CN210578305U - 一种鞋式发电装置 - Google Patents
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Abstract
本实用新型适用于新能源领域，提供了一种鞋式发电装置，装置是由宽频俘能模块和能量收集模块组成，通过俘能模块将人在运动过程中产生的动能转换成电能，经过能量收集模块对电能进行转化、存储，可供外部低功耗微电子设备使用。解决了传统电池体积大、寿命有限、材料浪费、污染环境等缺陷。发电装置结构简单、抗干扰能力强、无污染、易加工、可实现便携化和可穿戴等突出特点，利于环境友好、能源可持续发展，推进了微电子产品自供电的发展进程。
Description
技术领域
本实用新型属于新能源制备领域，尤其涉及一种鞋式发电装置。即可将人在运动过程中产生的机械能转化成电能，经过能量管理电路进行能量转化、存储，供外部微电子设备使用。
背景技术
近年来，微电子设备和可穿戴传感器发展迅速，广泛应用于医疗卫生、航天航空、汽车交通、国防军工等各个方面。然而微电子设备的主要供电源仍然是电化学电池。由于电化学电池体积大，不利于电子设备微型化；使用寿命有限，定期更换电池会带来很多麻烦，诸如浪费材料和污染环境等，所以传统电池已不能满足当前微电子设备的需求。由此，有必要研究一种可持续的便携式电源-可穿戴式能量俘能器，可将环境中的机械能转换为电能。
为了更多得收集人在运动过程中产生的能量，需要设计一种共振频率较低、频带较宽的压点发电装置。
实用新型内容
本实用新型所要解决的技术问题在于提供了一种鞋式发电装置，从环境中收集能量，不仅解决了能源可持续发展问题，并且利于环境友好，便于获得。
本实用新型是这样实现的，一种鞋式发电装置，该装置包括：
宽频俘能模块以及能量收集模块组成，宽频俘能模块安装在鞋底夹层中，能量收集模块安装在鞋舌中，通过宽频俘能模块收集人运动过程中产生的动能，将动能转换成电能，输出交流电信号，通过能量收集模块将交流电信号转化成直流电信号，供外部微电子设备使用；所述宽频俘能模块输出的电信号直接输送到能量收集模块进行整流、滤波以及存储。
进一步地，所述能量收集模块为柔性集成电路板。
进一步地，宽频俘能模块包括一组PVDF压电薄膜传感器、弹簧、支点以及杠杆，所述PVDF压电薄膜传感器采用多悬臂梁多质量块结构，包括长度不一的PVDF压电薄膜之间采用并联连接方式；弹簧通过支点固定在杠杆的一端，杠杆的另一端搭在PVDF压电薄膜传感器上，当弹簧由于脚踏被压缩时会带动杠杆，杠杆用来放大走路过程使弹簧压缩的位移量，使得位移量足以拨动PVDF 压电薄膜传感器，随着运动对PVDF压电薄膜传感器的拨动，会产生持续的电荷，通过导线供给能量收集模块。
进一步地，所述PVDF压电薄膜传感器采用多悬臂梁多质量块结构包括三片悬臂梁结构的PVDF压电薄膜传感器并联连接，每片PVDF压电薄膜传感器上固定三个质量块，悬臂梁结构的基底是由一端固定、另一端自由振荡的弹性塑料构成。
进一步地，三个PVDF压电薄膜传感器的中间PVDF压电薄膜传感器比两侧PVDF压电薄膜传感器长并且覆盖在两侧PVDF压电薄膜传感器。
进一步地，所述PVDF压电膜传感器由两片具有悬臂梁结构的弹性基底和夹在两弹性基底中间的PVDF压电薄膜组成。
进一步地，所述能量收集模块采用LTC3588-1芯片为主体。
本实用新型与现有技术相比，有益效果在于：
本实用新型的发电装置通过压电原理将人运动过程中产生机械能转换成电能，易加工、无电磁干扰；另外，本发电装置采用的悬臂梁结构，不仅结构简单，而且兼容于微电子机械系统，可以达到低频、宽频的效果；应用的能量收集电路提高了能量的转换效率，改善了电路的集成度，实现电路板集成化、微型化。
本新型具有低共振频率、宽谐振频带特点。提高能量转换效率的同时也提高了电路的集成度，实现了便携式、小型化。
附图说明
图1是本实用新型的一种鞋式发电装置一模块框图；
图2是本实用新型宽频俘能模块结构示意图；
图3是本实用新型的PVDF压电薄膜传感器的结构示意图；
图4是本实用新型的能量收集电路图。
具体实施方式
为了使本实用新型的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本实用新型进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本实用新型，并不用于限定本实用新型。
图1是本实用新型的一种鞋式发电装置的应用示意图。
如图1所示，本实用新型的一种鞋式发电装置包括：宽频俘能模块和能量收集模块。利用压电原理，通过悬臂梁结构的宽频俘能器将人走路过程中产生的机械能转换为交流电信号，能量收集电路对交流电信号进行电压放大、整流、滤波、稳压、存储等处理，最后将输出的稳定直流电信号作为电源直接作用于外部微电子设备，为其供电。
如图2结合图3所示，本实用新型宽频俘能模块由一组PVDF压电薄膜传感器(11、12、13)、弹簧2、支点3、杠杆4组成。PVDF压电薄膜传感器采用多悬臂梁多质量块结构，PVDF压电膜传感器由两片具有悬臂梁结构的弹性基底6和夹在两弹性基底6中间的PVDF压电薄膜8组成，弹性基底6与PVDF 压电薄膜8具有电极层7。悬臂梁结构的基底1是由一端固定、另一端自由振荡的弹性塑料构成。将三片悬臂梁结构的PVDF压电薄膜传感器并联连接，每片PVDF压电薄膜传感器上固定三个质量块5，三片PVDF压电薄膜传感器的长度不一；弹簧固定在杠杆的一端，固定点也称为支点，这里的弹簧在收到压力时，向下收缩，可以采用直径渐变的弹簧结构；杠杆的另一端搭在PVDF压电薄膜传感器上，当弹簧由于脚踏被压缩时会带动杠杆，杠杆用来放大走路过程使弹簧压缩的位移量，使得位移量足以拨动PVDF压电薄膜传感器，由于中间压电薄膜传感器比两侧薄膜传感器稍长并且覆盖在两侧薄膜传感器上，所以当中间薄膜传感器发生振荡时，两侧薄膜传感器也随之振荡，另外，PVDF压电薄膜传感器由于顶端质量块的作用，在每次受到拨动时都会以衰减的方式振动，此为一个压电振子的模型，随着运动对PVDF压电薄膜传感器的拨动，会产生持续的电荷，通过导线供给能量收集模块。
如图4所示是本实用新型的能量收集电路图，所述能量收集模块可直接作为直流电源与外部微电子设备相连，为其供电。本实施例基于LTC3588-1芯片设计的电源管理电路，部件包括：电压放大电路、整流电路、滤波电路、转换器、稳压电路、存储电路，LTC3588-1芯片是一种内部集成了低耗损、全波桥式整流器(FWB)和高效率的同步降压型直流转换器集成芯片，集成度高，功耗低，广泛适用于能量收集电路。电压放大电路采用的是三倍压电路，由三个二极管(D1、D2、D3)和三个电容(C1、C2、C3)组成，将PVDF压电薄膜传感器输出的电压放大三倍抬升至大于2.7V以供LTC3588-1芯片工作；LTC3588-1 芯片内部集成了整流电路、转换器和稳压电路；通过外部电容进行滤波、存储，存储电容选用超级电容，因为超级电容充电速度较快，一般10分钟可充到额定容量；使用周期长，可循环使用50万余次，没有过度放电的现象；能量转换效率较高，充电放电过程中可减小能量的损耗；电路结构简单，便于电路实现微型化、集成化；绿色无污染，在使用降解过程中不会对环境造成危害。
宽频俘能模块安装在鞋底夹层中，能量收集模块安装鞋舌中，微电子设备选用计步器，计步器夹在鞋帮上，在人走路或跑步时，计步器会自动记录步数，同时运动产生的机械能通过发电装置转换成电能，为计步器供电；在不影响运动鞋舒适美观的前提下，增加了鞋的功能性。
以上所述仅为本实用新型的较佳实施例而已，并不用以限制本实用新型，凡在本实用新型的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。
Claims (7)
1.一种鞋式发电装置，其特征在于，该装置包括：
宽频俘能模块以及能量收集模块组成，宽频俘能模块安装在鞋底夹层中，能量收集模块安装在鞋舌中，通过宽频俘能模块收集人运动过程中产生的动能，将动能转换成电能，输出交流电信号，通过能量收集模块将交流电信号转化成直流电信号，供外部微电子设备使用；所述宽频俘能模块输出的电信号直接输送到能量收集模块进行整流、滤波以及存储。
2.按照权利要求1所述的鞋式发电装置，其特征在于，所述能量收集模块为柔性集成电路板。
3.按照权利要求1所述的鞋式发电装置，其特征在于，宽频俘能模块包括一组PVDF压电薄膜传感器、弹簧、支点以及杠杆，所述PVDF压电薄膜传感器采用多悬臂梁多质量块结构，包括长度不一的PVDF压电薄膜之间采用并联连接方式；弹簧通过支点固定在杠杆的一端，杠杆的另一端搭在PVDF压电薄膜传感器上，当弹簧由于脚踏被压缩时会带动杠杆，杠杆用来放大走路过程使弹簧压缩的位移量，使得位移量足以拨动PVDF压电薄膜传感器，随着运动对PVDF压电薄膜传感器的拨动，会产生持续的电荷，通过导线供给能量收集模块。
4.按照权利要求3所述的鞋式发电装置，其特征在于，所述PVDF压电薄膜传感器采用多悬臂梁多质量块结构包括三片悬臂梁结构的PVDF压电薄膜传感器并联连接，每片PVDF压电薄膜传感器上固定三个质量块，悬臂梁结构的基底是由一端固定、另一端自由振荡的弹性塑料构成。
5.按照权利要求4所述的鞋式发电装置，其特征在于，三个PVDF压电薄膜传感器的中间PVDF压电薄膜传感器比两侧PVDF压电薄膜传感器长并且覆盖在两侧PVDF压电薄膜传感器。
6.按照权利要求3所述的鞋式发电装置，其特征在于，所述PVDF压电膜传感器由两片具有悬臂梁结构的弹性基底和夹在两弹性基底中间的PVDF压电薄膜组成。
7.按照权利要求1所述的鞋式发电装置，其特征在于，所述能量收集模块采用LTC3588-1芯片为主体。
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| CN114831381A (zh) * | 2022-06-09 | 2022-08-02 | 广州大学 | 一种压电传感发电装置及自发电运动鞋 |
| CN114831381B (zh) * | 2022-06-09 | 2024-06-25 | 广州大学 | 一种压电传感发电装置及自发电运动鞋 |
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