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第一届沙河校区创意大赛学生竞赛项目论文振动充电电池2011年3月28日摘要现代社会能源问题日益严峻，世界各国为了自身的发展，对能源问题始终保持着极大的关注和高度的重视。为了解决这个关系到国家发展兴衰的问题，人们除了在开发利用新型能源的同时，也在积极的寻求适当的方法将之前没有能充分利用的能源收集起来，重新加以利用。而振动充电电池就是一个合理利用日常无处不在却又时常被大家忽略的机械振动能量的较好例子。该电池根据电磁感应原理，通过晃动电池由直线型振动发电机产生感应电动势，再通过相应的电能存储装置将电能储存起来，最终达到给电池充电，利用振动能量的目的。关键词：直线型振动发电机 电磁感应效应 镍氢充电电池 第一届沙河校区创意大赛学生竞赛项目论文目录目录1图表目录1第一章 引言21.1时代背景21.2创意的产生21.3 充电电池现状2第二章 项目介绍42.1 整体结构42.2 发电结构42.3 蓄电结构52.4 其他结构5第三章 评估及应用展望63.1 项目优缺点63.2 应用6第四章 项目总结7参考文献8附录9图表目录图 1 IF-BATTERY3图 2 WIND-UP BATTERY3图 3 USBCELL3图 4 直线振动发电机4图 5 eneloop镍氢电池5图 6 2种直线发电机一个周期内的空载感应电动势变化曲线10图 7 超晶格储氢合金的结构示意图10图 8 采用超晶格储氢合金作负极电池的贮存性能10第一章 引言1.1时代背景当今社会，能源是人类活动的物质基础。在某种意义上讲，人类社会的发展离不开优质能源的出现和先进能源技术的使用。而在人类社会的不断发展进步中，能源问题已经成为了全球各个国家都密切关注且急待解决的问题。在开发利用自身能源的同时，一些发达国家也在以各种各样的名义，掠夺其他国家的能源，以供自己的发展所需。能源问题不仅仅给大家带来了一种对未来生存发展的担忧，也在政治、经济、文化等各个领域影响着全球各地的人们，而且由于能源问题引发的战争冲突更是给人们带来了极大的损失和痛苦。除了寻找之前尚未发现的新能源之外，从我们目前的能源现状入手，对一些之前没有得到足够重视的、没有得到合理利用的能源重新审视，加以利用也是解决目前能源问题的一个可行方法。利用那些存在于身边的能量，通过一定的方法将能量积攒起来，实现能量的再次利用。这种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较小，不需要长时间不间断供能的领域有着自己独一无二的优势。1.2创意的产生在多种多样的能源当中，电能是目前我们开发利用得最多最广的一种能源。通过其他形式能源的转换，电能可以应用在生产生活的各个领域。而在大家的日常生活中，电池就是一种最常见的电能存储装置。我们的各种电子数码产品大多都在使用电池。电子数码产品的发展极其迅速，功能越来越强，可随之而来的能耗问题却没能得到很好的解决。这一点可以从手机上看到：手机现在可以摄录，投影，3D显示，功能越来越多，可是待机能力确越来越差。很多人都不得不随身携带一块备用电池以备不时之需。于是我想到要发明一种电池，这种电池可能并不能提供很多的电能，但是可以用很简单的方法对其充电，尤其是可以收集利用日常生活中一些微小的能量。在中学阶段我们已经学过可以通过电磁感应效应进行发电。我首先想到的是按压式手电筒。不过鉴于尺寸大小问题而放弃。之后在市场上又见到了一种手摇式手电筒，于是我决定利用相似的原理，发明一种振动充电电池。在需要充电的时候，只需要通过上下振动电池就能对其进行充电，方便快捷。1.3 充电电池现状目前的充电电池主要有五种：镍镉、镍氢、锂离子、铅蓄、铁锂。在电子产品朝着“短、小、轻、薄”的趋势发展的同时，作为电子产品不可或缺的电池，其重要性也越来越显著二十一世纪的充电电池具有大容量、高功率、长寿命、无污染、安全可靠轻便的特点。同时，将充电电池与充电装置融合在一起，成为新一代充电电池设计的发展趋势。例如目前的一些新型概念充电电池就体现了这种趋势。图 1 IF-BATTERY如这种叫做IF-BATTERY的电池, 直接把充电功能加进电池身中，点亮用完后直接打开侧面的盖子，把插口翻出来直接插上充电就行，方便携带，只要有插座的地方都可以使用，充电充满了则有颜色提示。图 2 WIND-UP BATTERY 还有一种手摇充电电池WIND-UP BATTERY，应用的也是类似的想法。图 3 USBCELL目前最成熟的是一种叫做USBCELL的充电电池，将标准的USB接口内置在充电电池内，要充电时，只需要将电池插到任意一个USB接口里即可。充电时，绿灯将会亮起，当充电达到90%时，LED灯就会不停闪烁。当全部充满时，就会自动熄灭。目前该充电电池已投入市场应用。第二章 项目介绍2.1 整体结构该振动充电电池外形为符合国际电工协会（IEC）标准的圆柱形电池，根据其充电容量及使用范围的不同可以设计为R20、R14、R6和R03 此为国际电工协会对各类电池的编号，这里分别对应1号、2号、5号（AA型）和7号（AAA型）电池。等各种大小形状。其内部结构主要分为发电和蓄电两部分，分别采用直线式微型振动发电机和镍氢充电电池。除此之外，还有一些其他的保护控制结构装置。2.2 发电结构该结构是本振动充电电池的核心结构，是实现利用振动的能量对电池进行充电的主要结构。电磁感应原理告诉我们，放在变化磁通量中的导体，会产生电动势。而若将此导体闭合成一回路，则该电动势会驱使电子流动，形成感应电流。根据此原理，我们设计了一种发电机，叫做振动发电机。振动发电机主要由永磁体和线圈两部分组成，通过两者的相对运动使线圈内部的磁通量发生改变，产生感应电动势，继而产生感应电流，实现对外部的供电。振动发电机可以有多种形态，而在这根据电池的形状和振动特点选用直线式振动发电机。又根据永磁体和线圈的布局和运动振子的不同，可以分为永磁体内置式直线振动发电机和永磁体外置式直线振动发电机，如下图（a）（b）所示。图 4 直线振动发电机永磁体内置式直线振动发电机中线圈在发电机外围缠绕成环状，内部圆柱体的永磁体能够沿着中轴上下运动。永磁体外置式直线振动发电机则是圆柱型铁芯固定在发电机中轴处作为直线导轨，线圈缠绕在直线导轨周围并固定，环形永磁体放置在线圈外部作为运动振子。相关文献论文【1】表明，永磁体外置式直线振动发电机与永磁体内置式发电机相比具有限流功能，去磁效应小，发电机稳定性强，效率高等优点，具有较高的优越性和很大的发展潜力。因而在这选用永磁体外置式直线振动发电机作为发电结构。公式En/t可知，要提高感应电动势，可从n、t这三方面入手。把导线绕成紧密的绕组线圈，增大n的值，使每次振子的运动都能一起多个线圈磁通量的变化。在这应选用小内阻率的材料，这样才能做得比较细小又不会有较大内助。还要在导线表面涂漆，进行绝缘处理。选用磁性较强的永磁体也能增大。通过查阅相关资料，我决定选择使用钕铁硼磁性材料。钕铁硼具有极高的磁能积和矫力，同时还具有高能量密度的优点，这都满足振动发电机中永磁体的要求。在发电机两端面装有弹簧，不仅可以消除永磁体和端面间的机械磨损，还可以提高发电机的性能。实验研究表明：当发电机运动频率与弹簧频率相同时，可以形成共振，此时发电机性能最佳。2.3 蓄电结构图 5 eneloop镍氢电池 在进行电能的储存之前，这还有一个问题需要解决。从该直线型发电机的工作原理来看，当永磁体从图中最下方向上运动和永磁体反向运动时，磁感线切割反向相反，产生的是反向的电动势。因此，该发电机产生的是交流电。为了解决这个问题，我使用了二极管对交流电流进行整流，利用二极管的单向导电性将正负变化的交流电压变为单向脉动电压。我选用镍氢充电电池而不是目前许多电子产品所使用的锂离子电池，是受日本三洋公司（SANYO）的eneloop镍氢充电电池的影响。镍氢电池有较大的能量密度比，而且“电池记忆效应”比较小，这对于振动发电机自身较小的电量输出来说还是有帮助的。虽说镍氢电池也有自放电现象自放电又称荷电保持能力，它是指在开路状态下，电池储存的电量在一定环境条件下的保持能力。比较严重的问题，不过可以借鉴eneloop镍氢电池的设计，使用不含钴和锰的改进型超晶格结构储氢合金，对隔膜进行亲水处理抑制穿梭效应 穿梭效应是指含氮化合物和电池中的其他电解质引起的反应。在穿梭效应中，存在正极和负极之间的电离子交换，这导致了正极的电量减少，也就是自放电。等，使该电池能用较低的自放电率。并且镍氢电池不想传统镍镉电池那样含有有毒的镉，可以避免重金属元素对环境带来的污染问题，绿色环保。在这里我把镍氢电池设计成细长的圆柱体机构，外面包裹一层光滑的铁皮，作为振动发电机的直线导轨。这样的设计合理的安排了空间，增大了运动振子的行程，有利于提高充电效率。2.4 其他结构虽说该发电机充电电压较低，提供的能量较少，但是为了安全起见，我还在电池中安置了一块电池控制芯片。该芯片能够进行电池充电控制，保证在平常使用中的安全性和可靠性。第三章 评估及应用展望3.1 项目优缺点我是从手摇式节能手电筒处得到启发，从而得到振动充电电池的创意的。该电池相比于其他需要充电设备利用电能充电的充电电池来说，有着自己独特的优势。首先它利用的并不是电能，而是通过生活中无处不在的振动所具有的能量给电池充电的。其次是该充电电池自带充电设备，并不需要借助其他的外部充电设备。这一特性就决定了它能够在更多的领域得到运用。再就是它利用物体的机械振动发电，将能量重新回收利用起来，有利于节能减排。但是万物都有利就有弊。该电池也面临着不少的问题需要改进，某些地方的可行性还需要加以更加深入的研究讨论。电池体积较小，如何在这么狭小的空间中合理地安排布局，实现空间的最大化利用是一项严峻的挑战。同时因为直线式振动发电机所能产生的电能较少，在某些情况下振子的运动不够迅速流畅，可能就达不到镍氢充电电池所需的充电电压，这不仅不能对电池充电，还有可能会引起能量的不必要浪费。这都需要在日后的研究设计中不断调整改善。3.2 应用因为该电池是通过振动发电机进行充电，且受发电机自身规律的限制，因此应用面相对较窄，适用于一些振动及耗电量较低的设备上 。最常见的还是手电筒，手电筒在使用过程中不断地晃动，就能让电池不断充电。同时该电池也适用于电视遥控器等装置。除了能边使用边充电外，我们还能在其他活动下对其进行充电，待充电结束后再在其他设备中进行使用。比如说在跳绳、骑山地车甚至跑步过程中进行充电。在某些紧急情况下，我们可以通过人力摇动电池给电池充电。本设计主要是考虑到将充电电池和充电设备统一到电池上去，实现随时随地的回收能量，充电再利用。在实际应用中其实可以抛弃蓄电结构，直接用振动发电机开发一套振动充电设备，用其对普通的充电电池进行充电。第四章 项目总结通过在这次创意大赛对振动充电电池的研究与设计，我得到了很多收获。要把一个小小的想法创意变成一个切实可行的设计，我们需要很多很多的知识及动手能力。其实在很多时候课堂上的东西对于我们的需要来说是远远不够的，可能在课本上就是一句话或是一个公式，但是我们要自己去查阅许多相关的资料，自主去学习，有什么自己不懂的东西要虚心的向他人请教，不能一味孤行。要善于听取他人的意见，及时做出改