楼梯重力势能回收发电系统研究

吴小锋，刘孟卓，张帅，李自勇，张瑞起，将庆明

（天津职业技术师范大学，天津，300222）

0 引言

世界经济的现代化的快速发展依靠化石能源的支撑，如煤炭、石油、天然气等。因此化石能源可以说是世界经济的基础。但是，这些化石能源均为非可再生性资源[1]。据统计，这些化石能源将在21世界上半世纪，迅速耗尽。随着这些非可再生的化石能源的不足与缺乏，世界各国均开始把注意力转向新能源的研究[2]。重力势能在人们的日常生活中随处都可产生，与其他发电装置相比，更加环保且更廉价。如何利用这些势能具有重大的研究价值。

日常生活中，在学校、天桥、商场等人员密集的公共场所，大多设有楼梯设施。人们上楼梯时，由于自身的重力作用，会对楼梯做功并产生能量，而这部分能量被白白浪费掉。本文针对这一现象，拟在楼梯上设计一条凸起的防滑条，防滑带通过传动杆和减速电机相连，当防滑带被踩下时，会连动着减速电机转动，从而产生直流电通。将此电能通过超级电容储存，然后通过逆变点图转变成交流电，便可供用户负载使用。

本文的新意在于利用人体重力势能产生并储存电能，并将此电能转化为交流电而为用户负载所用。不仅低碳环保，而且可持续进行，对新能源的研究使用具有极高的借鉴意义。

1 原理与设计

所有具有质量的物体由于受到地球引力作用的影响，都会产生重力势能。人体也有产生重力势能。当人们行走时，重力势能便会转化成动能。将此能量收集，通过机械传动装置作用于发电机组，便会产生电能[3]。本文正是基于此，对楼梯式重力势能进行收集转化，最后形成电能供用户负载使用。

1.1 楼梯新能源势能回收装置设计图

楼梯新能源回收装置结构如图1所示。该装置主要包括台阶上凸起的防滑带、压力传感器、减速器、发电机以及连接防滑带和发电机的传动杆等。

图1

当防滑带被踩下时，发电机就会在传动杆的带动下缓慢转动，通过同轴传动将所获得的动能以带动齿轮的转动，进而切割磁感线产生电能[4]。在此过程中人体的重力势能就会被转化为动能进而产生电能。

1.2 楼梯新能源发电装置的结构方案

楼梯新能源发电电路图如图2所示。

图2

该系统主要可分为三大部分：传感器部分、电控单元部分和线圈部分。其中，传感器包括压力传感器和转速传感器以及电压传感器；电控单元是本系统的主体部分，它由几个电路系统组成，包括左侧的电压模拟信号调理电路、压力模拟信号调理电路、转速交变信号调理电路、系统开关信号调理电路、以及右侧的输出信号调理电路；线圈部分主要包括两个电池换向阀电磁线圈和两个继电器电池线圈。

1.3 楼梯新能源整流储能装置

超级电容器又叫双电层电容器(Electrical Double-Layer Capacitor)是通过极化电解质来储能的一种电化学元件。它主要依靠双电层和氧化还原赝电容电荷储存能量，而这一过程是可逆的。这就使得其可以循环充电。另外，其充电速度快，能量转换率 ，功率密度高，充放电线路简单，无须特别的充电电路，且从环保的角度考虑。它是一种绿色能源[6]。鉴于此，本文选择超级电容对产生的电能进行储能。

图3

2 楼梯新能源发电储能的工作过程分析

楼梯新能源重力势能回收发电系统的工作过程可分解为重力势能回收阶段、发电机发电阶段以及电能的储存阶段。

2.1 重力势能回收阶段

当人们踩下楼梯边缘的防滑带时，人体重力势能便转化为动能。此能量的回收过程如图4所示。

图4

当防滑带被踩下时，由泵组提供压力经多路阀进入无杆腔，此时比例电磁阀1不动作，即处于左位工作;当防滑带弹起时，阀1动作处于右位工作，使动臂油缸无杆腔压力分两路，一路经过可变排量的回收马达流回，另一路经阀2进入蓄能器，此时阀3不动作。控制器通过检测压力传感器Pg信号值控制阀2与阀3的动作，使蓄能器充油和放油。阀1的开口根据控制检测到的手柄先导信号决定。本系统将蓄能器将防滑带被踩下和防滑带弹起的两种能量回收的方法结合使用，提高系统的动态响应性、回收元件的速度稳定性以及整个系统的能量回收效率。

2.2 发电机发电阶段

由重力势能回收部分回收的能量带动电机转动，系统开关闭合，电控单元随即启动，第二继电器触点在第二继电器电磁线圈的控制下闭合，这样，三相异步电机就被接通，再经由第一传动箱的带动开始运转。受限于人流量，当滑动带被踩下的频率不够时，发电机转速便不足，这时第一电磁转向阀将会回到初始位置。当人流量足够大时，第一电磁换向阀不再通电而闭合第二继电器触点。当蓄能器达到设定值时，第二电磁换向阀就会通电打开， 进而带动发电机运转并发电。将发电机所产生的电能接入整流电路，储存于超级电容中，便可为用户负载提供能量了。

3 楼梯新能源重力势能回收发电系统的应用

本装置的初衷是为用户负载提供电能。但在实际应用中，为了检测某场所的人员流动情况我们接入STM32F1系列微控制器，通过其脉冲计数的方式，实现了对人流量的检测。

3.1 为负载系统供电

通过人体势能转换而来的电能被存储于超级电容中，利用其循环使用寿命长的特性，循环对其充电并持续不断的为楼梯边路灯、楼梯扶手的闪烁灯等负载提供能量。

3.2 实现某区域人流量的监测

STM32F1具有诸多优势。它有一流的外设：1微秒的双12位ADC，4兆位/秒的UAT，18兆位/秒的SPI，18MHz的I/O翻转速度；低功耗性能，在72MHz时消耗36毫安，待机时更是下降到2微安。它集成度高且有简单的结构和易用的工具。

本文使用STM32F1接入外部时钟进行脉冲计数的方式，对某区域的人流量进行采集。STM32定时器的单脉冲输出功能，其实是定时器输出比较功能的一个特殊应用。所谓的单脉冲就是通过程序在一定可控延时后，产生一个脉宽可控的脉冲，这里的延时时间和脉冲宽度都是可以设置的，主要通过对定时器的计数值和定时器的比较值与定时器的周期值比较而来。STM32定时器里有个重复计数器TIMx_RCR，当它的值是个非0值N时，计数器不再每次溢出（上溢或下溢）时都产生更新事件，而是当发生第N+1次溢出时才产生更新事件。如果RCR=0的话，就是每次溢出都产生更新事件。那么，当把单脉冲输出模式与RCR寄存器配合使用时，就不难生成指定数目的脉冲个数。此时脉冲个数为TIMx_RCR的值加1。基于此，可以通过使用STM32定时器的主从模式还可以方便地实现周期性地输出指定数目的脉冲。

4 结论

本文设计了一套简易的重力势能传达机构，利用人体势能附着到楼梯台阶上时将突出的防滑带压下去并弹起两个过程所产生的动力根据通过传动杆带动微型发电机产生电能并将此电能存于超级电容中，供用户负载使用。另外，通过接入STM32F1系列微控制器，实现了人员监测的功能。该装置简便易行，普遍适用于各大人流密集处。不仅低碳环保，并且源源不断的产生。符合当前节能环保和对新能源探索的需求。