王碩 李志軍 吳彬杰 何斌成 王悅陽(yáng) 韋俊鋒

摘要：傳統(tǒng)的便攜式移動(dòng)電源解決了人們?nèi)粘Ｉ钪性S多的問(wèn)題，但是傳統(tǒng)的移動(dòng)電源為電子器件提供的電量有其上限，且需要不斷為其充電才可續(xù)航。為解決移動(dòng)電源的續(xù)航問(wèn)題，文章基于電磁感應(yīng)現(xiàn)象和能量守恒定律，對(duì)便攜式微型發(fā)電裝置進(jìn)行了研究。

關(guān)鍵詞：續(xù)航;供電;能量守恒定律;微型發(fā)電裝置

0、引言

隨著電子技術(shù)的發(fā)展，人們對(duì)電子設(shè)備的要求越來(lái)越高，而電子設(shè)備在供電、續(xù)航方面的問(wèn)題日益明顯。質(zhì)量大、容量有限、不能隨時(shí)隨地充電、壽命短、即使不使用，一段時(shí)間后存儲(chǔ)于其中的電能也會(huì)自然耗光。供電電源的這些弊端成了制約電子產(chǎn)品發(fā)展的瓶頸。長(zhǎng)效穩(wěn)定且方便隨時(shí)隨地充放電的電子設(shè)備電源成了便攜式電子設(shè)備不可缺少的部分。為此，本文針對(duì)便攜式手機(jī)供電裝置的開(kāi)展了研究。人體運(yùn)動(dòng)時(shí)蘊(yùn)藏著很大的能量，如果能利用人體動(dòng)能發(fā)電，則能夠做到隨時(shí)隨地充電。因此本文研究的便攜式微型發(fā)電裝置主要是對(duì)人走路時(shí)的部分動(dòng)能進(jìn)行了合理的利用，將動(dòng)能轉(zhuǎn)化為電能，再經(jīng)過(guò)穩(wěn)壓整流模塊，輸出穩(wěn)定的電壓，以解決人們出行時(shí)電子器件的續(xù)航問(wèn)題。

1、研制便攜式微型發(fā)電裝置的方案選擇

方案一： 發(fā)條式發(fā)電

基于機(jī)械表運(yùn)作原理，機(jī)械表內(nèi)提供動(dòng)能的是發(fā)條。在人行走的過(guò)程中發(fā)條不斷晃動(dòng)，不斷上鏈，以聚集能量，然后通過(guò)傳動(dòng)系統(tǒng)把能量傳到擒縱系統(tǒng)。對(duì)其進(jìn)行改良，將發(fā)條聚集的能量通過(guò)傳動(dòng)系統(tǒng)傳送給發(fā)電機(jī)，帶動(dòng)發(fā)電機(jī)產(chǎn)生電量。但經(jīng)過(guò)理論分析，機(jī)械表發(fā)條系統(tǒng)產(chǎn)生的能量有限，不足以帶動(dòng)微型發(fā)電機(jī)工作，不宜采取此方案。

方案二：扣扳機(jī)式發(fā)電

基于自動(dòng)發(fā)電兒童玩具槍原理，對(duì)其進(jìn)行改造。其發(fā)電量與齒輪轉(zhuǎn)動(dòng)速度有關(guān)，根據(jù)擒縱系統(tǒng)，更換初始齒輪大小，以改變齒輪轉(zhuǎn)動(dòng)速度，最終達(dá)到改變發(fā)電量的目的。但要得到更高的發(fā)電量，就需要更大的動(dòng)機(jī)推動(dòng)齒輪的運(yùn)轉(zhuǎn)。另一方面，由變檔位自行車齒輪組工作原理可知，齒輪的尺寸大小對(duì)人給予的動(dòng)力有不同的要求。

方案三：腳踏式發(fā)電

基于腳踏式打稻機(jī)齒輪組的工作原理，對(duì)齒輪組系統(tǒng)加以改造，結(jié)合發(fā)條系統(tǒng)工作原理，改變齒輪尺寸及其比例，增添了彈簧組系統(tǒng)，利用人走路時(shí)所提供的踩踏力，使齒輪轉(zhuǎn)動(dòng)，帶動(dòng)發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，人抬腳時(shí)踏板受到彈簧張力的作用，自動(dòng)復(fù)原，如此來(lái)回反復(fù)，發(fā)電機(jī)就能不斷供電。

2. 便攜式微型發(fā)電裝置的系統(tǒng)設(shè)計(jì)

便攜式手機(jī)供電裝置指的是一種便于攜帶的移動(dòng)式微型發(fā)電機(jī)，這種裝置可以隨時(shí)隨地發(fā)電，并且把發(fā)出的電能存貯下來(lái)或直接供給手機(jī)使用。便攜式微型發(fā)電裝置主要由以下五個(gè)部分構(gòu)成：踩踏式機(jī)械結(jié)構(gòu)、微型發(fā)電機(jī)、整流濾波電路、電量存儲(chǔ)設(shè)備和電量輸出設(shè)備。人走動(dòng)時(shí)帶動(dòng)機(jī)械結(jié)構(gòu)，微型發(fā)電機(jī)經(jīng)過(guò)機(jī)械結(jié)構(gòu)的帶動(dòng)產(chǎn)生頻率不太穩(wěn)定的交流電，再經(jīng)過(guò)整流濾波電路存儲(chǔ)到電量存儲(chǔ)設(shè)備中，用超級(jí)電容作為電量存儲(chǔ)單元，最后由輸出設(shè)備給電子產(chǎn)品供電。

系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如下：

3. 測(cè)試結(jié)果及問(wèn)題分析

經(jīng)過(guò)初步測(cè)試，人在正常走動(dòng)的情況下，微型發(fā)電裝置能產(chǎn)生3～5V電壓，功率可以達(dá)到3W。由于初次作此研究，經(jīng)驗(yàn)不足，微型發(fā)電機(jī)功率還達(dá)不到預(yù)期要求，仍需對(duì)微型發(fā)電機(jī)加以改進(jìn)，使其產(chǎn)生更加穩(wěn)定的電壓，提升其功率。

對(duì)便攜式供電裝置的研究發(fā)現(xiàn)，便攜式手機(jī)供電裝置還存在以下幾個(gè)方面的問(wèn)題：

①便攜性：便攜式手機(jī)供電裝置的主要作用是滿足智能手機(jī)用戶對(duì)手機(jī)的隨時(shí)充電，因此用戶一般都會(huì)把便攜式手機(jī)供電裝置隨時(shí)攜帶在身上，考慮到這一方面的問(wèn)題，我們的微型發(fā)電裝置還需在體積上進(jìn)行縮減以達(dá)到舒適行走的目的。

②發(fā)電功率：便攜式手機(jī)供電裝置對(duì)發(fā)電功率的要求不是很高，但是裝置發(fā)出的電要能夠滿足手機(jī)的充電要求，一般手機(jī)充電時(shí)都支持 USB口直接充電，而 USB 口的充電功率是5W，因此我們的便攜式手機(jī)供電裝置的發(fā)電效率還需提高。

③安全性：智能手機(jī)用戶一般會(huì)把便攜式手機(jī)供電裝置隨時(shí)攜帶在身上，因此這種裝置需要達(dá)到一定的安全標(biāo)準(zhǔn)，避免在特殊情況，如摔倒地上、碰到較為炎熱，寒冷的天氣等條件下對(duì)人體造成傷害。

4. 總結(jié)和展望

便攜式微型發(fā)電機(jī)可以隨時(shí)隨地對(duì)便攜式電子產(chǎn)品進(jìn)行供電。這就解決了電池電源容量問(wèn)題所帶來(lái)的弊端。該裝置把人體部分動(dòng)能轉(zhuǎn)化為電能，合理地進(jìn)行了清潔能源間的轉(zhuǎn)換。利用人體動(dòng)能轉(zhuǎn)化為其他各種形式的能在能源緊缺的今天具有非常重要的意義。如果能夠發(fā)現(xiàn)出新型的耐用材料作為機(jī)械結(jié)構(gòu)的傳導(dǎo)，提高能量轉(zhuǎn)化率，另外對(duì)微型發(fā)電機(jī)發(fā)出的電進(jìn)行更高效率地存儲(chǔ)，在不久的將來(lái)該裝置就能給人們提供很大的便利。

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