運(yùn)動(dòng)節(jié)能充電寶

白正驍 劉鋒銳 李卓凡 蔣明增 張丹慧

摘 要：隨著國內(nèi)人民生活水平不斷提高，廣大人民越來越注重身體健康問題，而跑步作為中等強(qiáng)度的有氧運(yùn)動(dòng)深受廣大人民的喜愛，在跑步的同時(shí)經(jīng)過運(yùn)動(dòng)會(huì)產(chǎn)生較大熱量散失到外界。為了利用這部分由跑步產(chǎn)生的動(dòng)能，本文基于電磁感應(yīng)定律和電磁力定律，用導(dǎo)電性良好的銅絲做線圈形成發(fā)電回路，將具有彈簧連接的具有強(qiáng)磁性的條形磁鐵放入銅線圈中，由于運(yùn)動(dòng)使磁條產(chǎn)生上下晃動(dòng)，從而切割磁感線產(chǎn)生電流，電流流入與銅線圈連接的可彎曲折疊電池中，從而完成電池儲存電能的目的。最終設(shè)計(jì)出了基于電磁感應(yīng)定律和電磁力定律，具有將動(dòng)能轉(zhuǎn)化成電能、可彎曲、易攜帶、節(jié)能環(huán)保、安全、可反復(fù)使用等特點(diǎn)的充電寶產(chǎn)品。

關(guān)鍵詞：充電寶;電磁感應(yīng)定律;電磁力定律;可彎曲折疊電池;持續(xù)續(xù)航

1 緒論

國內(nèi)運(yùn)動(dòng)節(jié)能充電寶發(fā)展非常迅速。早在這之前我國就有人涉足并且已經(jīng)研究出能夠?qū)?dòng)能轉(zhuǎn)化成電能給充電寶充電，卻因?yàn)榘l(fā)電效率低、發(fā)電不穩(wěn)定、外殼較為堅(jiān)硬和不易攜帶在身上的缺點(diǎn)，還沒有投入量產(chǎn)，只是先生產(chǎn)了一小部分樣品進(jìn)入市場，目前正處在適應(yīng)性投放市場階段。在前不久國外麻省理工也研制出了同類的產(chǎn)品nPower PEG in backpack，在美國已獲得了專利，雖然已經(jīng)量產(chǎn)開放購買，但仍舊沒有改善發(fā)電效率問題、外殼堅(jiān)硬問題和不易攜帶的缺點(diǎn)，而且光造價(jià)而言就高達(dá)140美元，零售價(jià)每支大約160美元，這樣昂貴價(jià)格將為市場的拓展帶來一定的局限性，不容易被人們所接受。

2 研究方法和研究思路

（1）研究方法。本產(chǎn)品的發(fā)明核心是根據(jù)電磁感應(yīng)定律和電磁力定律來做的，也就是由磁體切割線圈產(chǎn)生的磁感線從而在線圈中產(chǎn)生電流的方法。而本產(chǎn)品不同于普通產(chǎn)品的是，在磁體方面，我們需要選擇磁性非常強(qiáng)的磁體作為支撐，原因是我們的產(chǎn)品需要的線圈直徑非常小，而磁體需要放入線圈內(nèi)并保證與相鄰線圈的安全位置，避免讓兩個(gè)強(qiáng)力磁體吸在一起，因此我們的磁體在體積上就非常小，為了保證足夠的發(fā)電效率，所以我們就需要磁性非常強(qiáng)的磁體來進(jìn)行切割磁感線，從而在閉合回路中產(chǎn)生預(yù)期的電流強(qiáng)度。線圈方面，我們需要導(dǎo)電性良好的線圈，因?yàn)榫€圈作為我們收集電流的回路，導(dǎo)電性良好可以極大提高發(fā)電效率，保證我們的充電寶能在短時(shí)間內(nèi)獲得較多的電能。彈簧方面，我們用到的是高精度、高韌性的材料制作而成的，不但能夠感知微弱的力量，而且在高強(qiáng)度的伸縮工作下也不會(huì)發(fā)生損壞，可以極大的增加我們充電寶的使用壽命。我們將這三個(gè)方面的優(yōu)勢結(jié)合在一起，就可以實(shí)現(xiàn)既能在輕微的晃動(dòng)下產(chǎn)生穩(wěn)定的電流，又能在高強(qiáng)度的運(yùn)動(dòng)下充電寶持續(xù)工作。

（2）研究思路。根據(jù)導(dǎo)線切割磁力線能夠產(chǎn)生感應(yīng)電勢，將導(dǎo)線連成閉合回路，就有電流流通過的原理，我們進(jìn)行對磁體、導(dǎo)電線圈和彈簧進(jìn)行相應(yīng)的組裝，組裝出我們充電寶的發(fā)電部分，然后給充電部分配套一個(gè)外殼，然后將發(fā)電部分用導(dǎo)線與我們的彎曲電池連接，最后再給整體充電寶配套一個(gè)軟性殼，我們的可彎曲運(yùn)動(dòng)充電寶就制作完成。具體組裝步驟如下：首先是對發(fā)電部分的組裝，我們先將若干個(gè)導(dǎo)電線圈串聯(lián)成一排，放入已經(jīng)配套好的外殼中，然后把彈簧一端掛上磁體并固定好，另一端與我們的外殼上邊緣連接，最后對外殼進(jìn)行封裝，封裝時(shí)留兩根導(dǎo)線的孔，以便于發(fā)電部分和電池連接。其次是對發(fā)電部分和電池的連接，為了保證電流能夠穩(wěn)定地流入電池，我們在發(fā)電部分和電池連接的電路中加入二極管和變壓器。最后給做好的發(fā)電部分和電池的連接體放入軟性殼中，軟性殼上配上一個(gè)顯示屏，這樣我們的可彎曲運(yùn)動(dòng)充電寶就制作完成。

3 設(shè)計(jì)思路

（1）發(fā)電原理。本產(chǎn)品充分利用電磁感應(yīng)定律和電磁力定律進(jìn)行發(fā)電。我們把具有強(qiáng)力磁性的磁體放在導(dǎo)電性較好的線圈中，磁體上端通過彈性較好的絕緣彈簧連接在由線圈構(gòu)成的閉合回路中。當(dāng)人體運(yùn)動(dòng)時(shí)隨著身體大幅度的晃動(dòng)，磁體也被身體晃動(dòng)所帶動(dòng)使我們的強(qiáng)力磁體產(chǎn)生劇烈晃動(dòng)，強(qiáng)力磁體的劇烈晃動(dòng)會(huì)切割導(dǎo)電性較好的線圈產(chǎn)生的磁感線，從而在閉合回路中產(chǎn)生感應(yīng)電流，電流從我們的充電寶的發(fā)電部分出來后，首先經(jīng)過閉合回路中的變壓器，通過變壓器可以使得閉合回路中的電壓，控制在我們可彎曲電池的額定接受電壓范圍之內(nèi)，通過變壓器后，電流會(huì)流經(jīng)我們閉合回路中的整流電路部分，因?yàn)橛缮眢w晃動(dòng)帶動(dòng)的強(qiáng)力磁體晃動(dòng)，切割磁感線產(chǎn)生的電流是呈現(xiàn)正弦式變化的，所以我們的閉合回路中的整流電路是為了進(jìn)一步將正弦式電流圖像下方的部分轉(zhuǎn)變?yōu)檎沂浇涣麟妶D形的上方，以提高我們充電寶發(fā)電的效率，在閉合回路的整流電路后，會(huì)緊跟一個(gè)濾波器，方便減小我們閉合回路中電流的浮動(dòng)，最后在閉合回路加一個(gè)穩(wěn)壓環(huán)節(jié)使得我們進(jìn)入可彎曲電池的電流是穩(wěn)定的。最終我們的可彎曲運(yùn)動(dòng)充電寶產(chǎn)生的電流，經(jīng)過閉合回路中的變壓器、整流電路、濾波器和穩(wěn)壓環(huán)節(jié)，以額定電壓穩(wěn)定的輸入到我們的可彎曲電池中，并保存起來。

（2）儲能方法。可彎曲運(yùn)動(dòng)充電寶在儲能方式上利用了可以反復(fù)彎曲一萬次以上的可彎曲鋰電池，與普通電池相比較，我們采用的可彎曲鋰電池具有高儲存能量密度、使用壽命長、額定電壓高、具備高功率承受能力、自放電率低、重量輕、高低溫適應(yīng)性強(qiáng)、綠色環(huán)保和可彎曲折疊等優(yōu)點(diǎn)。我們把可彎曲鋰電池與我們的運(yùn)動(dòng)充電寶組裝成為一個(gè)整體，在保證了運(yùn)動(dòng)充電的前提下，實(shí)現(xiàn)了充電寶的整體彎曲化。

（3）產(chǎn)品結(jié)構(gòu)。此充電寶整體上由柔軟外殼和內(nèi)部發(fā)電裝置組成。在確定了柔軟外殼的材質(zhì)下，我們以內(nèi)部發(fā)電裝置為主要任務(wù)，進(jìn)行了一系列的實(shí)驗(yàn)探究，最終確定以銅線圈和強(qiáng)力磁體作為發(fā)電部分，穩(wěn)壓電路作為電流調(diào)節(jié)部分，可彎曲鋰電池作為儲能部分，這三大部分構(gòu)成了我們的內(nèi)部發(fā)電裝置也就是充電寶的本體部分。最后將我們充電寶的柔軟外殼和我們充電寶的發(fā)電裝置組裝在一起，這樣就構(gòu)成了我們可彎曲運(yùn)動(dòng)充電寶的整個(gè)結(jié)構(gòu)。

（4）高效率發(fā)電。在發(fā)電上，磁體我們采用磁性較強(qiáng)的的強(qiáng)力磁體，為保證我們的強(qiáng)力磁體在切割磁感線時(shí)，在閉合回路中產(chǎn)生較多的感應(yīng)電流。而我們的導(dǎo)電線圈采用，導(dǎo)電性能、抗拉強(qiáng)度、電損率等各種指標(biāo)優(yōu)于鋁線圈，但僅次于銀線圈的銅線圈，原因是我們的可彎曲充電寶的受眾大多是普通經(jīng)濟(jì)水平的人群，所以在造價(jià)方面要考慮到群眾的購買力，我們選擇了用相對于銀線圈便宜的銅線圈，而在導(dǎo)電性能上，為了提高我們可彎曲運(yùn)動(dòng)充電寶的發(fā)電效率，我們采用了比鋁線圈導(dǎo)電性能更好的銅線圈，所以結(jié)合經(jīng)濟(jì)方面，以及發(fā)電效率方面，我們選擇了利用銅線圈作為我們的導(dǎo)電線圈。為了將我們的發(fā)電效率最大化，我們在發(fā)電部分進(jìn)行多次研究，最終確定了我們的發(fā)電部分，是由若干多個(gè)強(qiáng)力磁體和銅線圈并排串聯(lián)共同構(gòu)成，將每一排的強(qiáng)力磁體和銅線圈產(chǎn)生的電能進(jìn)行匯總，從而極大提高了可彎曲充電寶的充電效率。以至于我們的可彎曲充電寶能夠在微弱的震動(dòng)下產(chǎn)生較多的電能，將我們?nèi)梭w晃動(dòng)產(chǎn)生的動(dòng)能最大化地利用到可彎曲充電寶的發(fā)電效率中。

（5）彎曲特性。由于本產(chǎn)品采用的銅線圈和彈簧是極其精細(xì)的，這就使得銅線圈排成一排，每一組銅線圈都互相沒有影響，使得一排銅線圈可以圍繞成為具有一定半徑的圓形，然后再將這一排銅線圈的首端和末端連接到可彎曲的鋰電池上，使得整個(gè)充電寶像綁腿的沙袋一樣綁在腿上既方便又不影響美觀。這一彎曲特性，決定了我們的充電寶能夠和我們身體的任何部位粘合在一起，并不會(huì)對我們的身體造成擠壓性的傷害，這個(gè)特性的存在，完美地解決了普通運(yùn)動(dòng)充電寶不易攜帶的劣勢，更容易受到人們的青睞。

（6）產(chǎn)品產(chǎn)生的影響。本產(chǎn)品的研發(fā)，將會(huì)實(shí)現(xiàn)充電寶由依賴電源到脫離電源的過程，讓人們在沒有電源的情況下，能夠自主地產(chǎn)生電供人正常使用。讓人們在外出工作、旅游等需要用電的時(shí)候發(fā)揮重要作用，具有較強(qiáng)的實(shí)用性。其次，本產(chǎn)品由于它的柔軟性，將會(huì)引領(lǐng)充電寶由普通硬殼向彎曲軟殼進(jìn)行轉(zhuǎn)化。彎曲軟殼不僅手感好、易攜帶，而且在遇到劇烈沖擊和擠壓時(shí)能起到減緩作用力的作用，從而更好地保護(hù)充電寶的內(nèi)部結(jié)構(gòu)不受損壞。

（7）產(chǎn)品特色。世界上雖然已經(jīng)存在能夠通過各種途徑，進(jìn)行自主發(fā)電的充電寶，但是將自主發(fā)電和充電寶外殼柔軟性連接起來的還是少之又少的，這也是我們項(xiàng)目的一大特色。這種特色決定了我們的可彎曲運(yùn)動(dòng)充電寶，既節(jié)約資源、保護(hù)環(huán)境、便于回收，又能給使用的用戶帶來極佳體驗(yàn)效果。

4 研究總結(jié)

本次研究項(xiàng)目主要是針對充電寶的充電方式進(jìn)行改善，由電源式充電轉(zhuǎn)為運(yùn)動(dòng)式充電，將會(huì)實(shí)現(xiàn)充電寶由依賴電源到脫離電源的過程，讓人們在沒有電源的情況下，能夠自主地產(chǎn)生電能供人們正常使用。讓人們在外出工作、旅游等需要用電的時(shí)候發(fā)揮重要作用。其次是實(shí)現(xiàn)充電寶由硬殼到軟殼的過渡，將會(huì)引領(lǐng)充電寶由普通硬殼向彎曲軟殼轉(zhuǎn)化。研發(fā)運(yùn)動(dòng)式充電寶，一方面可以讓充電寶去利用人們在運(yùn)動(dòng)時(shí)消耗的動(dòng)能，使其轉(zhuǎn)化為充電寶中的電能，讓人們在鍛煉身體的同時(shí)還能節(jié)約資源、保護(hù)環(huán)境。另一方面當(dāng)人們在沒有外部電源存在的情況下，依然能夠正常對移動(dòng)設(shè)備進(jìn)行電能補(bǔ)充，防止由于意外斷電給人們帶來的損失。早在這之前就有人涉足并且已經(jīng)研究出能夠?qū)?dòng)能轉(zhuǎn)化成電能給充電寶充電，但卻因?yàn)榘l(fā)電效率低、發(fā)電不穩(wěn)定、外殼較為堅(jiān)硬和不易攜帶在身上的缺點(diǎn)，最終沒有被人們所接受，而本次研究的充電寶相比之前具有造價(jià)低、易攜帶、發(fā)電效率高等特點(diǎn)。隨著科學(xué)技術(shù)的深入，我們進(jìn)一步的發(fā)展將以提高發(fā)電效率、降低成本、功能多樣化為主要任務(wù)進(jìn)行研發(fā)。

創(chuàng)新就是發(fā)現(xiàn)生活中的一些不方便然后想盡辦法去改善它這就是創(chuàng)新的意義。而我們制作產(chǎn)品的過程中體會(huì)到的創(chuàng)新是，創(chuàng)造出來的新的產(chǎn)品不一定是人類一定需要的，但就是有了會(huì)更好，沒有對生活也沒有很大影響的東西。而本產(chǎn)品是完全從生活中來，歸結(jié)到生活中去的一次為了改善人類生活方式而進(jìn)行的創(chuàng)新。本產(chǎn)品初衷，就是為了利用生活中，運(yùn)動(dòng)消耗的不被人所利用的這一部分能量，來實(shí)現(xiàn)節(jié)約資源的目的。經(jīng)過我們一行人不懈的努力，從最開始的有想法，然后到一起去構(gòu)思這件產(chǎn)品，最后我們做出這件產(chǎn)品，雖然研究過程中遇到了很多困難，但也都硬著頭皮一一去解決。這次研發(fā)帶給我們的不僅是一次考驗(yàn)，更重要的它是我們每一位團(tuán)隊(duì)成員的一次人生中不可多得的寶貴經(jīng)歷。

參考文獻(xiàn)：

[1]金振奎，金明，賈若溪.科研論文寫作方法與技巧.北京：石油工業(yè)出版社，2018.6.

[2]郝立宇，王嘯天，譚明，謝寧.直接定量驗(yàn)證法拉第電磁感應(yīng)定律的實(shí)驗(yàn)構(gòu)思[J].大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)，2018，31（02）：31-34.

[3]勞衛(wèi)東.談直流發(fā)電機(jī)的基本工作原理、電樞反應(yīng)及換向[J].企業(yè)科技與發(fā)展，2011（22）：27-30+37.