基于电磁感应现象的便携式微型发电装置的研究

王硕 李志军 吴彬杰 何斌成 王悦阳 韦俊锋

摘要：传统的便携式移动电源解决了人们日常生活中许多的问题，但是传统的移动电源为电子器件提供的电量有其上限，且需要不断为其充电才可续航。为解决移动电源的续航问题，文章基于电磁感应现象和能量守恒定律，对便携式微型发电装置进行了研究。

关键词：续航;供电;能量守恒定律;微型发电装置

0、引言

随着电子技术的发展，人们对电子设备的要求越来越高，而电子设备在供电、续航方面的问题日益明显。质量大、容量有限、不能随时随地充电、寿命短、即使不使用，一段时间后存储于其中的电能也会自然耗光。供电电源的这些弊端成了制约电子产品发展的瓶颈。长效稳定且方便随时随地充放电的电子设备电源成了便携式电子设备不可缺少的部分。为此，本文针对便携式手机供电装置的开展了研究。人体运动时蕴藏着很大的能量，如果能利用人体动能发电，则能够做到随时随地充电。因此本文研究的便携式微型发电装置主要是对人走路时的部分动能进行了合理的利用，将动能转化为电能，再经过稳压整流模块，输出稳定的电压，以解决人们出行时电子器件的续航问题。

1、研制便携式微型发电装置的方案选择

方案一： 发条式发电

基于机械表运作原理，机械表内提供动能的是发条。在人行走的过程中发条不断晃动，不断上链，以聚集能量，然后通过传动系统把能量传到擒纵系统。对其进行改良，将发条聚集的能量通过传动系统传送给发电机，带动发电机产生电量。但经过理论分析，机械表发条系统产生的能量有限，不足以带动微型发电机工作，不宜采取此方案。

方案二：扣扳机式发电

基于自动发电儿童玩具枪原理，对其进行改造。其发电量与齿轮转动速度有关，根据擒纵系统，更换初始齿轮大小，以改变齿轮转动速度，最终达到改变发电量的目的。但要得到更高的发电量，就需要更大的动机推动齿轮的运转。另一方面，由变档位自行车齿轮组工作原理可知，齿轮的尺寸大小对人给予的动力有不同的要求。

方案三：脚踏式发电

基于脚踏式打稻机齿轮组的工作原理，对齿轮组系统加以改造，结合发条系统工作原理，改变齿轮尺寸及其比例，增添了弹簧组系统，利用人走路时所提供的踩踏力，使齿轮转动，带动发电机转动，人抬脚时踏板受到弹簧张力的作用，自动复原，如此来回反复，发电机就能不断供电。

2. 便携式微型发电装置的系统设计

便携式手机供电装置指的是一种便于携带的移动式微型发电机，这种装置可以随时随地发电，并且把发出的电能存贮下来或直接供给手机使用。便携式微型发电装置主要由以下五個部分构成：踩踏式机械结构、微型发电机、整流滤波电路、电量存储设备和电量输出设备。人走动时带动机械结构，微型发电机经过机械结构的带动产生频率不太稳定的交流电，再经过整流滤波电路存储到电量存储设备中，用超级电容作为电量存储单元，最后由输出设备给电子产品供电。

系统结构图如下：

3. 测试结果及问题分析

经过初步测试，人在正常走动的情况下，微型发电装置能产生3～5V电压，功率可以达到3W。由于初次作此研究，经验不足，微型发电机功率还达不到预期要求，仍需对微型发电机加以改进，使其产生更加稳定的电压，提升其功率。

对便携式供电装置的研究发现，便携式手机供电装置还存在以下几个方面的问题：

①便携性：便携式手机供电装置的主要作用是满足智能手机用户对手机的随时充电，因此用户一般都会把便携式手机供电装置随时携带在身上，考虑到这一方面的问题，我们的微型发电装置还需在体积上进行缩减以达到舒适行走的目的。

②发电功率：便携式手机供电装置对发电功率的要求不是很高，但是装置发出的电要能够满足手机的充电要求，一般手机充电时都支持 USB口直接充电，而 USB 口的充电功率是5W，因此我们的便携式手机供电装置的发电效率还需提高。

③安全性：智能手机用户一般会把便携式手机供电装置随时携带在身上，因此这种装置需要达到一定的安全标准，避免在特殊情况，如摔倒地上、碰到较为炎热，寒冷的天气等条件下对人体造成伤害。

4. 总结和展望

便携式微型发电机可以随时随地对便携式电子产品进行供电。这就解决了电池电源容量问题所带来的弊端。该装置把人体部分动能转化为电能，合理地进行了清洁能源间的转换。利用人体动能转化为其他各种形式的能在能源紧缺的今天具有非常重要的意义。如果能够发现出新型的耐用材料作为机械结构的传导，提高能量转化率，另外对微型发电机发出的电进行更高效率地存储，在不久的将来该装置就能给人们提供很大的便利。

参考文献

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