千瓦之電，始于足下

吳文鑫 李海圓 劉澤康 任舒雅

千瓦之電，始于足下—一種基于人體運動的環保發電裝置通過時刻與身體的交互，實現將人體運動產生的機械能經柔性壓電裝置轉化為電能儲存在后續的超級電容中的作用，其產生的電能可以為手機、小型音響等設備進行供電，從而達到節能減排的效果。

作品設計的目的在于解決當今地位日益上升的電子產品的續航問題以及現有電子續航產品普遍存在的體積大、容量小、污染嚴重、存在安全隱患等問題。產品實用性強、攜帶方便、制造成本較低，同時輸出電壓穩定可靠，提高了人們對身體機械能這一無污染能源的利用與開發，節能環保。

本產品的核心技術為壓電效應，利用柔性PVDF壓電薄膜（新型高分子壓電換能材料）獨特的介電效應、壓電效應、熱電效應實現機械能和電能之間的轉換，利用信號放大模塊和穩壓及輸出電路實現電壓穩定輸出。

PVDF壓電膜是一種新型高分子壓電換能材料，它具有獨特的壓電效應。與傳統的壓電材料（如壓電陶瓷）相比具有頻響寬、動態范圍大、力電轉換靈敏度高、機械性能強度高、聲阻抗易匹配等特點，并具有重量輕、柔軟不脆、耐沖擊、不易受水和化學藥品的污染、易制成任意形狀的面積不等的片或管狀等優勢。在振動檢測等技術領域應用十分廣泛。

本團隊使用的聚偏氟乙烯（PVDF）壓電薄膜為鋁電極材質，柔順性比壓電陶瓷高出10倍，膜的厚度為30μm，長度為270μm，寬度為200μm，產品單價為2.5元/cm2，同時使用ICA10X模塊作為電荷放大電路，將被測量的電信號放大20倍，形成實時自供電的電路系統。5V供電時信號放大模塊套件在無振動時輸出2.5V電平，有振動時輸出正負波動電平信號，信號經由ICA10X放大后，輸入到Arduino開發板進行信號分析與數據處理。

本產品為一種可穿戴式PVDF發電裝置，穿戴在身上時可采集并轉化人運動的機械能為電能，促進資源的循環利用，從而實現節能減排的效果。該發電裝置通過采用高輸出性能和高導電性能的柔性PVDF壓電薄膜并以雙拱形陣列結構搭建，使得人可以通過體感交互進行機械能向電能的轉化。本項目實現了人體機械能的高效率采集及對手機等外部設備進行供電的功能，對于能量的二次利用具有深遠意義。

同時，該設備的原理不僅可以使用在人體上，經過深度開發后，可以使用在牲畜、機器等方面，提高對零散的、不易收集的能量的利用，達到節能減排的目的，體現了作品的深度開發潛力。

從消費需求上，充電寶是"剛需"耗材產品，消費者的需求十分龐大，這可使我們進行大批量生產操作來獲利。從原理上來講，柔性PVDF與體感交互控制下的壓電發電裝置移動電源的出現，彌補了移動電源需求痛點的市場空白，為移動電源的發展提供了新可能，前景可觀。從市場發展上，該產品的核心技術與創新潛質在市場上具有強大的差異化競爭能力，可提供定制化產品服務，并且符合國家提倡節能減排的政策，在市場中競爭中搶占先機。

參考文獻

[1]韓維霞.發展新能源的必要性分析[J].科技與生活，2010（22）：218.

[2]欒桂冬，張金鐸，王仁乾.壓電換能器和換能器陣[M].北京：北京大學出版社，2005.

[3]李明，陳西府，盧倩壓電疊層作動系統柔性機構的仿真設計[M].2018.11.

[4]劉旭，武澎，呂延軍.一種柔性PVDF壓電薄膜傳感器的制備方案[J].儀表技術與傳感器，2016（01）：4-6.