第30届全国青少年科技创新大赛中小学生优秀作品

第30届全国青少年科技创新大赛中小学生优秀科技创新作品项目选摘中国科学技术协会2015年8月*注：本册选摘作品著作权由大赛组委会保留，请勿用作非法用途。隔墙取电——无线能量传输的应用探索李治平上海市闵行区青少年活动中心，初中组基本信息项目编号：EN152037学科分类：工程学竞赛组别：初中组代表队：上海关键字：无线能量传输射频整流磁耦合共振WPT项目简介本项目设计并实现了一种体积小、实用性强的无线能量传输装置，能够使电能穿过墙体给另一侧电器提供电能，并研究了一些关键参数对无线能量传输特性的影响。日常生活中，给墙体的另一侧电器供电，要穿过窗户或大门拉很长的电线，既不方便，又有隐患。本项目要设计一种装置，使电能穿过墙体给另一侧电器提供电能，解决生活中用电不方便的问题。本项目经过调研、结构设计、材料的采购、谐振器的反复制作、射频功率的比对测量、负载对传输效率以及调谐范围的研究以及射频整流的实现等多个研究环节，实现了无线能量传输并得到了有参考价值的结论。本项目应用了磁耦合共振的能量无线传输原理，通过发送和接受谐振器的共振完成了非辐射电磁场的能量传输。在测量射频功率时，应用了电能和热能相互转换的原理，并使用变量控制法保证测量精度。本项目有三个创新点：①探索并实现了一种新的谐振器布局，突破了传统装置中四线圈结构，整个系统只用两个线圈，使整个装置具有体积小、容易安装、便于携带等优点。②本项目设计了一套射频功率测量方案，利用常用仪器完成了对射频功率的测量，并对不同阻抗负载进行了射频功率测量，解决了传统射频功率计只能等效为50Ω负载进行测量，而不能测量其他阻抗负载功率的问题。并探讨了负载阻抗对传输效率、共振调谐范围的影响等问题。③本项目对接收到的射频进行了整流，通过将检波二极管合理排布实现了较大功率的射频整流。现有见诸报道的磁耦合共振系统是由发射线圈、两个共振线圈以及接收线圈共四个线圈构成。至今未见整个系统只有两个线圈的报道。也未见负载阻值影响传输效率的实验结果的报道。本项目用廉价常用的检波二极管实现射频整流的方法也未见报道。完善该项目的设想：一、改善线圈形状，找到最优参数。二、研究一对多的无线能量传输可行性及特点。三、使用逆变器将直流电逆变为AC220V，以增加应用范围。“互联网+”健身竞技系统-基于穿戴式体感的街景漫游设计陈山福建省福州屏东中学，高中组基本信息项目编号：EN153097学科分类：工程学竞赛组别：高中组代表队：福建关键字：穿戴式体感健身互联竞技街景地图项目简介“互联网+”健身竞技系统——基于穿戴式体感的街景漫游设计本项目以物联网技术、穿戴式体感设计和街景漫游技术为基础，充分利用现有传统健身器材和互联网资源，整合构建一套新的数字化健身竞技系统。通过穿戴式体感系统采集用户运动状态参数，驱动计算机中街景地图数据的更新显示以及音效、空气等虚拟仿真场景的同步实现，为用户带来贴近真实户外运动的体验；同时通过互联数据传输设计，更好地实现多用户之间的团体健身竞技。作者在室内体育锻炼过程中，逐渐产生利用穿戴式体感系统+互联网+生活化的海量街景地图来改造现有健身设备的想法，意在为室内健身运动营造美好的户外实景体验，增强体育锻炼的娱乐性、竞技性和趣味性。为此，作者在研发过程中，围绕可穿戴式传感器、互联竞技功能以及逼真的街景漫游，着力研究设计了穿戴式体感系统、多人互联竞技系统和仿真实景系统。项目的创新点在于：利用自主研发的硬件体积小、穿戴灵活便捷的穿戴式传感器采集运动参数，以无线收发芯片支持无线传输，可靠性强；采用互联传感设计获取多用户运动数据，实现多人同台健身竞技和远程联机竞技，稳定性好；自主研发街景地图更新触发算法，配以实时音乐和喷雾等，更好地实现移步换景、身临其境的同步效果；产品通用性强、适用性广、成本低廉、组装方便，充分利用现有健身器材和网络资源，适于全民健身运动。经成果查新检索，未见现有公开发表的国内外文献资料有相同报道。故作者已向国家专利局申请“一种穿戴式体验本地多人互联的装置”实用新型专利。完善该项目的设想：加强多平台、多通信方式兼容，提升产品扩展性、智能性；完善仿真场景处理，根据户运动状态更好地驱动不同音效、空气等虚拟仿真场景的同步实现；在产品小型化、实用性、美观性、可靠性和稳定性等方面继续提升；将用户的运动数据与身体健康数据库互联，对用户的身体健康状况作出综合评价和建议；积极促进成果转化、技术转让和生产应用的产业化。一种新型可重复使用纸及其打印装置李冠纯吉林大学附属中学，高中组基本信息项目编号：EN153036学科分类：工程学竞赛组别：高中组代表队：吉林关键字：重复使用纸光致变色紫外项目简介发明了一种可重复使用的新型纸，当受控的紫外光照射其表面时，其表面的光致变色材料发生光化学还原反应，被照部分“变色成字”，书写和打印过程中紫外光起到“笔”的作用。将这种纸自然放置于空气中一段时间后，变色材料与空气中的氧气发生氧化反应并失去颜色，纸张“消字复原”，从而实现重复使用。为测试这种纸的使用性能，还设计制作了相应打印装置。项目灵感源于变色镜片的原理，我想：如果将类似卤化银的材料复合到纸张上，用合适的光线照射，就能在纸上形成文字或图案，光离开一段时间后还能恢复原状。在光源选择、材料确定与配制、纸张制备、装置设计制造和书写打印实验等五个方面开展了工作。其中光源选择紫外激光，材料选择多酸类化合物与含活性基团的有机化合物构成的给体-受体电荷转移化合物，纸张采用溶液浸润方法制备，通过改造激光打标机制得打印实验装置对纸张性能进行了验证。经打印或激光笔直接书写，字迹清晰，分辨率高，自然放置10-50小时后“消色复原”能再次正常使用，重复使用超过10次后仍能保持良好的打印书写效果。应用光致变色原理、光子能量公式和激光振镜控制方法等原理，运用控制变量法、正交实验法等科学方法开展了变色材料制备和筛选、变色材料与纸张的复合等工作。主要贡献为：制得了紫外光致可逆变色材料；实现了变色材料与纸张的复合；验证了激光对纸张的直写和复用；设计制造了专用打印装置；。项目具有灵感来源于中学课堂、涉及多学科；效果经实验测试和具备产业化推广前景等特点。在资源日趋紧张、环境日益恶化的今天，这种新型纸为人们提供一种新选择以满足日趋增长的需求，符合我国绿色持续发展的目标和规划。通过委托吉林省科技情报研究所检索和查新，没有发现类似的技术。在现有研究工作基础上，今后将将材料混入纸浆造纸及固化文字图案长期保存的研究。一种自发电楼道照明装置刘一川天津市南开中学，高中组基本信息项目编号：EN153017学科分类：工程学竞赛组别：高中组代表队：天津关键字：自发电楼道照明项目简介1、技术背景：尽管我们现在所居住的新式楼房再打开单元门可由声控打开照明灯，但仍有很多早期建造的楼房，夜晚打开楼道门后是一片漆黑，进楼人员需要摸黑走到一楼住户门边摸到开关打开灯，期间楼道放置的看不见的自行车及其他杂物给行走带来很多不便。如果对这些楼房重新布线，给楼道安装一个声控照明灯，是一个牵扯多方面问题、不易实施的难题。为此，我设计了一种自发电楼道照明装置。2、发明内容：（1）一种自发电楼道照明装置，包括以发条为动力的齿轮组连动一微型发电机。发电机输出接照明的发光二极管。发条旋紧轴一端紧固槽轮，槽轮上缠绕数圈细钢索，细钢索两个端头分别固定在槽轮和门扇上。当开门时，钢索拉动槽轮至发条上紧。发电机转动发电，为发光二极管提供电能。当关门时，槽轮上的弹簧释放势能收回钢索。本装置主体安装在楼道门门框楼内侧的上边框上，拉动槽轮的钢索的一端固定在上门边上。指向性发光二极管对准一楼住户门口附近。（2）本装置开一次门可使发光二极管发光持续10-20秒，足以使人从楼梯门走到第一户门边触开楼道照明灯。发光二极管发光时的电流在2毫安以上，其亮度能够满足正常人在实际中的使用。发光二极管发光时的电流在2毫安以上，其亮度能够满足正常人在实际中的使用。3、发明的有益之处：本装置特别用于解决无声控灯楼道的楼道门内侧夜晚漆黑行走不便的问题。自发电，节能环保，新颖实用。安装简单，成本较低，便于形成规模化产品。本装置的技术特征经在国家知识产权局网专利高级检索上检索未发现相同和近似的已申专利信息。自来水异味电氧化去除装置陈致浙江省杭州第二中学，高中组基本信息项目编号：EV153004学科分类：环境科学竞赛组别：高中组代表队：浙江关键字：给水处理电氧化饮用水安全微孔曝气有机微污染项目简介项目摘要：研制了用于处理饮用水有机微污染的微孔曝气强化电氧化装置。在1600mL溶液中添加160mg硫酸钠和2mL30%双氧水，当电流密度5mA/cm2时，1mg/L的邻叔丁基苯酚在15min时去除98.0%。对受邻叔丁基苯酚和四氯乙烷混合污染的实际水源水处理30min时，初始含量为2.1mg/L的总有机碳被全部去除，微生物被基本去除。该装置能有效去除藻类生长产生的异味物质——2-甲基异莰醇。据估算，1吨水的处理成本为1-4.5元。选题背景：2013年3月以来，杭州市出现多次自来水异味现象。直到2014年1月，终于发现自来水“异味”的源头，即水源周边多家企业偷排含叔丁基苯酚生产废水。自来水厂现有的处理工艺（混凝→沉淀/澄清→过滤→消毒）无法去除这些非常规的微量有机污染物，即使深度处理工艺（如臭氧-生物活性炭）也无法应对。研究目的和基本思路：寻找一种能在短时间内有效去除微量有机污染物的方法，实现水源水的应急处理和饮用水的深度处理。利用已掌握的化学知识，发现电解处理这些非常规有机物是可行的。同时，为加快反应促进混合、增加溶液中氧浓度，结合微孔曝气来强化去除效果。研究过程：通过前期上网收集资料、查阅相关文献，获取自来水厂现有处理工艺等相关信息；结合掌握的化学知识，在老师和研究人员的指导下，设计实验装置及方案；实验过程中发现装置缺陷并及时改进，一次次完善后最终得到理想的处理装置及其效果。应用的科学方法、科学原理：实验研究；电解原理、微孔曝气强化扰动原理、氧化还原原理。主要贡献：首次把电氧化的方法用于饮用水有机微污染的处理；在电氧化过程中添加双氧水，可有效去除多种有机污染物和微生物病菌，在给水处理领域具有创新性。他人同类研究的情况调查：通过数据库检索，未发现与本项目相同的现有技术用于有机微污染生活饮用水处理。进一步完善该项目的设想：通过优化工艺条件，提高处理效果、降低处理费用。微生物燃料电池：一种废水净化与重金属回收的新型装置朱子轩、沈鹤颖、江沐华广东实验中学，初中组基本信息项目编号：EV152001T学科分类：环境科学竞赛组别：初中组代表队：广东关键字：微生物燃料电池重金属电动修复项目简介重金属污染己成为当前日益严重的环境问题，其污染危害和修复技术也一直是国内外研究的热点和难点。电动修复技术作为一种新型、清洁技术越来越受到关注。本论文以水体重金属Cu(II)、Pb(II)、Cd(II)、Cr(VI)为研究对象，利用微生物燃料电池能够利用有机物为电子供体、高价态重金属为电子受体产电、并将重金属还原为零价沉淀的原理，构建一种微生物燃料电池驱动的重金属电动修复装置，达到重金属去除及水体COD削减的双重目的。研究过程：（1）双室MFC装置的构建与运行：以有机玻璃为骨架，碳毡为电极，质子交换膜为隔膜，构建MFC装置。以人工废水为阳极液，铁氰化钾为阴极液，按5%比例接种活性污泥，启动MFC，并通过电压、功率密度及内阻，评价MFC产电性能。（2）MFC重金属电动修复效果：以重金属水体为阴极液运行MFC，结果表明，双室MFC能够将Cu(II)和Pb(II)还原为零价重金属，但不能将Cd(II)、Cr(VI)还原，10h后Cu(II)和Pb(II)去除率可达97.52%%、98.46%%。（3）MFC装置的改进与运行：针对Cr(VI)、Pb(II)还原电势低、双室MFC装置适应性差的缺陷，构建了连续流双阳极MFC装置，10h后，阴极中铜、铅、铬、镉等重金属的去除率可达98.84%、99.10%、99.14%和89.76%。本项目利用MFC能以高价态重金属为电子受体并产电的特性，对MFC驱动水体重金