步态蓄能器的研发

刘楚君　黄明强　包海涛

摘 要：本研究设计了一种发电储能器，可布置于行人密集场所，利用行人踩踏蓄能器踏板将能量传递至发电机发电并储能。单个蓄能器可独立工作，也可串联协同使用，选择不同数量的单元，进行级联，构成不同功率的机组。依靠人体势能发电，节能环保。

关键词：能源动力；步态发电；蓄能器；环保节能

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2016.02.046

0 引言

我国是一个能源资源相对贫乏的国家，化石能源资源拥有量仅为世界平均水平的1/5～1/2。且化石能源资源并不是取之不尽用之不竭的，其储藏量越来越少。随着我国工农业的高速发展和城市化进程的加快，对能源动力的需求将会越来越大，因此，开发低碳环保的新能源刻不容缓。

1 步态能量分析

正常青年行走步速：30步用时17.1s，平均1s走1.7步。每步用时0.59s。人每步两腿间距取30度，则前腿与铅垂方向夹角为15度。腿长取1米。从前脚刚刚着地到整个前脚变为支撑脚（人体重心前移，至前腿与地面垂直）的过程中，重心上移量为h=1-1×cos15°=0.034m这个过程可以看作迈了半步，用时0.59/2=0.3s简化整个过程为一个加速度从最大值均匀减小到0的过程。设速度v=0.3At-At^2/2，则a=v=0.3A-At使得a=-A为常数。并且得A=3.78。所以最大加速度为：amax=0.3A=0.3*3.78=1.134m/s2惯性力为F=mamax=60×1.134=68.04N最小惯性力为0。平均惯性力为68.04/2=34.02N做功2.31J。同时，从前脚着地前到着地后，前脚的速度从v1降到0。人体的步行速度取1.7m/s 将人走路过程中，前腿迈出后，着地前的人运动简化看作腿绕重心的旋转运动，则重心的水平线速度等于前脚的线速度等于1.7m/s。当脚刚接触地面时，腿与地面的夹角为75°将此速度分解为速度v水平和v竖直。水平速度由地面摩擦平衡。竖直速度则对地面形成动载荷。v竖直=v1sin15°=0.44m/s

冲击过程大概为0.1s，则加速度为4.4m/s2，动载荷为264N。总的冲击载荷为264+mamax=332N做功11.6J

总共每步可以多做功13.9J。不考虑冲击时每步做功为60J。假设人流密集。踏板每秒被踩动1次，齿轮传动效率较高可达98%，整体按90%算，预计每个踏板功率可以达到65w。因为踩踏是为间歇运动，同时凌晨几乎没有人流量，故将一天折算成8个小时的踩踏时间计算，计算得日均发电量：

2 功能设计

（1）机构设计。如图是单个蓄能器的增速机构与连接机构。踏板（1）带动环形齿条（2）摆动，从而带动与棘轮（3）的内圈固结的小齿轮转动，棘轮内圈带动与外圈固结的大齿轮（4）转动。大齿轮（4）带动与棘轮（6）内圈啮合的小齿轮（5），内圈带动与大锥齿轮（7）固结的外圈，大锥齿轮带动小锥齿轮（8）然后带动输出轴转动。机构可与多个相同的机构串联接在发电机上。棘轮（3）的作用是保证踏板（1）不会被齿轮的惯性反向带动无法快速复位。将其设计到第一级齿轮上，以保证除过齿条，踏板，棘轮内圈外的所有齿轮的惯性力都可以用来发电而非空转。

棘轮（6）保证输出轴转动时不会反向带动串联在其上的其他闲置的增速机构里的齿轮，避免能量损失，踏板踩动阈值变大的问题。踏板（1）靠扭簧来复位。在踏板末端的环形齿条（2）实质上是内齿轮。增速机构有两部分，一部分位于踏板下方，每一个踏板都带一个增速机构。另一部分位于发电机端。如此设计是为了减少每个踏板下增速机构的体积、节省一定的材料。而不将所有的增速机构都设计在发电机端是因为踏板的可动距离很小，如果不先增速很难带动输出轴转动。

蓄能器机械结构包括两部分，一是能量传递部分，将行人踩踏踏板产生的动能传递到发电机上；二是能量转换部分，将行人踩踏踏板产生的动能转换成电能。 蓄能器可以串联，若单个蓄能器功率不大，可增加串联数目。如图：

（2）传动比。按踏板每2秒被踩1次计算，每踩一次与齿条啮合的小齿轮转1圈，小齿轮转速n1=30rpm发电机额定转速：n0=860rpm计算得总传动比：。根据齿轮传动特点，每级传动比分别为3、2和5，终总传动比为：i=3×2×5=30。弧形齿条的行程100mm，为使与其啮合的小齿轮能转一圈，小齿轮直径d==31.8mm，取d=30mm，模数m选3，则与棘轮（3）的内圈固结的小齿轮，小齿轮（5）和发电机转轴上的小齿轮的齿数都为10，小于最小齿数17，会发生根切，但是因为载荷低，所以可以使用，其分度圆直径30mm，与外圈固结的大齿轮（4）齿数为30分度圆直径90mm，小锥齿轮（8）齿数取12，则大锥齿轮（7）的齿数为24。与发电机轴上的小齿轮啮合的大齿轮齿数为50，分度圆直径150mm。 因为载荷较轻，成本要求低，齿轮材料选铸铁。

（3）能量转化、收集。电路部分的作用是将发出的电能储存在蓄电池中。过程如下

蓄电池宜选用12V100AH铅酸蓄电池，欠电电压为10.5V，充满电时12.8-13.5V。DC/DC电路开关器件比线性器件效率高，效率在90%以上；蓄能器要求高效率清洁，故选用由开关器件组成的DC/DC变换电路。

3 蓄能器推广以及应用

（1）地埋式。蓄能器可制作为地埋式，使用时将变速箱体以及发电机组放置在地下，将踏板露于表面，在人行道、天桥、地铁站入口、汽车站、火车站等人流量大的场所使用。

（2）楼道灯。可以布置在小区住宅楼的楼道内，代替声控灯的电源，在人上楼时点亮楼灯并增加法拉电容以持续一定的点亮时间。此时需要对结构进行稍微改造，由于小区楼道内不允许在地面开设沟槽以容纳蓄能器下方的变速箱体，故将变速箱体至于蓄能器上方，并放置在两侧，以免妨碍行人上下楼梯。相当于将整个蓄能器倒转过来安装，原来的踏板用作基座，原来的基座充当踏板。并使用万向联轴器进行多蓄能器之间的串联以适应楼梯的形状。

（3）重型、大功率蓄能器。将机构额定载荷设计加大，如增大齿轮的模数，齿宽，使得整体尺寸变大，或者通过液压缸与曲柄连杆机构来实现增速，这样便可以将蓄能器布置在路面下方，将减速带作为踏板，利用过往车辆的碾压来发电，可以收集车辆减速时浪费掉的能量。

（4）并网发电。如果使用数量已成规模，发电量足够大，可以考虑并网发电。

4 结语

本文介绍了一种新型发电装置，利用新能源发电储能，已达到节能减排的目的。并对装置的推广与应用做了展望。作为一名本科生，我通过这次的设计学到了很多

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