一种基于压电技术的人体脚部能量收集器插件

技术领域

本发明属于泛在能源获取技术领域，特别是一种基于压电技术的人体脚部能量收集器插件。

背景技术

随着电子技术的发展越来越迅速，基于人体的可穿戴电子设备功耗也越来越低，柔性化程度越来越高。传统电池因其寿命短、尺寸大等问题使其具有了使用局限性，因为微型电子器件的功率低，能够直接在周围的自然环境中收集电能，自然环境中存在着各种能源，如太阳能、声能、机械能等，其中太阳能也是一个主要能源，虽然太阳能所提供的能量密度相对于其他能源而言更大，不过由于太阳能受到了气候与自然环境的影响，在阴天或是黑暗环境下，基本无法使用，所以太阳能的使用率也不高；声能则是在介质中产生机械波时，使媒介能量增加的能源，声能的输出功率密度低。机械能在环境中广泛存在，与太阳能和声能相比，其具有随时随地获取能量的优点，不会受环境的影响，机械能相比环境中其他能量起步晚，但是转化效率高，尤其适合微小器件，是最理想的替代能源之一。

随着社会和科技的进步，智能设备的应用变得越来越广泛，在户外没有电源的情况下，设备无法长时间工作。现有的智能设备充电便携式设备多为可携带的电池，这类设备也是只具有储存和释放能量的功能，不具有产生电能的能力；现有的压力发电鞋，产生的电能小，长时间的使用，发电装置也会产生损坏，将压电放电装置制作成一个可以拆换的模块，利用高压电性能的压电复合材料的压电效应将人类行走过程中产生的多余机械能转化为电能并进行存储，以供智能设备使用，是一个低成本、节能减排、便捷的举措。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于压电技术的人体脚部能量收集器插件，用来将人体足部的机械能转换为电能。

实现本发明目的的技术解决方案为：

一种基于压电技术的人体脚部能量收集器插件，包括：基座、弹簧、受力部件、压电材料；

所述基座与受力部件通过弹簧进行连接；所述压电材料设置在基座与受力部件之间；受力部件仅能够相对基座上下移动，形成一个封装的能量收集器插件；

所述受力部件下端面和基座内腔上端面，均为凹凸型波浪结构，受力部件的凸台正对基座的凹槽，使得基座与受力部件呈交错结构。

本发明与现有技术相比，其显著优点是：

(1)通过将基座与受力部件通过弹簧连接，能够实现通过脚部的机械能对受力部件施压可以将机械能量转换为电能，不受力时，弹簧会将受力部件弹起，压电材料恢复原状。

(2)通过将基座与受力部件设置了特定的交叉结构，能够实现压电材料在有限的空间进行更大的形状变化。

(3)通过选用含PAN的PZT和PVDF复合材料，能够实现更高的压电效应。

(4)通过选用复合材料，能够实现压电材料既具有压电陶瓷材料的力电转换能力，同时也具有高分子材料的高弹性、耐撕扯性和耐冲击性等力学性能。

(5)通过将插件做成规格形状，能够实现方便直接嵌入鞋底，同时保证了舒适度。

附图说明

图1为本发明的基于压电技术的人体脚部能量收集器总体示意图。

图2为本发明的基于压电技术的人体脚部能量收集器插件剖视图。

图3为本发明的基于压电技术的人体脚部能量收集器插件结构示意图。

图4为基于压电技术的人体脚部能量收集器插件的弹簧连接示意图。

图5为基于压电技术的人体脚部能量收集器插件的压电材料表面产生的电压曲线图。

具体实施方式

下面结合附图及具体实施例对本发明做进一步的介绍。

结合图1和图2，本实施例的一种基于压电技术的人体脚部能量收集器插件，包括基座1、弹簧2、受力部件3、压电材料4。所述基座1与受力部件3通过弹簧2进行连接；所述压电材料4设置在基座1与受力部件3之间；所述弹簧2在不受外力作用时，起连接作用，在受力时压缩，不受力时弹起受力部件3，压电材料4恢复原状，基座1四周设计的凸台结构，用于限制受力部件3的运动，使受力部件3仅可以上下移动。通过结构之间的配合，形成一个封装的能量收集器插件，从而方便直接嵌入鞋底；通过对受力部件施加力，装置中的压电材料会发生变化，从而可以将机械能量转换为电能；基座底部设置一个输出端口，用来传输机械能转化的电能；

受力部件3下端面和基座1内腔上端面，均为凹凸型波浪结构，受力部件3的凸台正对基座1的凹槽，使得基座1与受力部件3呈交错结构，增大压电材料的变形量。通过在压力部件3上部施加压力，通过压力部件3对压电材料4施压，装置中的压电材料会发生变化，从而内部结构会发生改变，也就是压电效应，从而可以将机械能量转换为电能，基座1设置一个输出端口，用来传输机械能转化的电能；不受力时，弹簧会将受力部件弹起，压电材料恢复原状。

所述基座1和受力部件3的材质为不锈钢；弹簧2的材质为高碳钢；压电材料4的材质为含PAN的PZT和PVDF复合材料，既具有压电陶瓷材料的力电转换能力，同时也具有高分子材料的高弹性、耐撕扯性和耐冲击性等力学性能，增加一些PAN的PZT和PVDF复合材料，能够增强其压电效应，同时力学性能也会有所提升。当PZT、PVDF、PAN三相体积比的含量为55％、0.45％、5％时(材料内部存在孔洞)，材料的压电常数最高。

设作用于受力部件3上的力为F(t)＝F

其中：ε

d

现设定压电材料尺寸长30mm，宽30mm，高0.03mm；在受力F