随身携带收音机来排遣孤独，中年人一般戴耳机听歌，年轻人则通过手机分散注意力。不管什么方式都存在电源难以解决的问题；MP3、MP4存在充电时间的影响，现在的智能手机功能虽强大，但续航时间一直难以解决[2]。为减小充电时间对电子娱乐设备的影响，近些年的旅行快速充电器很受多数人的欢迎，车载充电器的发展也给不少人带来方便。同样存在的问题便是寻找电源，现在一些大型公共场所都不设有外带插座，即使有旅行快速充电器也无法发挥其功能；有的地方虽带有墙面插座，但处在比较公开的地方，充电时的安全又成为新的问题。还有靠手捏的动能转化为电能的充电方式，虽能排遣短时间运行，但时间稍长就会感觉烦躁，加上容量较小难以适应人们的要求。
为解决移动电源的不足，满足人们更高要求的需要，做到时常为移动电源补充电能，减少外界充电环境对电池充电的影响，本文探索研究了一种能及时补充电能的鞋底发电装置。鞋底发电装置是将人在步行时候的动能转化为电能，只要人在行走就会产生电能，电能经过电源处理电路存在小电池中，当小电池蓄电达到饱和时给出蜂鸣提示。小电池可自由取出，并可直接插入到移动电源里面完成电能的转移，每一个移动电源里面都是有这种电池作为蓄电单元。通过将人们行走时的重力势能转化为电能，最后经移动电源输出供给电子设备使用，不仅延长电子设备的使用时间、给充电带来方便，还有效促进了人们步行，达到节能减排的效果。
1 鞋底发电技术基本原理及结构研究
发电机实质是变化的磁场产生电，静止的磁场没有电。利用这一原理可将鞋底发电系统按照结构及材料使用的不同分为以下两种：微型发电机系统、直接利用条形磁铁运动时切割导体产生电能。除以上两种利用发电机原理进行鞋底发电外，还有一种利用压电晶片，直接将步行的动能转化为电能。下面分别对三种不同结构的鞋底发电系统进行分析与比较：
第一种微型发电系统，其结构和动力发电机一样，具有齿轮传动组合、变速箱、小型发动机等主要结构。
鞋底微型发电系统，是当步行抬脚时弹簧属于无压缩状态，整个系统不受力；当脚落地时，弹簧受压紧推齿轮组合的主动轮转动，从而带动从动轮转动起来，为了使发动发挥更好的动力特性，在发动机和齿轮组合间加一个变速箱，最后在变速箱控制下发动机按照一定速度转动起来，从而在发动机定子线圈上产生一定电压和电流，经过储能装置就能将此由步行动力产生的电能储存起来。具体齿轮组合，即本鞋底微型发电机的主要机械结构。
第二种鞋底发电系统与第一种原理相同，都是通过外力将发动机高速旋转将动能转化为电能，其原理是闭合导线的磁通发生变化，改变闭合导线的磁通可以在导线里面产生电能，且对磁通减小形式没有要求，只要求磁通总量有所减小。将此发电原理运用到步行中，在鞋底增加一个可微小活动的部件，在活动部件里面加入磁铁，在不活动的地方加上线圈。当人们步行时，人体重力势能促使活动部件有运动，活动部件带动磁铁一起运动，磁铁运动时就会改变线圈的磁通，进而是线圈产生电能。再在鞋底增设一个电能处理电路，将产生的电能收集下来，作为移动电源的蓄电单元，最后作为电子设备的电源保障。
本鞋底发电系统有鞋底架和活动部件构成。此鞋底活动件上面装有磁铁，在鞋底架上装有电磁线圈。人们在行走时候脚和地面不断的紧压和分离，这个过程会引起鞋底活动件运动，进而带动磁铁一起运动。磁铁的运动改变了电磁线圈的磁通，电磁线圈便会产生电能，产生的电能经过电源处理电路后存储在蓄电池中。
普通鞋底结构一般是鞋跟部分高出前面脚心一定位置，在鞋跟上面的部分一般做成网格式的空心减压结构或填充其他物质来增加高度。本文设计的鞋底发电装置先把鞋跟去掉，做一个可上下移动的活动鞋跟，再通过四个稳定固件来连接鞋底架。在底部分布电磁线圈，电磁线圈在运动的磁铁的作用下产生电能；在原来的填充物位置装上电源处理电路和蓄电池，将发出的电能处理并收集。
鞋底活动件：将原来的鞋跟改为可上下运动的活动件，当人们行走时活动件随着人脚离开和紧压地面不断运动，进而带动磁铁运动，严格限制好活动件的运动距离，可降低发电对人行走时的影响。在活动件的边沿有四个位置限定柱，这四个位置限定柱负责平衡活动件的运动，使活动件运动时不发生偏差，保证人们行走时安全；此外，这四个位置限定柱还起着调节活动件运动距离的任务。
第三种鞋底发电技术是依赖于一种叫做压振晶片的材料，此材料可将走路时对鞋底的压力直接转化为电势能输出。这种方法简单易行，但能收集到的电能较小，选择压振晶片材料也是较为讲究的。利用压振晶片的振动能量捕获还存在一些问题，如压电材料制备、高效机电耦合的研究、压电振子的优化设计及高效的电荷提取电路设计等。
2 鞋底发电充电系统介绍
鞋底由电磁线圈发出来的电流为交流电，需经过整流、滤波、降压才可连接蓄电池。当利用桥式整流时，系统就设定为脚接触地面和离开地面都要发电，此发电方式可加快电能储存速度，但在活动件中需要加入足够弹性系数的弹簧才能保证在脚离开地面时候也能发电。当整流方式为半波整流时候，系统设定为脚接触地面或离开地面时候发电，发电速度减小为全波的一半，此种发电方式有利于内部弹簧的选择，加强了接卸结构的牢固性能。
参考文献
[1]向剑锋，李之俊，刘欣.步行与健康研究进展[J].中国运动医学杂志，2009，9（5）：575-580.
[2]余国华.Cd-Ni蓄电池在铁道系统中的应用[J].电池工业，2000，5（1）：27-30.