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—一種基于人體運動的環(huán)保發(fā)電裝置通過時刻與身體的交互，實現(xiàn)將人體運動產(chǎn)生的機械能經(jīng)柔性壓電裝置轉(zhuǎn)化為電能儲存在后續(xù)的超級電容中的作用，其產(chǎn)生的電能可以為手機、小型音響等設備進行供電，從而達到節(jié)能減排的效果。

作品設計的目的在于解決當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、污染嚴重、存在安全隱患等問題。產(chǎn)品實用性強、攜帶方便、制造成本較低，同時輸出電壓穩(wěn)定可靠，提高了人們對身體機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，利用柔性PVDF壓電薄膜（新型高分子壓電換能材料）獨特的介電效應、壓電效應、熱電效應實現(xiàn)機械能和電能之間的轉(zhuǎn)換，利用信號放大模塊和穩(wěn)壓及輸出電路實現(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，它具有獨特的壓電效應。與傳統(tǒng)的壓電材料（如壓電陶瓷）相比具有頻響寬、動態(tài)范圍大、力電轉(zhuǎn)換靈敏度高、機械性能強度高、聲阻抗易匹配等特點，并具有重量輕、柔軟不脆、耐沖擊、不易受水和化學藥品的污染、易制成任意形狀的面積不等的片或管狀等優(yōu)勢。在振動檢測等技術(shù)領(lǐng)域應用十分廣泛。

本團隊使用的聚偏氟乙烯（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，長度為270μm，寬度為200μm，產(chǎn)品單價為2.5元/cm2，同時使用ICA10X模塊作為電荷放大電路，將被測量的電信號放大20倍，形成實時自供電的電路系統(tǒng)。5V供電時信號放大模塊套件在無振動時輸出2.5V電平，有振動時輸出正負波動電平信號，信號經(jīng)由ICA10X放大后，輸入到Arduino開發(fā)板進行信號分析與數(shù)據(jù)處理。

本產(chǎn)品為一種可穿戴式PVDF發(fā)電裝置，穿戴在身上時可采集并轉(zhuǎn)化人運動的機械能為電能，促進資源的循環(huán)利用，從而實現(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行機械能向電能的轉(zhuǎn)化。本項目實現(xiàn)了人體機械能的高效率采集及對手機等外部設備進行供電的功能，對于能量的二次利用具有深遠意義。

同時，該設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、機器等方面，提高對零散的、不易收集的能量的利用，達到節(jié)能減排的目的，體現(xiàn)了作品的深度開發(fā)潛力。

從消費需求上，充電寶是"剛需"耗材產(chǎn)品，消費者的需求十分龐大，這可使我們進行大批量生產(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)電裝置移動電源的出現(xiàn)，彌補了移動電源需求痛點的市場空白，為移動電源的發(fā)展提供了新可能，前景可觀。從市場發(fā)展上，該產(chǎn)品的核心技術(shù)與創(chuàng)新潛質(zhì)在市場上具有強大的差異化競爭能力，可提供定制化產(chǎn)品服務，并且符合國家提倡節(jié)能減排的政策，在市場中競爭中搶占先機。

參考文獻

[1]韓維霞.發(fā)展新能源的必要性分析[J].科技與生活，2010（22）：218.

[2]欒桂冬，張金鐸，王仁乾.壓電換能器和換能器陣[M].北京：北京大學出版社，2005.

[3]李明，陳西府，盧倩壓電疊層作動系統(tǒng)柔性機構(gòu)的仿真設計[M].2018.11.

[4]劉旭，武澎，呂延軍.一種柔性PVDF壓電薄膜傳感器的制備方案[J].儀表技術(shù)與傳感器，2016（01）：4-6.