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AbstractToday，we cannot do without intelligent devices, such as mobile phone, tablet computer, but the smart device power problem has plagued us, Charge Pals have different quality, whether through people in the movement of the mechanical energy into electrical energy to charging equipment.This paper discusses placed small generators in the shoe bottom, the lifting pressure circuit board, battery and electric energy storage and the feasibility and development prospect.Keywords: Intelligent equipment, small generators, charging目录摘要 (i)Abstract ....................................................................................................................................... i i 目录 ........................................................................................................................................... i ii 第一章引言 (1)第二章发电机发电及储存电能原理 (1)2.1 运动发电原理 (1)2.2 储存电能原理 (1)2.3 电能输出原理 (1)第三章便携式发电装置（鞋底发电机）可行性分析 (2)3.1 发电效率问题 (2)3.2 电能转化率问题 (2)3.3 成本分析 (3)3.4放置在鞋子底部的可行性 (3)第四章技术难点 (4)4.1安全性 (4)4.2效率及使用期限 (4)4.3市场全景 (4)第五章结论 (6)参考文献 (6)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。