基于電磁感應現(xiàn)象的便攜式微型發(fā)電裝置的研究

王碩 李志軍 吳彬杰 何斌成 王悅陽 韋俊鋒

摘要：傳統(tǒng)的便攜式移動電源解決了人們?nèi)粘Ｉ钪性S多的問題，但是傳統(tǒng)的移動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。為解決移動電源的續(xù)航問題，文章基于電磁感應現(xiàn)象和能量守恒定律，對便攜式微型發(fā)電裝置進行了研究。

關鍵詞：續(xù)航;供電;能量守恒定律;微型發(fā)電裝置

0、引言

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

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

基于機械表運作原理，機械表內(nèi)提供動能的是發(fā)條。在人行走的過程中發(fā)條不斷晃動，不斷上鏈，以聚集能量，然后通過傳動系統(tǒng)把能量傳到擒縱系統(tǒng)。對其進行改良，將發(fā)條聚集的能量通過傳動系統(tǒng)傳送給發(fā)電機，帶動發(fā)電機產(chǎn)生電量。但經(jīng)過理論分析，機械表發(fā)條系統(tǒng)產(chǎn)生的能量有限，不足以帶動微型發(fā)電機工作，不宜采取此方案。

方案二：扣扳機式發(fā)電

基于自動發(fā)電兒童玩具槍原理，對其進行改造。其發(fā)電量與齒輪轉動速度有關，根據(jù)擒縱系統(tǒng)，更換初始齒輪大小，以改變齒輪轉動速度，最終達到改變發(fā)電量的目的。但要得到更高的發(fā)電量，就需要更大的動機推動齒輪的運轉。另一方面，由變檔位自行車齒輪組工作原理可知，齒輪的尺寸大小對人給予的動力有不同的要求。

方案三：腳踏式發(fā)電

基于腳踏式打稻機齒輪組的工作原理，對齒輪組系統(tǒng)加以改造，結合發(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)，利用人走路時所提供的踩踏力，使齒輪轉動，帶動發(fā)電機轉動，人抬腳時踏板受到彈簧張力的作用，自動復原，如此來回反復，發(fā)電機就能不斷供電。

2. 便攜式微型發(fā)電裝置的系統(tǒng)設計

便攜式手機供電裝置指的是一種便于攜帶的移動式微型發(fā)電機，這種裝置可以隨時隨地發(fā)電，并且把發(fā)出的電能存貯下來或直接供給手機使用。便攜式微型發(fā)電裝置主要由以下五個部分構成：踩踏式機械結構、微型發(fā)電機、整流濾波電路、電量存儲設備和電量輸出設備。人走動時帶動機械結構，微型發(fā)電機經(jīng)過機械結構的帶動產(chǎn)生頻率不太穩(wěn)定的交流電，再經(jīng)過整流濾波電路存儲到電量存儲設備中，用超級電容作為電量存儲單元，最后由輸出設備給電子產(chǎn)品供電。

系統(tǒng)結構圖如下：

3. 測試結果及問題分析

經(jīng)過初步測試，人在正常走動的情況下，微型發(fā)電裝置能產(chǎn)生3～5V電壓，功率可以達到3W。由于初次作此研究，經(jīng)驗不足，微型發(fā)電機功率還達不到預期要求，仍需對微型發(fā)電機加以改進，使其產(chǎn)生更加穩(wěn)定的電壓，提升其功率。

對便攜式供電裝置的研究發(fā)現(xiàn)，便攜式手機供電裝置還存在以下幾個方面的問題：

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

②發(fā)電功率：便攜式手機供電裝置對發(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的充電要求，一般手機充電時都支持 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供電裝置的發(fā)電效率還需提高。

③安全性：智能手機用戶一般會把便攜式手機供電裝置隨時攜帶在身上，因此這種裝置需要達到一定的安全標準，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人體造成傷害。

4. 總結和展望

便攜式微型發(fā)電機可以隨時隨地對便攜式電子產(chǎn)品進行供電。這就解決了電池電源容量問題所帶來的弊端。該裝置把人體部分動能轉化為電能，合理地進行了清潔能源間的轉換。利用人體動能轉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械結構的傳導，提高能量轉化率，另外對微型發(fā)電機發(fā)出的電進行更高效率地存儲，在不久的將來該裝置就能給人們提供很大的便利。

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