冯如杯论文.docx

冯如杯论文.docx

《冯如杯论文.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《冯如杯论文.docx（6页珍藏版）》请在冰豆网上搜索。

冯如杯论文

第二十五届“冯如杯”学生创意大赛

便携式发电装置

——发电鞋的应用

摘要

当今生活我们已经离不开智能设备，如手机，平板电脑，但是这些智能设备的电能问题一直困扰着我们，充电宝的质量又参差不齐，是否可通过人们在运动时的机械能转化为电能来给设备充电。

本文讨论在鞋底部放置小型发电机，升降压电路板，电池并储存电能的可行性及其发展前景。

关键词：

智能设备，小型发电机，充电

Abstract

Today，wecannotdowithoutintelligentdevices,suchasmobilephone,tabletcomputer,butthesmartdevicepowerproblemhasplaguedus,ChargePalshavedifferentquality,whetherthroughpeopleinthemovementofthemechanicalenergyintoelectricalenergytochargingequipment.Thispaperdiscussesplacedsmallgeneratorsintheshoebottom,theliftingpressurecircuitboard,batteryandelectricenergystorageandthefeasibilityanddevelopmentprospect.

Keywords:

Intelligentequipment,smallgenerators,charging

第一章引言

便携式发电装置可以将机械能转化为电能，通过升压电路板将产生的低电压升高，存贮在电池中，再经由降压电路板将电能输出，为手机等设备充电。

人们每天在运动时会消耗大量的能量，如果对这些能量不加利用，就会白白散失。

通过发电装置将这些能量中的一部分转化为电能储存在电池中，就可以在需要时给智能设备提供电能。

随着便携式数码发电机的推广和普及，便携式发电机逐渐受到消费者的青睐，随着市场需求量的增长和国产便携式发电机市场竞争力的提高，未来几年我国便携式发电机行业将高速发展。

第二章发电机发电及储存电能原理

2.1运动发电原理

运动过程中，鞋底与地面接触，发生形变，使得发电机的可运动部分发生运动，同时切割磁感线，使得磁通量发生变化，产生感应电流，由于可运动部分在弹簧的作用下会进行复位，所以能够产生电流方向改变的交变电流。

2.2储存电能原理

经由发电机产生的电能，受到运动幅度，强度的影响，产生的电压并不是一个稳定的数值，此时，需用升降压电路板对电压进行稳定，稳定在一个合适的数值，然后经过二极管进行电流方向的调整（二极管具有单向导电性，所以只能通过一种方向的电流），使得交变电流转化为直流电，来给存放在鞋底的电池充电。

2.3电能输出原理

在鞋底的电池储存了足够的电之后，电池就成了一个电源，通过输出插口将储存的电能进行输出，可以给手机，平板电脑等设备充电输出直流电源，也可以通过逆变等设备使得其输出交变电流，满足不同的使用。

图1发电部分原理图

第三章便携式发电装置（鞋底发电机）可行性分析

3.1发电效率问题

美发电机工作时，线圈因有电流通过产生热量而形成的损失，称为铜损；铁芯因涡流发热而产生的损失，称为铁损；发电机的轴旋转与轴承摩擦会消耗少量功率；要扣除上述几项损失或消耗后才能成为发电机的输出功率。

为了衡量发电机将输入的机械能转变为电能的效率，将发电机的输出功率与输入功率之比，称为发电机效率。

若想要投入实际运作，则需要提高发电效率，使得机械能到电能的转化率较高才能实现，可采用增强磁铁磁性，增加线圈匝数等方法。

3.2电能转化率问题

由于电能在电路中进行了多次转化，所以在部件之间的电能损耗就不能忽略，这些损耗可能会使得电能的转化率下降，导致整个设备的实用性降低，投入的成本高而收入颇微。

可采用的电芯（18650与聚合物），标称电压为3.7V，而手机等数码产品的标准输入电压为5V。

因此，移动电源需要通过升压管理板输出5V给手机等设备充电。

在电路中电能并不能100%转化，会有以下损耗存在：

1、电路转换损耗。

相信大家都知道，电路在充电的时候会发热，根据能量守恒定律，散发的热量其实也就是内置电池的能量。

2、电阻损耗。

在给手机进行充电时，电路的内置电池与手机电池之间是通过电路板和导线进行连接。

我们知道，凡是导体都存在着电阻，没有0电阻的导体（超导体不在此讨论范围）。

电阻的主要物理特性是把电能转变为热能，因此在充电过程中，导体就会有热量产生，有热量产生就会有能量的散逸和损耗。

3、电压损耗。

锂电池放电的电压不是一成不变的，放电电压的安全范围是4.2V-2.7V，这其中功率的转换也会有差别。

一般放电电压范围在3.6-3.9V之间，就能够放出该电池80%甚至更高的电量，而如果在这个范围之外，电量的损耗便会增大。

4、供电损耗。

电路在为手机充电时不只是给电池充电，还要给其他部件供电，尤其屏幕是个耗电大。

5、自身运行损耗。

充电过程中，电路维持自身运行也需要耗电，这些电量同样要由内置电芯供给。

3.3成本分析

该装置主要用到了小型发电机，齿轮，升降压电路板，电芯等主要设备，在这里，该装置可以与电芯容量相近的移动电源来进行比较（只不过多了小型发电机等部件，和电芯等主要部件相比成本相差较多可以忽略），所以成本在可接受的范围之内。

并且，随着科学技术的发展18650电芯和聚合物锂电池电芯的价格也会下降，使得整体产品的成本降低。

3.4放置在鞋子底部的可行性

在鞋子底部的空腔中放置以上装置，由于需要把切割磁感线的部分放在可移动的部位，并在内部做好支撑，所以要采用硬度小，强度高的材料（可以参考暴走鞋的内部结构），以免内部电路受到损坏，使得设备失效。

第四章技术难点

4.1安全性

首先关于聚合物，以现在的技术，聚合物锂电池相对于18650的电池的确在造价上贵了点，但是也不会贵很多，但是聚合有自己的优势，用聚合物做电芯可以做到很小巧，而容量也能跟得上。

慢慢发展下去或许以后聚合物就是移动电源的主流了。

毕竟也考虑到安全性的问题，聚合物的电芯出事最多冒点火花，而18650的电芯是真真的爆炸，不过出现这些情况的几率是很低的。

市面上的电芯又分为以下几类：

A品电芯一般都是电池厂家为满足客户需求而量身定做的，在质量和参数方面都达到要求，无异常的，我们都称之为A品。

B品电芯则是在生产过程出现制造问题的，比如电压、容量，外观、都稍微有点瑕疵，我们称为B品。

还有一种通俗的说话是，A品由于长时间未出货，时间长了我们也叫B品，比如3~6个月。

同样在往下淘汰下来的电芯还有C品，C品电芯也是最差的，电压容量或在外观上都达不到电芯参数标准。

如果将其装备在随身携带的设备中则必须选择质量靠得住的A类电芯，保证安全性，可靠性，及使用时长等几个方面。

而且考虑到安全性，可能会被禁止带上飞机等公共交通工具（参考充电宝的限制）。

4.2效率及使用期限

若效率过低则投入的成本会很长时间才能收回，甚至收不回，反而导致了资源的浪费，而且本品在使用期限上还受到了相应的鞋子质量的影响，限制因素较多，若能进行进一步改进则有望取代充电宝等设备。

4.3市场全景

目前，随着智能手机的普及，可穿戴设备市场的崛起，出现了越来越多充电需求，如果以上的技术难点被解决，安全性得到提高，则该设备有望取代充电宝等设备，成本也会随着18650电芯和聚合物锂离子电芯价格的下降而下降，市场前景非常广阔。

目前，随着智能手机的普及，可穿戴设备市场的崛起，出现了越来越多充电需求，如果以上的技术难点被解决，安全性得到提高，则该设备有望取代充电宝等设备，成本也会随着18650电芯和聚合物锂离子电芯价格的下降而下降，市场前景非常广阔。

第五章结论

随着生活水平的提高，居民户外休闲支出越来越多，2010年中国户外用品市场零售额超过70亿美元，未来几年内，中国户外用品行业将以每年近50%的速度快速增长。

目前，中国具有一定规模的露营地不足100块，而美国、欧洲各种星级的露营地约有2万块和2.5万块。

随着国内户外文化兴起，国内便携式发电机露营市场需求将快速发展。

由于电力供应紧张，拉闸限电成为常态，对发电机的需求持续上升，随着便携式数码发电机的推广和普及，便携式发电机逐渐受到消费者的青睐。

除了家庭、超市备用电源和露营市场需求增长外，医疗、急救、军事、科研、野外作业、通讯等领域对小型备用电源的需求也在增长。

与此同时，海内外市场需求正处于快速增长阶段。

可以预见，随着市场需求量的增长和国产便携式发电机市场竞争力的提高，未来几年我国便携式发电机行业将高速发展。

参考文献

[1]王琪；直流发电机在移动网开发与应用研究[A]；通信电源新技术论坛；2008通信电源学术研讨会论文集[C]；2008年

[2]胡瑞谋;混合驱动永磁电机的设计与分析[D]；西安理工大学；2010年