千瓦之電，始于足下

吳文鑫 李海圓 劉澤康 任舒雅

千瓦之電，始于足下—一種基于人體運(yùn)動(dòng)的環(huán)保發(fā)電裝置通過時(shí)刻與身體的交互，實(shí)現(xiàn)將人體運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的機(jī)械能經(jīng)柔性壓電裝置轉(zhuǎn)化為電能儲(chǔ)存在后續(xù)的超級(jí)電容中的作用，其產(chǎn)生的電能可以為手機(jī)、小型音響等設(shè)備進(jìn)行供電，從而達(dá)到節(jié)能減排的效果。

作品設(shè)計(jì)的目的在于解決當(dāng)今地位日益上升的電子產(chǎn)品的續(xù)航問題以及現(xiàn)有電子續(xù)航產(chǎn)品普遍存在的體積大、容量小、污染嚴(yán)重、存在安全隱患等問題。產(chǎn)品實(shí)用性強(qiáng)、攜帶方便、制造成本較低，同時(shí)輸出電壓穩(wěn)定可靠，提高了人們對(duì)身體機(jī)械能這一無污染能源的利用與開發(fā)，節(jié)能環(huán)保。

本產(chǎn)品的核心技術(shù)為壓電效應(yīng)，利用柔性PVDF壓電薄膜（新型高分子壓電換能材料）獨(dú)特的介電效應(yīng)、壓電效應(yīng)、熱電效應(yīng)實(shí)現(xiàn)機(jī)械能和電能之間的轉(zhuǎn)換，利用信號(hào)放大模塊和穩(wěn)壓及輸出電路實(shí)現(xiàn)電壓穩(wěn)定輸出。

PVDF壓電膜是一種新型高分子壓電換能材料，它具有獨(dú)特的壓電效應(yīng)。與傳統(tǒng)的壓電材料（如壓電陶瓷）相比具有頻響寬、動(dòng)態(tài)范圍大、力電轉(zhuǎn)換靈敏度高、機(jī)械性能強(qiáng)度高、聲阻抗易匹配等特點(diǎn)，并具有重量輕、柔軟不脆、耐沖擊、不易受水和化學(xué)藥品的污染、易制成任意形狀的面積不等的片或管狀等優(yōu)勢(shì)。在振動(dòng)檢測(cè)等技術(shù)領(lǐng)域應(yīng)用十分廣泛。

本團(tuán)隊(duì)使用的聚偏氟乙烯（PVDF）壓電薄膜為鋁電極材質(zhì)，柔順性比壓電陶瓷高出10倍，膜的厚度為30μm，長(zhǎng)度為270μm，寬度為200μm，產(chǎn)品單價(jià)為2.5元/cm2，同時(shí)使用ICA10X模塊作為電荷放大電路，將被測(cè)量的電信號(hào)放大20倍，形成實(shí)時(shí)自供電的電路系統(tǒng)。5V供電時(shí)信號(hào)放大模塊套件在無振動(dòng)時(shí)輸出2.5V電平，有振動(dòng)時(shí)輸出正負(fù)波動(dòng)電平信號(hào)，信號(hào)經(jīng)由ICA10X放大后，輸入到Arduino開發(fā)板進(jìn)行信號(hào)分析與數(shù)據(jù)處理。

本產(chǎn)品為一種可穿戴式PVDF發(fā)電裝置，穿戴在身上時(shí)可采集并轉(zhuǎn)化人運(yùn)動(dòng)的機(jī)械能為電能，促進(jìn)資源的循環(huán)利用，從而實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排的效果。該發(fā)電裝置通過采用高輸出性能和高導(dǎo)電性能的柔性PVDF壓電薄膜并以雙拱形陣列結(jié)構(gòu)搭建，使得人可以通過體感交互進(jìn)行機(jī)械能向電能的轉(zhuǎn)化。本項(xiàng)目實(shí)現(xiàn)了人體機(jī)械能的高效率采集及對(duì)手機(jī)等外部設(shè)備進(jìn)行供電的功能，對(duì)于能量的二次利用具有深遠(yuǎn)意義。

同時(shí)，該設(shè)備的原理不僅可以使用在人體上，經(jīng)過深度開發(fā)后，可以使用在牲畜、機(jī)器等方面，提高對(duì)零散的、不易收集的能量的利用，達(dá)到節(jié)能減排的目的，體現(xiàn)了作品的深度開發(fā)潛力。

從消費(fèi)需求上，充電寶是"剛需"耗材產(chǎn)品，消費(fèi)者的需求十分龐大，這可使我們進(jìn)行大批量生產(chǎn)操作來獲利。從原理上來講，柔性PVDF與體感交互控制下的壓電發(fā)電裝置移動(dòng)電源的出現(xiàn)，彌補(bǔ)了移動(dòng)電源需求痛點(diǎn)的市場(chǎng)空白，為移動(dòng)電源的發(fā)展提供了新可能，前景可觀。從市場(chǎng)發(fā)展上，該產(chǎn)品的核心技術(shù)與創(chuàng)新潛質(zhì)在市場(chǎng)上具有強(qiáng)大的差異化競(jìng)爭(zhēng)能力，可提供定制化產(chǎn)品服務(wù)，并且符合國(guó)家提倡節(jié)能減排的政策，在市場(chǎng)中競(jìng)爭(zhēng)中搶占先機(jī)。

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