6北航啟先杯論文范文

1、第一屆沙河校區(qū)創(chuàng)意大賽學(xué)生競(jìng)賽 項(xiàng)目論文振動(dòng)充電電池2011年3月28日摘要現(xiàn)代社會(huì)能源問題日益嚴(yán)峻，i比界各國(guó)為了自身的發(fā)展，對(duì)能源問題始終保持著極大的 關(guān)注和高度的重視。為了解決這個(gè)關(guān)系到國(guó)家發(fā)展興衰的問題，人們除了在開發(fā)利川新型能 源的同時(shí)，也在積極的尋求適當(dāng)?shù)姆椒▽前沒有能充分利用的能源收集起來(lái)，車新加以利 用。而振動(dòng)充電電池就是一個(gè)合理利用日常無(wú)處不在卻乂時(shí)常被大家忽略的機(jī)械振動(dòng)能量的 較好例子。該電池根據(jù)電磁感應(yīng)原理，通過晃動(dòng)電池山直線型振動(dòng)發(fā)電機(jī)產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì), 再通過相應(yīng)的電能存儲(chǔ)裝置將電能儲(chǔ)存起來(lái)，最終達(dá)到給電池充電，利用振動(dòng)能量的ri的。關(guān)鍵詞：直線型振動(dòng)發(fā)電機(jī) 電磁感應(yīng)

2、效應(yīng) 欽氟充電電池目錄目錄1圖表目錄1第一章引言21.1時(shí)代背景21.2創(chuàng)意的產(chǎn)牛21.3充電電池現(xiàn)狀2第二章項(xiàng)目介紹42. 1整體結(jié)構(gòu)42.2發(fā)電結(jié)構(gòu)42.3莆電結(jié)構(gòu)52.4其他結(jié)構(gòu)5第三章 評(píng)估及應(yīng)用展望63. 1項(xiàng)目?jī)?yōu)缺點(diǎn)63.2應(yīng)川6第四章項(xiàng)目總結(jié)7參考文獻(xiàn)8附錄9圖表目錄圖 1 if-battery3圖 2 wind-up battery3圖 3 usbcell3圖4直線振動(dòng)發(fā)電機(jī)4圖5ene1oop銀氫電池5圖6 2種直線發(fā)電機(jī)一個(gè)周期內(nèi)的空載感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)變化曲線9圖7超品格儲(chǔ)氫合金的結(jié)構(gòu)示意圖9圖8采用超晶格儲(chǔ)氫合金作負(fù)極電池的貯存性能9第一章引言1.1時(shí)代背景當(dāng)今社會(huì)，能源是人類

3、活動(dòng)的物質(zhì)基礎(chǔ)。在某種意義上講，人類社會(huì)的發(fā)展離不開優(yōu)質(zhì) 能源的出現(xiàn)和先進(jìn)能源技術(shù)的使川。而在人類社會(huì)的不斷發(fā)展進(jìn)步屮，能源問題己經(jīng)成為了 全球各個(gè)國(guó)家都密切關(guān)注h急待解決的問題。在開發(fā)利川自身能源的同時(shí)，一些發(fā)達(dá)國(guó)家也 在以各種各樣的名義，掠奪其他國(guó)家的能源，以供自己的發(fā)展所需。能源問題不僅僅給大家 帶來(lái)了一種對(duì)未來(lái)牛存發(fā)展的擬憂，也在政治、經(jīng)濟(jì)、文化等各個(gè)領(lǐng)域影響著全球各地的人 們，而口山于能源問題引發(fā)的戰(zhàn)爭(zhēng)沖突更是給人們帶來(lái)了極大的損失和痛苦。除了尋找之前 尚未發(fā)現(xiàn)的新能源之外，從我們目前的能源現(xiàn)狀入手,対一些之前沒有得到足夠重視的、沒 有得到合理利用的能源重新審視，加以利用也是解決h前

4、能源問題的一個(gè)可行方法。利用那 些存在于身邊的能量，通過一定的方法將能量積攢起來(lái)，實(shí)現(xiàn)能量的再次利用。這種能源的 回收利用可能并不能收集到很大很多的能量，但是在一些所需能量較小，不需要長(zhǎng)時(shí)間不間 斷供能的領(lǐng)域有著自c獨(dú)一無(wú)二的優(yōu)勢(shì)。1.2創(chuàng)意的產(chǎn)生在多種多樣的能源當(dāng)中，電能是目前我們開發(fā)利用得最多最廣的一-種能源。通過其他形 式能源的轉(zhuǎn)換，電能可以應(yīng)用在牛產(chǎn)?；畹母鱾€(gè)領(lǐng)域。而在大家的h常牛活中，電池就是一 種故常見的電能存儲(chǔ)裝置。我們的各種電子數(shù)碼產(chǎn)品大多都在使用電池。電子數(shù)碼產(chǎn)品的發(fā) 展極具迅速，功能越來(lái)越強(qiáng)，可隨之而來(lái)的能耗問題卻沒能得到很好的解決。這一點(diǎn)可以從 手機(jī)上看到：手機(jī)現(xiàn)在對(duì)以攝

5、錄，投影，3d顯示，功能越來(lái)越多，可是待機(jī)能力確越來(lái)越 差。很多人都不得不隨身攜帶一塊備川電池以備不時(shí)之需。于是我想到要發(fā)明一種電池，這 種電池可能并不能提供很多的電能，但是可以川很簡(jiǎn)單的方法對(duì)其充電，尤其是可以收集利 川口常生活中一些微小的能量。在屮學(xué)階段我們已經(jīng)學(xué)過可以通過電磁感應(yīng)效應(yīng)進(jìn)行發(fā)電。 我首先想到的是按壓式手電筒。不過鑒于尺寸大小問題而放棄。之后在市場(chǎng)上又見到了一種 手搖式手電筒，于是我決定利用相似的原理，發(fā)明一種振動(dòng)充電電池。在需要充電的時(shí)候, 只需要通過上下振動(dòng)電池就能對(duì)其進(jìn)行充電，方便快捷。1.3充電電池現(xiàn)狀n前的充電電池主要有五種：欽鎘、銀軾、鋰離子、鉛蒂、鐵鋰。在電子產(chǎn)

6、品朝著''短、 小、輕、薄”的趨勢(shì)發(fā)展的同時(shí)，作為電子產(chǎn)品不可或缺的電池，其重要性也越來(lái)越顯著二 十一世紀(jì)的充電電池具有大容量、髙功率、長(zhǎng)壽命、無(wú)污染、安全可靠輕便的特點(diǎn)。同時(shí), 將充電電池與充電裝置融合在一起，成為新一代充電電池設(shè)計(jì)的發(fā)展趨勢(shì)。例如i前的一些 新型概念充電電池就體現(xiàn)了這種趨勢(shì)。圖 1 if-battery圖 2 wind-up battery圖 3 usbcell如這種叫做if-battery的電池，直接把充 電功能加進(jìn)電池身屮，點(diǎn)亮川完后直接打開側(cè)面 的蓋子，把插口翻出來(lái)直接插上充電就行，方便 攜帶，只要有插座的地方都可以使用，充電充滿 了則有顏色提示。還有

7、一種手搖充電電池wind-up battery,應(yīng)用的也是類似的想法。目前最成熟的是一種叫做usbcell的充電 電池，將標(biāo)準(zhǔn)的usb接口內(nèi)賈在充電電池內(nèi)，要 充電時(shí)，只需要將電池插到任意一個(gè)usb接口里 即可。充電時(shí)，綠燈將會(huì)亮起，當(dāng)充電達(dá)到90% 時(shí)，led燈就會(huì)不停閃爍。當(dāng)全部充滿時(shí)，就會(huì) 白動(dòng)熄滅。日前該充電電池已投入幣場(chǎng)應(yīng)用。第二章項(xiàng)目介纟2. 1整體結(jié)構(gòu)該振動(dòng)充電電池外形為符合國(guó)際電工協(xié)會(huì)（iec）標(biāo)準(zhǔn)的惻柱形電池，根據(jù)其充電容量 及使用范圍的不同可以設(shè)計(jì)為r20、r14、r6和r03】等各種大小形狀。其內(nèi)部結(jié)構(gòu)主要分 為發(fā)電和蓄電兩部分，分別采用直線式微型振動(dòng)發(fā)電機(jī)和銀氫充電電池

8、。除此之外，述有一 些其他的保護(hù)控制結(jié)構(gòu)裝置。2.2發(fā)電結(jié)構(gòu)該結(jié)構(gòu)是木振動(dòng)充電電池的核心結(jié)構(gòu)，是實(shí)現(xiàn)利川振動(dòng)的能量對(duì)電池進(jìn)行充電的主要結(jié) 構(gòu)。電磁感應(yīng)原理告訴我們，放在變化磁通量中的導(dǎo)體，會(huì)產(chǎn)牛電動(dòng)勢(shì)。而若將此導(dǎo)體閉合 成一冋路，則該電動(dòng)勢(shì)會(huì)驅(qū)使電子流動(dòng)，形成感應(yīng)電流。根據(jù)此原理，我們?cè)O(shè)計(jì)了-種發(fā)電 機(jī)，叫做振動(dòng)發(fā)電機(jī)。振動(dòng)發(fā)電機(jī)主要山永磁體和線圈兩部分組成，通過兩者的相對(duì)運(yùn)動(dòng)使 線圈內(nèi)部的磁通量發(fā)生改變，產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，繼而產(chǎn)生感應(yīng)電流，實(shí)現(xiàn)對(duì)外部的供電。振 動(dòng)發(fā)電機(jī)町以有多種形態(tài)，而在這根據(jù)電池的形狀和振動(dòng)特點(diǎn)選用xl線式振動(dòng)發(fā)電機(jī)。乂根 據(jù)永磁體和線圈的布局和運(yùn)動(dòng)振子的不同，可以分為永磁

9、體內(nèi)置式直線振動(dòng)發(fā)電機(jī)和永磁體 外置式直線振動(dòng)發(fā)電機(jī)，如下圖（a） （b）所示。xsz 34 /i/zs<（a）永磁體內(nèi)置式（b）永磁體外置式1 彈簧；2-永磁體；3 繞組；4-鐵心圖4直線振動(dòng)發(fā)電機(jī)永磁體內(nèi)置式直線振動(dòng)發(fā)電機(jī)中線圈在發(fā)電機(jī)外圍纏繞成環(huán)狀，內(nèi)部圓柱體的永磁體能'此為國(guó)際電t協(xié)會(huì)對(duì)各類電池的編號(hào)，這里分別對(duì)應(yīng)1號(hào)、2號(hào)、5號(hào)（aa型）和7號(hào)（aaa熨） 電池。夠沿著中軸上下運(yùn)動(dòng)。永磁體外賈式直線振動(dòng)發(fā)電機(jī)則是圓柱型恢芯固定在發(fā)電機(jī)中軸處作 為直線導(dǎo)軌，線圈纏繞在直線導(dǎo)軌周圍并固定，環(huán)形永磁體放置在線圈外部作為運(yùn)動(dòng)振了。 相關(guān)文獻(xiàn)論文表明，永磁體外置式直線振動(dòng)發(fā)電機(jī)與

10、永磁體內(nèi)置式發(fā)電機(jī)相比具有限流 功能，去磁效應(yīng)小，發(fā)電機(jī)穩(wěn)定性強(qiáng)，效率高等優(yōu)點(diǎn)，具有較高的優(yōu)越性和很大的發(fā)展?jié)摿Α?因而在這選用永磁體外置式直線振動(dòng)發(fā)電機(jī)作為發(fā)電結(jié)構(gòu)。公式e=nao/at可知，要提高感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，可從n、m這三方而入手。把導(dǎo)線繞 成緊密的繞組線圈，增人n的值，使每次振子的運(yùn)動(dòng)都能一起多個(gè)線圈磁通量的變化。在這 應(yīng)選用小內(nèi)阻率的材料，這樣才能做得比較細(xì)小又不會(huì)有較大內(nèi)助。還要在導(dǎo)線表面涂漆, 進(jìn)行絕緣處理。選用磁性較強(qiáng)的永磁體也能增大a。通過查閱相關(guān)資料，我決定選擇使用 飲恢硼磁性材料。飲鐵硼具有極高的磁能積和僑力，同時(shí)還具有高能量密度的優(yōu)點(diǎn)，這都滿 足振動(dòng)發(fā)電機(jī)中永磁體的要求。

11、在發(fā)電機(jī)兩端而裝有彈簧，不僅可以消除永磁體和端而間的 機(jī)械磨損，還可以提高發(fā)電機(jī)的性能。實(shí)驗(yàn)研究表明：當(dāng)發(fā)電機(jī)運(yùn)動(dòng)頻率與彈簧頻率相同時(shí), 可以形成共振，此時(shí)發(fā)電機(jī)性能最佳。2.3蓄電結(jié)構(gòu)在進(jìn)行電能的儲(chǔ)存z前，這還有一個(gè)問題需耍解決。從該直線型發(fā)電機(jī)的工作原理 來(lái)看，當(dāng)永磁體從圖中最下方向上運(yùn)動(dòng)和永磁體反向運(yùn)動(dòng)時(shí)，磁感線切割反向相反，產(chǎn)生的 是反向的電動(dòng)勢(shì)。因此 該發(fā)電機(jī)產(chǎn)生的是交流電。為了解決這個(gè)問題，我使用了二極管對(duì) 交流電流進(jìn)行整流，利用二極管的單向?qū)щ娦詫⒄?fù)變化的交流電壓變?yōu)閱蜗蛎}動(dòng)電壓。我 選用銀氫充電電池而不是h前許多電子產(chǎn)品所使用的鋰離子電池，是受日本三洋公司(sanyo)的en

12、eloop銀氫充電電池的影響。鐮氫電池有較大的能量密度比，而且“電池eneloop圖5 eneloop謀氫電池記憶效應(yīng)”比較小，這對(duì)于振動(dòng)發(fā)電機(jī)自身較小的 電量輸出來(lái)說(shuō)還是有幫助的。雖說(shuō)銀氮電池也有自 放電現(xiàn)象2比較嚴(yán)重的問題，不過可以借鑒eneloop 線氫電池的設(shè)計(jì)，使用不含鉆和鎰的改進(jìn)型超晶格 結(jié)構(gòu)儲(chǔ)氫合金，對(duì)隔膜進(jìn)行親水處理抑制穿梭效應(yīng)彳 等，使該電池能用較低的自放電率。并且牒氫電池 不想傳統(tǒng)銀鎘電池那樣含有有毒的鎘，可以避免重 金屬元素對(duì)環(huán)境帶來(lái)的污染問題，綠色環(huán)保。在這 里我把銀氫電池設(shè)計(jì)成細(xì)匕的圓柱體機(jī)構(gòu)，外面包 裹一層光滑的鐵皮，作為振動(dòng)發(fā)電機(jī)的直線導(dǎo)軌。這樣的設(shè)計(jì)合理的女排了

13、空間，增大了運(yùn)動(dòng)振子的行程，有利于提高充電效率。2. 4其他結(jié)構(gòu)雖說(shuō)該發(fā)電機(jī)充電電壓較低，提供的能量較少，但是為了安全起見，我還在電池中女置 了一塊電池控制芯片。該芯片能夠進(jìn)行電池充電控制，保證在平常使用中的女全性和可靠性。2 口放電乂稱荷電保持能力，它是指在開路狀態(tài)下，電池儲(chǔ)存的電量在一定環(huán)境條件下的保持能力。3穿梭效應(yīng)是指含氮化合物和電池中的其他電解質(zhì)引起的反應(yīng)。在穿梭效應(yīng)中，存在正極和負(fù)極z間 的電離子交換，這導(dǎo)致了正極的電量減少，也就是自放電。第三章評(píng)估及應(yīng)用展望3.1項(xiàng)目?jī)?yōu)缺點(diǎn)我是從手搖式節(jié)能手電筒處得到啟發(fā)，從而得到振動(dòng)充電電池的創(chuàng)意的。該電池相比于 其他需要充電設(shè)備利用電能充電的

14、充電電池來(lái)說(shuō)，有著口己獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)。首先它利用的并不 是電能，而是通過生活中無(wú)處不在的振動(dòng)所具有的能量給電池充電的。其次是該充電電池自 帶充電設(shè)備，并不需要借助其他的外部充電設(shè)備。這一特性就決定了它能夠在更多的領(lǐng)域得 到運(yùn)川。再就是它利用物體的機(jī)械振動(dòng)發(fā)電，將能量車新回收利用起來(lái)，有利丁節(jié)能減排。 但是力物都有利就有弊。該電池也而臨著不少的問題需要改進(jìn)，某些地方的町行性還需要加 以更加深入的研究討論。電池體積較小，如何在這么狹小的空間中合理地安排布局，實(shí)現(xiàn)空 間的最大化利用是一項(xiàng)嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)。同時(shí)因?yàn)橹本€式振動(dòng)發(fā)電機(jī)所能產(chǎn)生的電能較少，在某 些情況下振子的運(yùn)動(dòng)不夠迅速流暢，可能就達(dá)不到鎳氫充電電池

15、所需的充電電壓，這不僅不 能對(duì)電池充電，還有可能會(huì)引起能童的不必要浪費(fèi)。這都需要在口后的研究設(shè)計(jì)屮不斷調(diào)整 改善。3.2應(yīng)用因?yàn)樵撾姵厥峭ㄟ^振動(dòng)發(fā)電機(jī)進(jìn)行充電，且受發(fā)電機(jī)自身規(guī)律的限制，因此應(yīng)用面相對(duì) 較窄，適用于一些振動(dòng)及耗電量較低的設(shè)備上。最常見的還是手電筒，手電筒在使用過程 屮不斷地晃動(dòng)，就能讓電池不斷充電。同時(shí)該電池也適川于電視遙控器等裝置。除了能邊使 川邊充電外，我們還能在其他活動(dòng)下對(duì)其進(jìn)行充電,待充電結(jié)束后再在其他設(shè)備屮進(jìn)行使川。 比如說(shuō)在跳繩、騎山地車其至跑步過程中進(jìn)行充電。在某些緊急情況下，我們可以通過人力 搖動(dòng)電池給電池充電。本設(shè)計(jì)主要是考慮到將充電電池和充電設(shè)備統(tǒng)一到電池上

16、去，實(shí)現(xiàn)隨時(shí)隨地的回收能 量，充電再利用。衣實(shí)際應(yīng)川中其實(shí)可以拋芥蓄電結(jié)構(gòu)，直接用振動(dòng)發(fā)電機(jī)開發(fā)一套振動(dòng)充 電設(shè)備，用其對(duì)普通的充電電池進(jìn)行充電。第四章項(xiàng)目總結(jié)通過在這次創(chuàng)意大賽對(duì)振動(dòng)充電電池的研究與設(shè)計(jì)，我得到了很多收獲。要把一個(gè)小小 的想法創(chuàng)意變成一個(gè)切實(shí)可行的設(shè)計(jì)，我們盂要很多很多的知識(shí)及動(dòng)手能力。其實(shí)在很多時(shí) 候課堂上的東西對(duì)于我們的需要來(lái)說(shuō)是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的，可能在課本上就是一句話或是一個(gè)公 式，但是我們要自己去查閱許多相關(guān)的資料，自主去學(xué)習(xí)，有什么自己不懂的東西要虛心的 向他人請(qǐng)教，不能一味孤行。要善于聽取他人的意見，及時(shí)做出改進(jìn)。讓我收獲最大，體會(huì) 最深的就是在整個(gè)過程中我們都必須認(rèn)認(rèn)真真，腳踏實(shí)地，一步步地前進(jìn)。只有自己川心的 付出，全力的投入，才能換來(lái)最后成熟