CN106356973B - 压电陶瓷纤维发电系统、发电鞋和发电轮胎 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种压电陶瓷纤维发电系统、发电鞋和发电轮胎，涉及压电回收转化技术领域。该压电陶瓷纤维发电系统包括压电陶瓷纤维驱动器、电能收集系统、电能存储系统和电能使用系统；压电陶瓷纤维驱动器包括压电陶瓷纤维复合材料；电能收集系统与压电陶瓷纤维驱动器电连接、用于收集压电陶瓷纤维复合材料产生的电能；电能存储系统与电能收集系统电连接、用于存储电能收集系统收集的电能；电能使用系统与电能存储系统电连接、用于利用电能存储系统存储的电能工作。该压电陶瓷纤维发电系统能够利用压电陶瓷纤维复合材料形变产生电能，并最终供其他电器设备使用，从而有效地将废弃的机械能转化为电能。
Description
技术领域
本发明涉及压电回收转化技术领域，具体而言，涉及一种压电陶瓷纤维发电系统、发电鞋和发电轮胎。
背景技术
日常生活中，人在运动时，例如走动或跑步时，鞋子的底部会发生弯曲产生机械能。此外，对于一些运动部件，其在工作过程中也会产生机械能，例如，车辆轮胎在转动过程中会发生变形，会产生机械能。不论是鞋子还是轮胎产生的机械能会白白的流失在空气中。也就是说，现有的鞋子和轮胎等运动部件都未能收集、利用其产生的机械能，导致了能量的浪费。
因此，设计一种能够自动收集、利用由于部件弯曲变形产生的机械能而发电的系统是目前急需解决的技术问题。
发明内容
本发明的目的在于提供一种压电陶瓷纤维发电系统、发电鞋和发电轮胎，其旨在解决现有的鞋子或轮胎或其他运动部件不能自动收集、利用其自身产生的机械能而发电的技术问题。
本发明提供的一种技术方案：一种压电陶瓷纤维发电系统包括压电陶瓷纤维驱动器、电能收集系统、电能存储系统和电能使用系统；
所述压电陶瓷纤维驱动器包括压电陶瓷纤维复合材料、第一电极、第二电极、第一接头和第二接头；所述第一电极与所述第二电极间隔绝缘设置在所述压电陶瓷纤维复合材料的一侧；所述第一接头和所述第二接头间隔绝缘设置在所述压电陶瓷纤维复合材料的另一侧；
所述电能收集系统分别与所述第一接头和所述第二接头电连接、用于收集所述压电陶瓷纤维复合材料产生的电能；
所述电能存储系统与所述电能收集系统电连接、用于存储所述电能收集系统收集的电能；
所述电能使用系统与所述电能存储系统电连接、用于利用所述电能存储系统存储的电能工作。
进一步的，所述压电陶瓷纤维复合材料包括压电陶瓷和纤维材料；所述压电陶瓷纤维复合材料由所述纤维材料与粉末状的所述压电陶瓷复合而成；所述压电陶瓷纤维驱动器还包括树胶载体，所述树胶载体用于支撑所述压电陶瓷纤维复合材料。
进一步的，所述电能收集系统包括半导体、电容器和调节器；所述半导体包括四个连接端，所述半导体相对的两个所述连接端分别与所述第一接头和所述第二接头电连接；所述半导体的另外两个所述连接端分别与所述调节器的两端电连接；所述电容器的两端分别与所述调节器的两端电连接；所述调节器的两端与所述电能存储系统电连接。
进一步的，所述电能存储系统为电池块；所述电池块包括正极和负极；所述正极和所述负极与所述电能使用系统电连接。
进一步的，所述电能使用系统包括电路元件、压控开关和USB接口；所述电路元件、所述压控开关和所述USB接口串联连接在所述电能存储系统的两端。
进一步的，所述压控开关包括按压板、支撑板、弹簧、连接柱、针尖接头、开关盒和连接端；所述按压板与所述支撑板间隔平行设置；所述连接柱垂直固定在所述按压板上靠近所述支撑板的一侧、并贯穿所述支撑板；所述针尖接头固定在所述连接柱贯穿所述支撑板的一端；所述弹簧套设在所述连接柱上、并位于所述按压板与所述支撑板之间；所述开关盒支撑于所述支撑板远离所述按压板的一侧；所述针尖接头插入所述开关盒的内部；所述连接端设置在所述开关盒内部、并位于所述针尖接头的轴线方向上；所述连接端和所述针尖接头用于连接导线。
进一步的，所述压电陶瓷纤维驱动器还包括保护板；所述压电陶瓷纤维复合材料设置在所述保护板上。
本发明提供的另一种技术方案：一种发电鞋包括鞋面、鞋底和上述的压电陶瓷纤维发电系统；所述鞋底为中空结构；所述压电陶瓷纤维驱动器、所述电能收集系统和所述电能存储系统设置在所述鞋底的内部，所述电能使用系统设置在所述鞋底的外部。
进一步的，所述鞋底包括顶壁和底壁，所述发电鞋还包括刚度保护元件和阻尼保护元件；所述刚度保护元件和所述阻尼保护元件均连接在所述顶壁和所述底壁之间。
本发明提供的另一种技术方案：一种发电轮胎包括轮胎主体和上述的压电陶瓷纤维发电系统；所述压电陶瓷纤维驱动器、所述电能收集系统和所述电能存储系统设置在所述轮胎主体的内部，所述电能使用系统设置在所述轮胎主体的外部。
本发明提供的压电陶瓷纤维发电系统的有益效果是：能够有效地利用压电陶瓷纤维复合材料的压电性能，即将形变产生的机械能转化为电能的特性，将废弃的机械能转化为电能用于储存或直接使用，达到了能量回收的效果。
本发明提供的发电鞋的有益效果是：能够将人在运动跑步时、发电鞋弯曲变形产生的机械能有效地转化为电能用于储存或直接使用，不仅可以为发电鞋内部的电路元件供电，也可以为生活中常见的智能设备进行充电。
本发明提供的发电轮胎的有益效果是：能够将发电轮胎转动时变形产生的机械能有效地转化为电能用于储存或直接使用，不仅可以为发电轮胎内部的电路元件供电，也可以为生活中常见的智能设备进行充电。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。
图1为本发明第一实施例提供的发电鞋的结构示意图。
图2为图1中压电陶瓷纤维发电系统的结构示意图。
图3为图2中压电陶瓷纤维驱动器的结构示意图。
图4为图2中压电陶瓷纤维发电系统在鞋底内部的装配结构示意图。
图5为图2中压控开关的结构示意图。
图标：100-发电鞋；200-鞋面；300-鞋底；301-顶壁；302-底壁；400-压电陶瓷纤维发电系统；410-压电陶瓷纤维驱动器；411-压电陶瓷纤维复合材料；4111-压电陶瓷；4112-纤维材料；412-第一电极；413-第二电极；414-第一接头；415-第二接头；416-保护板；417-树胶载体；420-电能收集系统；421-半导体；422-电容器；423-调节器；430-电能存储系统；440-电能使用系统；441-电路元件；442-压控开关；4421-按压板；4422-支撑板；4423-弹簧；4424-连接柱；4425-针尖接头；4426-开关盒；4427-连接端；443-USB接口；500-刚度保护元件；600-阻尼保护元件。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。
因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，或者是该发明产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，或者是本领域技术人员惯常理解的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的设备或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
此外，术语“第一”、“第二”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
在本发明的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“设置”、“安装”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
第一实施例
图1为本发明第一实施例提供的发电鞋的结构示意图，请参阅图1。
本实施例提供的发电鞋100包括鞋面200、鞋底300和压电陶瓷纤维发电系统400。鞋底300为中空结构，并采用人工橡胶材料制成。压电陶瓷纤维发电系统400安装在鞋底300的内部、并延伸至鞋底300的外部，用于将鞋底300在弯曲变形过程中产生的机械能转化为电能、并供其他电器或电子设备使用。
图2为图1中压电陶瓷纤维发电系统400的结构示意图，请参阅图2。
压电陶瓷纤维发电系统400包括压电陶瓷纤维驱动器410、电能收集系统420、电能存储系统430和电能使用系统440。压电陶瓷纤维驱动器410包括压电陶瓷纤维复合材料411(MFC)、第一电极412、第二电极413、第一接头414、第二接头415和保护板416。第一电极412与第二电极413间隔绝缘设置在压电陶瓷纤维复合材料411的一侧。第一接头414和第二接头415间隔绝缘设置在压电陶瓷纤维复合材料411的另一侧。压电陶瓷纤维复合材料411设置在保护板416上。保护板416采用钢板材料制成。
电能收集系统420分别与第一接头414和第二接头415电连接、用于收集压电陶瓷纤维复合材料411产生的电能。电能存储系统430与电能收集系统420电连接、用于存储电能收集系统420收集的电能。电能使用系统440与电能存储系统430电连接、用于利用电能存储系统430存储的电能工作。
电能存储系统430为电池块。电池块包括正极和负极。正极和负极与电能使用系统440电连接。电能使用系统440包括电路元件441、压控开关442和USB接口443。电路元件441、压控开关442和USB接口443串联连接在电能存储系统430的两端。
容易理解的是，压电陶瓷纤维驱动器410、电能收集系统420和电能存储系统430均设置在鞋底300的内部，电能使用系统440设置在鞋底300的外部。这样可以防止作为电能存储系统430的电池块受潮。
图3为图2中压电陶瓷纤维驱动器410的结构示意图，请参阅图3。
压电陶瓷纤维复合材料411包括压电陶瓷4111和正交异性的纤维材料4112(图3中虚线所示)。压电陶瓷纤维复合材料411由纤维材料4112与粉末状的压电陶瓷4111复合而成，使压电陶瓷纤维复合材料411具有良好的韧性。纤维材料4112还可通过添加同质环氧树脂层进行加固。第一电极412与第二电极413正对设置。在第一电极412与第二电极413的作用下，压电陶瓷纤维复合材料411弯曲变形时，将产生电荷、并通过第一接头414和第二接头415输出、产生电流。
压电陶瓷纤维驱动器410还包括树胶载体417。树胶载体417用于支撑压电陶瓷纤维复合材料411。
图4为图2中压电陶瓷纤维发电系统400在鞋底300内部的装配结构示意图，请参阅图4。
鞋底300包括顶壁301和底壁302。发电鞋100还包括刚度保护元件500和阻尼保护元件600。刚度保护元件500和阻尼保护元件600均连接在顶壁301与底壁302之间，起到保持鞋底300的刚度和韧性的作用。压电陶瓷纤维驱动器410夹持在顶壁301与底壁302之间。
电能收集系统420包括半导体421、电容器422和调节器423。半导体421包括四个连接端，半导体421相对的两个连接端分别与第一接头414和第二接头415电连接。半导体421的另外两个连接端分别与调节器423的两端电连接。电容器422的两端分别与调节器423的两端电连接，起到限压、保护电路的作用。调节器423的两端与电能存储系统430电连接。
图5为图2中压控开关442的结构示意图，请参阅图5。
压控开关442包括按压板4421、支撑板4422、弹簧4423、连接柱4424、针尖接头4425、开关盒4426和连接端4427。按压板4421与支撑板4422间隔平行设置。连接柱4424垂直固定在按压板4421上靠近支撑板4422的一侧、并贯穿支撑板4422。针尖接头4425固定在连接柱4424贯穿支撑板4422的一端。弹簧4423套设在连接柱4424上、并位于按压板4421与支撑板4422之间。开关盒4426支撑于支撑板4422远离按压板4421的一侧。针尖接头4425插入开关盒4426的内部。连接端4427设置在开关盒4426内部、并位于针尖接头4425的轴线方向上。连接端4427和针尖接头4425用于连接导线。
压控开关442的工作原理在于：按下按压板4421使针尖接头4425与连接端4427接触，即可使连接端4427和针尖接头4425各自连接的导线导通。松开按压板4421后，弹簧4423将按压板4421向上推进，使针尖接头4425与连接端4427分离，从而使导线断开连接。
本实施例提供的发电鞋100的工作原理：
人行走时，发电鞋100的鞋底300会发生弯曲形变，鞋底300内部的压电陶瓷纤维复合材料411也会发生相应的形变。压电陶瓷纤维复合材料411具有压电性能，其在形变时会产生一定的正负电荷。产生的正负电荷由电能收集系统420转化为直流电流。直流电流可以形成电能储存在电能存储系统430中，也可以直接供给电能使用系统440，其他电器或电子设备可连接在电能使用系统440的USB接口443上充电。这样，压电陶瓷纤维发电系统400即完成了将发电鞋100内产生的机械能转化为电能，达到了能量回收的效果。
第二实施例
本实施例提供的发电轮胎包括轮胎主体和第一实施例中的压电陶瓷纤维发电系统400。压电陶瓷纤维发电系统400的压电陶瓷纤维驱动器410、电能收集系统420和电能存储系统430设置在轮胎主体的内部，电能使用系统440设置在轮胎主体的外部。压电陶瓷纤维发电系统400与轮胎主体之间的具体设置形式与第一实施例中压电陶瓷纤维发电系统400与鞋底300之间的设置形式相似，这里不再赘述。
本实施例提供的发电轮胎在转动过程中会发生形变，其内部的压电陶瓷纤维复合材料411会相应发生形变、产生电荷，从而实现与第一实施例中的发电鞋100类似的效果。
以上仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (4)
1.一种发电鞋，包括鞋面和鞋底，其特征在于，还包括压电陶瓷纤维发电系统；所述鞋底为中空结构；所述压电陶瓷纤维发电系统包括压电陶瓷纤维驱动器、电能收集系统、电能存储系统和电能使用系统；所述压电陶瓷纤维驱动器、所述电能收集系统和所述电能存储系统设置在所述鞋底的内部，所述电能使用系统设置在所述鞋底的外部；所述鞋底包括顶壁和底壁，所述发电鞋还包括刚度保护元件和阻尼保护元件；所述刚度保护元件和所述阻尼保护元件均连接在所述顶壁和所述底壁之间；
所述压电陶瓷纤维驱动器包括压电陶瓷纤维复合材料、保护板、第一电极、第二电极、第一接头和第二接头；所述第一电极与所述第二电极间隔绝缘设置在所述压电陶瓷纤维复合材料的一侧；所述第一接头和所述第二接头间隔绝缘设置在所述压电陶瓷纤维复合材料的另一侧；所述压电陶瓷纤维复合材料设置在所述保护板上；
所述电能收集系统分别与所述第一接头和所述第二接头电连接、用于收集所述压电陶瓷纤维复合材料产生的电能；
所述电能存储系统与所述电能收集系统电连接、用于存储所述电能收集系统收集的电能；
所述电能使用系统与所述电能存储系统电连接、用于利用所述电能存储系统存储的电能工作；
所述电能使用系统包括电路元件、压控开关和USB接口；所述电路元件、所述压控开关和所述USB接口串联连接在所述电能存储系统的两端；
所述压控开关包括按压板、支撑板、弹簧、连接柱、针尖接头、开关盒和连接端；所述按压板与所述支撑板间隔平行设置；所述连接柱垂直固定在所述按压板上靠近所述支撑板的一侧、并贯穿所述支撑板；所述针尖接头固定在所述连接柱贯穿所述支撑板的一端；所述弹簧套设在所述连接柱上、并位于所述按压板与所述支撑板之间；所述开关盒支撑于所述支撑板远离所述按压板的一侧；所述针尖接头插入所述开关盒的内部；所述连接端设置在所述开关盒内部、并位于所述针尖接头的轴线方向上；所述连接端和所述针尖接头用于连接导线。
2.根据权利要求1所述的发电鞋，其特征在于，所述压电陶瓷纤维复合材料包括压电陶瓷和纤维材料；所述压电陶瓷纤维复合材料由所述纤维材料与粉末状的所述压电陶瓷复合而成；所述压电陶瓷纤维驱动器还包括树胶载体，所述树胶载体用于支撑所述压电陶瓷纤维复合材料。
3.根据权利要求1所述的发电鞋，其特征在于，所述电能存储系统为电池块；所述电池块包括正极和负极；所述正极和所述负极与所述电能使用系统电连接。
4.一种发电轮胎，包括轮胎主体，其特征在于，还包括压电陶瓷纤维发电系统；所述压电陶瓷纤维发电系统包括压电陶瓷纤维驱动器、电能收集系统、电能存储系统和电能使用系统；
所述压电陶瓷纤维驱动器包括压电陶瓷纤维复合材料、保护板、第一电极、第二电极、第一接头和第二接头；所述第一电极与所述第二电极间隔绝缘设置在所述压电陶瓷纤维复合材料的一侧；所述第一接头和所述第二接头间隔绝缘设置在所述压电陶瓷纤维复合材料的另一侧；所述压电陶瓷纤维复合材料设置在所述保护板上；
所述电能收集系统分别与所述第一接头和所述第二接头电连接、用于收集所述压电陶瓷纤维复合材料产生的电能；
所述电能存储系统与所述电能收集系统电连接、用于存储所述电能收集系统收集的电能；
所述电能使用系统与所述电能存储系统电连接、用于利用所述电能存储系统存储的电能工作；
所述电能使用系统包括电路元件、压控开关和USB接口；所述电路元件、所述压控开关和所述USB接口串联连接在所述电能存储系统的两端；
所述压控开关包括按压板、支撑板、弹簧、连接柱、针尖接头、开关盒和连接端；所述按压板与所述支撑板间隔平行设置；所述连接柱垂直固定在所述按压板上靠近所述支撑板的一侧、并贯穿所述支撑板；所述针尖接头固定在所述连接柱贯穿所述支撑板的一端；所述弹簧套设在所述连接柱上、并位于所述按压板与所述支撑板之间；所述开关盒支撑于所述支撑板远离所述按压板的一侧；所述针尖接头插入所述开关盒的内部；所述连接端设置在所述开关盒内部、并位于所述针尖接头的轴线方向上；所述连接端和所述针尖接头用于连接导线；
所述压电陶瓷纤维驱动器、所述电能收集系统和所述电能存储系统设置在所述轮胎主体的内部，所述电能使用系统设置在所述轮胎主体的外部。
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