1、創(chuàng)新性設(shè)計(jì)題 目 ： 走路發(fā)電鞋的設(shè)計(jì) 院 系 ： 機(jī)械電子工程學(xué)院 班 級(jí) ： 09材成（1）班 學(xué) 號(hào) ： 200910340130 姓 名 ： 金 坤 鵬 指導(dǎo)老師 ： 戴 老 師 走路發(fā)電鞋的設(shè)計(jì)摘要：能源短缺問題是我們面臨的最大環(huán)境挑戰(zhàn)?，F(xiàn)在人類所依賴的化石能源不僅造成了地球升溫等全球性的生態(tài)災(zāi)難，而且這種社會(huì)經(jīng)濟(jì)運(yùn)行本身也難以為繼。科學(xué)家預(yù)測(cè)，到2030年左右，全世界的化石燃料將消耗殆盡。資源、能源短缺當(dāng)前，世界上資源和能源短缺問題已經(jīng)在大多數(shù)國(guó)家甚至全球范圍內(nèi)出現(xiàn)。這種現(xiàn)象的出現(xiàn)，主要是人類無(wú)計(jì)劃、不合理地大規(guī)模開采所至。本世紀(jì)九十年代初全世界消耗能源總數(shù)約100億噸標(biāo)準(zhǔn)煤，預(yù)測(cè)

2、到2000年能源消耗量將翻一番。從目前石油、煤、水利和核能發(fā)展的情況來(lái)看，要滿足這種需求量是十分困難的。因此，在新能源（如太陽(yáng)能、快中子反應(yīng)堆電站、核聚變電站等）開發(fā)利用尚未取得較大突破之前，世界能源供應(yīng)將日趨緊張。 此外，其它不可再生性礦產(chǎn)資源的儲(chǔ)量也在日益減少，這些資源終究會(huì)被消耗殆盡。我國(guó)是世界上少數(shù)幾個(gè)以煤炭為主的國(guó)家，能源的消費(fèi)遠(yuǎn)遠(yuǎn)偏離當(dāng)前世界以油氣燃料為主的基本趨勢(shì)。回顧20年的發(fā)展，我國(guó)仍然采取的是高增長(zhǎng)、高消耗、高污染的粗放型擴(kuò)張和外延為主的經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)方式。2001年，全國(guó)能耗費(fèi)用支出達(dá)12500億元，占GDP的13.5，而同期美國(guó)只占7。中國(guó)11個(gè)高能耗產(chǎn)業(yè)的33種產(chǎn)品能耗比國(guó)

3、際先進(jìn)水平高46左右，這些部門每年多耗能約2.3億t標(biāo)煤。此外，中國(guó)大氣污染造成的損失已經(jīng)占到GDP的37%。這樣的發(fā)展方式必然造成我國(guó)能源需求的不斷上升，同時(shí)也產(chǎn)生大量的環(huán)境污染，從另一個(gè)方面減少了我國(guó)可利用的資源的數(shù)量，造成資源供給的嚴(yán)重不足。 我國(guó)一次性能源的消費(fèi)構(gòu)成為煤炭占73.5，原油占18.6，天然氣占2.2，水電占5.7%。煤炭高效、潔凈利用的難度遠(yuǎn)比油、氣燃料大得多。而且我國(guó)大量的煤炭是直接燃燒使用，用于工業(yè)鍋爐、窯爐和采暖的煤炭占47.3，用于發(fā)電或熱電聯(lián)產(chǎn)的煤炭只有38.1，而美國(guó)為89.5。此外，我國(guó)終端能源消費(fèi)結(jié)構(gòu)也不合理，電力占終端能源的比重明顯偏低，國(guó)家電氣化程度不

4、高。因此，改變能源結(jié)構(gòu)，尋找新能源已成為全人類必須面對(duì)的首要環(huán)境課題。人體內(nèi)儲(chǔ)存著巨大的能量。據(jù)統(tǒng)計(jì)，一個(gè)成年人脂肪中儲(chǔ)有的能量相當(dāng)于一個(gè)一噸重的蓄電池的蓄能。實(shí)際上，人體運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的許多能量是可以被利用的。根據(jù)這一現(xiàn)象，我們利用一個(gè)發(fā)電裝置能夠轉(zhuǎn)換并收集人體運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的能量以供手機(jī)、MP3等設(shè)備使用的發(fā)電系統(tǒng)。走路發(fā)電鞋的設(shè)計(jì)就是為了緩解能源緊張，并且為人們提供方便的一個(gè)發(fā)明設(shè)計(jì)。發(fā)電鞋主要是在人體鞋的鞋跟處安裝一個(gè)微型的發(fā)電裝置。在鞋子的內(nèi)部植入了一個(gè)微電機(jī)系統(tǒng)。這個(gè)系統(tǒng)包含了傳感器、穩(wěn)壓器、傳動(dòng)裝置以及電子芯片，當(dāng)然這些都是微型的。這個(gè)微電機(jī)系統(tǒng)可以把人走路產(chǎn)生的機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電能，通過電子芯

5、片整合之后給用電設(shè)備充電。鞋子完成效果圖如下： 在該裝置中，鞋子發(fā)電原理和普通發(fā)電機(jī)原理相同，只是帶動(dòng)發(fā)電機(jī)運(yùn)動(dòng)的動(dòng)力供應(yīng)裝置不同，在鞋子發(fā)電機(jī)中，帶動(dòng)電動(dòng)機(jī)運(yùn)動(dòng)的動(dòng)力來(lái)自人在步行時(shí)的對(duì)鞋子鞋后跟的壓力，其圖示如下圖：在該圖示中，A是磁鐵，而上面的B，C和D是線圈，右圖的是俯視示意圖；小圓圈是線圈（各線圈可串連亦可并連），里面是磁鐵（圖上省略了）。上面的圖是電路圖。下面的圖是側(cè)視，鞋底為中空，上下鞋底的運(yùn)動(dòng)可以使磁鐵陣列被反復(fù)切割從而產(chǎn)生電流。在該裝置中，其發(fā)電功率可以采用以下方式算出：設(shè)鞋子后跟的液壓轉(zhuǎn)換效率為0.6，機(jī)電轉(zhuǎn)換為0.85，則總的轉(zhuǎn)換效率為效率: 液壓轉(zhuǎn)換0.6 * 機(jī)電轉(zhuǎn)換0

6、.85 = 總效率 0.51輸入功率: 設(shè):步行時(shí)速為5公里/小時(shí) 3步2米得:步頻=(5公里/小時(shí))/(2米/3步)=2.1步/秒 設(shè)人體體重50公斤 踩下去1厘米 已知:步頻=2.1米/秒 得:輸入功率=50公斤厘米/秒 * 2.1米/秒=10.37瓦 輸出功率=輸入功率10.37瓦 * 總效率0.51=5.288瓦 該系統(tǒng)利用簡(jiǎn)單的電磁感應(yīng)和電能轉(zhuǎn)換裝置，通過人體運(yùn)動(dòng)帶動(dòng)磁體切割磁力線等原理產(chǎn)生電能。只要人有步行運(yùn)動(dòng)，就會(huì)有電能產(chǎn)生。該系統(tǒng)不僅適用于人體，理論上，一切運(yùn)動(dòng)的物體都可作為其載體。這樣可以給手機(jī)充電、MP3、CD，可能產(chǎn)生的電能并不是一個(gè)巨大的數(shù)字，但是在長(zhǎng)時(shí)間步行中，我們無(wú)

7、意產(chǎn)生的這些電累積起來(lái)也是一個(gè)比較大的數(shù)量，至少遠(yuǎn)行的背包客在緊急時(shí)候不會(huì)為定位裝置或者信號(hào)燈沒電而一籌莫展。據(jù)報(bào)有關(guān)科學(xué)研究表明，人體每天走路所產(chǎn)生的能量就能轉(zhuǎn)換成電力儲(chǔ)存起來(lái)，平均走一分鐘的路發(fā)出電力就能讓手機(jī)通話10分鐘?？茖W(xué)家表示，肌肉是人的發(fā)電所，可以產(chǎn)生有機(jī)能量，透過這項(xiàng)裝置就能產(chǎn)生電能。該走路發(fā)電裝置的設(shè)計(jì)可以將人在步行或跑步時(shí)自然產(chǎn)生機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電能。該裝置還可以進(jìn)行一定的改進(jìn)，將它安裝在跑步機(jī)上，這樣我們就可以利用跑步時(shí)產(chǎn)生的動(dòng)力來(lái)發(fā)電，通過一定的變壓或穩(wěn)壓裝置輸出給我們的電子設(shè)備（如手機(jī)、MP3播放器、筆記本電腦等）。有了它，我們可能迎來(lái)一個(gè)新時(shí)代：由于能從人們自身的活動(dòng)中獲得電力，而不再是由電池供電，微型傳感器和微型醫(yī)療設(shè)備變得很耐用。例如，把由它提供能量的發(fā)光二極管嵌入兒童運(yùn)動(dòng)鞋的鞋底，它還能發(fā)出火花，點(diǎn)著丙烷為燃料的打火機(jī)，蠟燭，壁爐等，步行發(fā)電鞋還可以給人造心臟供電，我們知道人造心臟在通常情況下所需的電流時(shí)非常小的，這樣剛好把我們鞋子發(fā)的電輸給人造心臟，這樣的話