人体脚步能量收集技术与应用

文/黄志付

1 引言

人类的生活中处处存在着能量，而很多能量看似微乎其微，并未引起我们的注意，研究表明如果把这些微弱的能量通过特定的装置收集起来将得到一股非常可观的能量。本文主要研究人体在行走时，收集人体重力对装置做功产生的能量，并将这些能量用于即时发电或者通过特定的装置储存起来，作为备用能源。而收集这些能量就需要一个客流密度超大且能够持续保持的地方，通过调查某市区人流密集的区域，发现诸如火车站人行通道或隧道、商场大门的进出口、学校操场或者大门进出口、繁华商区的人行天桥与人行横道等等区域，为客流量密度最大的区域。

虽然很多人也都设想过利用庞大客流通过客流的行走进行发电，如：“压电陶瓷”道路发电、穿“发电鞋”走路发电等发电装置的提出，但直到现在一直未普及商业化。究其原因，主要有发电装置成本高、装置模型复杂、材料损耗大、转化效率低等条件的制约。而本文同样以庞大的客流为收集能量的源头，收集能量转化电能的方式则是通过人体重力推动射流装置做功，然后将容器或者水池的水通过出水管或喷嘴高速射出，并推动小型水轮发电机的叶片进行发电。本作者也有想过利用行人走路收集压缩空气、发条弹簧片充能等装置，但综合对比得出还是利用射流带动水轮机的方式较为理想，因其材料成本低、装置模型简单，且应用灵活，可以说只要有大量的行人、车辆等经过的地方都可以设定这样的发电装置进行发电，整个装置运行时无污染，在城市繁华地带除了用于收集能量发电外，还可以将能量储存起来及与城市美化进行结合，这样即收集了清洁能源同时也是一道风景线。本文的论述对新能源开发、清洁能源收集、汇集微量能源、节能减排方面具有重大意义。

2 射流装置的设计

射流装置被应用于多种领域，发挥着不可估计的作用，主要原理是利用工作流体来传递能量进行做功。整个装置主要包含了喷嘴、工作泵、储液腔、气室等部件组成。在本文中工作泵的原理类似于乳液泵中储液腔与气室的工作方式。

2.1 射流装置的组成与基本原理

2.1.1 射流装置的组成

本文中射流装置主要分三个部分构成，按照其结构大致可分为踩压体、上泵体、下泵体。其中上泵体主要由上泵柱、泵塞、下泵柱组成，下泵体主要由储液腔、弹簧、玻璃球、吸水管组成。其整个构造模型与乳液泵的构造基本相同，由于我们收集的能量是以人体重力驱动的，因此射流器的整个设计则需做出更加符合实际的变化。如射流装置的踩压体的大小情况、踩压距离、防尘结构等。

在出水管口径大小或喷嘴一定的情况下，为尽可能将水池或者水容器中的水射出的射速达到最高极值，产生更高的水压。不难得出下泵体应尽可能扩大储液腔的底面积与高度，进而增大储液腔的容积，可以保证在行人踩压时，有一个非常可观的出水量和很高的射流速度，最终使重力尽可能做更多的功，得到的水流动能更大，出水管通过小型水轮机转化成的电能也就更多。

实际应用时，射流装置的储液腔应安装在水面一下，根据连通器原理，待行人经过时，储液腔的水填满后，能与水池水面保持相平，不会因踩压时间间隔长腔内水有流失，进而增加射流系统出水的的效率。

装置安装的密集度，应对选中区域进行多次的统计分析，确定出行人落脚点密度较大的地方，这样可以有效的提高装置运行的利用率和节省设备成本。

射流装置的简化结构如图1所示。

2.1.2 基本原理

首先踩压板通过踩压，把储液腔里的空气排出，连续踩压，到空气排完后，泵头里的弹簧要恢复原状，那么储液腔里便会形成真空，产生负压，这时，储液腔里压力小，外面压力大的状况，而容器里的压强要与容器外大气压保持一致，由于当前已经形成压力差，大气就会把水池的水给压进储液腔里，具体原理如下：

图1：射流装置结构图

图2：F50水轮机模型

图3：发电系统模型

（1）首次踩压，我们首次踩压时，踩压板通过连接的泵柱带动并压缩弹簧；在压缩弹簧过程中，泵塞外壁通过与泵体的内腔壁摩擦，促使活塞开启副柱的出孔；活塞往下滑动时将泵体内的空气通过已经开启的副柱出孔排出。

（2）由于客流非常大，且储液腔的容积较大，连续多次踩压就会将将泵体内的空气排出。

（3）泵体内的储液腔通过排气形成真空吸液状态，玻璃球会被吸起，最后将水池中的水吸水管吸入泵体的储液腔内。

（4）通过几次的踩压会将储液腔的水储存满。

（5）储液腔内的水储满时，再次踩压会将液体通过出水孔喷头喷出，由于储液腔较大且行人重力做的功相对较多，当水储满后，水会被高速射出。

3 发电系统的设计

本文中整个发电系统主要应用了射流装置与直流管道式小型水轮机组，通过射流装置射出的高速水流驱动水轮机叶片进行发电。

3.1 水轮发电机的选择

3.1.1 水轮发电机的选择

本文主要以小型F50水力发电机为例作为发电装置，其模型如图2所示。

该发电机电能的输出方式为直流，主要有以下4种输出类型：

（1）F50—80V：直流0-80V输出，发电机不带稳压电路。

（2）F50—4.2V：直流4.2V充电输出。

（3）F50—5V：直流5V稳压输出。

（4）F50—12V：直流12V稳压输出。

其中，非稳压电能输出可以用于电瓶充电、LED灯照明等领域，稳压电输出可用于LED照明与手机充电、收音机充电等。

3.2 发电系统的设计

当客流经过踩压板进行踩压，当储液腔充满水时便会形成一个持续的高速射流，带动小型水轮机产生持续的电能，设计时，可在同一区域安装若干个这样的发电装置，通过叠加可以产生可观稳定的电能。

整个装置安装在地下，地表面露出踩压板，这样既不影响美观，又能获得清洁能源，发电模型如图3所示。

3.2.1 发电电压与射流的关系

（1）射流装置的水速与储液腔内的压强成正比关系，即压强越大，水的射速越大，行人踩压会使管道两端形成压力坡度（单位长度的压强差），压差是管内流体流动的动力。

（2）压力差、流速、流量计算公式

流速：V=C√[PR/(ρgL)]

流量：Q= √[P/(ρgSL)]

式中：

C—管道的谢才系数；

L—管道长度；

P—管道两端的压力差；

R—管道的水力半径；

ρ—液体密度；

g—重力加速度；

S—管道的摩阻。

（3）型号F50水轮机进水压强与电压之间的关系如图4所示。

从图4可以看出，输出电压与进水压强成正比关系，即进水压强越大，输出电压越高，当压强达到约12个大气压以上时，输出电压达到幅值。

4 人体脚步发电系统的发展前景

在这个科技迅猛发展的社会，人们对能量的需求越来越大，各国都提出在不破坏生态的条件下使能量的种类多元化，可以说发展新能源经济已经成为当今世界的历史潮流和必然选择。我们也可以大胆预测，未来微弱能量的收集与利用课题将兴起，在本文中脚步能量利用这一简单的装置，可以说对今后收集各种微弱能量奠定了基础。

图4：水压与电压关系

让我们大胆设想，这一简单装置不只可以应用在有大量行人经过的地方，也可以装设在道路的减速带里，该特殊的减速带既能让司机意识到该减速慢行，又能在车辆经过的时候进行发电，由于车辆的重力大，如果使重力尽可能的转化为水射流，加上一天中有大量车辆经过减速带，发出电量将是非常可观的。甚至也可以设计出一种拉力或者推力的健身器材，安装在健身房里，这样健身的人得到了锻炼，同时又可以发电，如果该装置的健身器材可以普及使用，发出的电量亦是非常庞大的……

通过该装置发出的电能可用于各种场合的照明，可以用于手机、电脑等设备的充电，也可以通过各类电池组、电瓶等进行储存，储存的电能应用将会变得更加广泛。

5 结束语

经过1个多月的努力，人体脚步能量收集技术与应用论文终于完成，在整个设计过程中，出现过很多的难题，但都在查阅大量资料顺利解决了，可以说这个题目早在半年前就有想过，因收集能量的装置一直没有得到确定，最后才确定为射流系统。但是我也清楚自己有些地方做的还是不够，很多问题并没有进行细化说明，如论文中直流发电机的扬程流量、流速、与输出电压之间的计算关系、模型结构应用的注意事项等。后期我将继续这个题目进行细化分析，不断激发新思路新见解，在这1个多月的时间里，我过的很充实，每天除了要做好本职工作，其余的时间便是收集材料，确定方案，修改，整理，再修改……我经历了很多，也得到了很多。比如：对待专业知识上的困难，应该如何解决；应该如何面对得到和失去；应该如何与周围的人进行相处等等。对我来说，这些都是无价的。

最后，我将继续努力，坚持创新，思考不止步，工作中遇到难以解决的问题，要耐心、要善于运用已有的资源来解决并充实自己。我也深刻的认识到，在对待一个新事物时，一定要从整体考虑，完成一步之后再作下一步，这样才能更加有效。