步態蓄能器的研發

劉楚君　黃明強　包海濤

摘 要：本研究設計了一種發電儲能器，可布置于行人密集場所，利用行人踩踏蓄能器踏板將能量傳遞至發電機發電并儲能。單個蓄能器可獨立工作，也可串聯協同使用，選擇不同數量的單元，進行級聯，構成不同功率的機組。依靠人體勢能發電，節能環保。

關鍵詞：能源動力；步態發電；蓄能器；環保節能

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

0 引言

我國是一個能源資源相對貧乏的國家，化石能源資源擁有量僅為世界平均水平的1/5～1/2。且化石能源資源并不是取之不盡用之不竭的，其儲藏量越來越少。隨著我國工農業的高速發展和城市化進程的加快，對能源動力的需求將會越來越大，因此，開發低碳環保的新能源刻不容緩。

1 步態能量分析

正常青年行走步速：30步用時17.1s，平均1s走1.7步。每步用時0.59s。人每步兩腿間距取30度，則前腿與鉛垂方向夾角為15度。腿長取1米。從前腳剛剛著地到整個前腳變為支撐腳（人體重心前移，至前腿與地面垂直）的過程中，重心上移量為h=1-1×cos15°=0.034m這個過程可以看作邁了半步，用時0.59/2=0.3s簡化整個過程為一個加速度從最大值均勻減小到0的過程。設速度v=0.3At-At^2/2，則a=v=0.3A-At使得a=-A為常數。并且得A=3.78。所以最大加速度為：amax=0.3A=0.3*3.78=1.134m/s2慣性力為F=mamax=60×1.134=68.04N最小慣性力為0。平均慣性力為68.04/2=34.02N做功2.31J。同時，從前腳著地前到著地后，前腳的速度從v1降到0。人體的步行速度取1.7m/s 將人走路過程中，前腿邁出后，著地前的人運動簡化看作腿繞重心的旋轉運動，則重心的水平線速度等于前腳的線速度等于1.7m/s。當腳剛接觸地面時，腿與地面的夾角為75°將此速度分解為速度v水平和v豎直。水平速度由地面摩擦平衡。豎直速度則對地面形成動載荷。v豎直=v1sin15°=0.44m/s

沖擊過程大概為0.1s，則加速度為4.4m/s2，動載荷為264N。總的沖擊載荷為264+mamax=332N做功11.6J

總共每步可以多做功13.9J。不考慮沖擊時每步做功為60J。假設人流密集。踏板每秒被踩動1次，齒輪傳動效率較高可達98%，整體按90%算，預計每個踏板功率可以達到65w。因為踩踏是為間歇運動，同時凌晨幾乎沒有人流量，故將一天折算成8個小時的踩踏時間計算，計算得日均發電量：

2 功能設計

（1）機構設計。如圖是單個蓄能器的增速機構與連接機構。踏板（1）帶動環形齒條（2）擺動，從而帶動與棘輪（3）的內圈固結的小齒輪轉動，棘輪內圈帶動與外圈固結的大齒輪（4）轉動。大齒輪（4）帶動與棘輪（6）內圈嚙合的小齒輪（5），內圈帶動與大錐齒輪（7）固結的外圈，大錐齒輪帶動小錐齒輪（8）然后帶動輸出軸轉動。機構可與多個相同的機構串聯接在發電機上。棘輪（3）的作用是保證踏板（1）不會被齒輪的慣性反向帶動無法快速復位。將其設計到第一級齒輪上，以保證除過齒條，踏板，棘輪內圈外的所有齒輪的慣性力都可以用來發電而非空轉。

棘輪（6）保證輸出軸轉動時不會反向帶動串聯在其上的其他閑置的增速機構里的齒輪，避免能量損失，踏板踩動閾值變大的問題。踏板（1）靠扭簧來復位。在踏板末端的環形齒條（2）實質上是內齒輪。增速機構有兩部分，一部分位于踏板下方，每一個踏板都帶一個增速機構。另一部分位于發電機端。如此設計是為了減少每個踏板下增速機構的體積、節省一定的材料。而不將所有的增速機構都設計在發電機端是因為踏板的可動距離很小，如果不先增速很難帶動輸出軸轉動。

蓄能器機械結構包括兩部分，一是能量傳遞部分，將行人踩踏踏板產生的動能傳遞到發電機上；二是能量轉換部分，將行人踩踏踏板產生的動能轉換成電能。 蓄能器可以串聯，若單個蓄能器功率不大，可增加串聯數目。如圖：

（2）傳動比。按踏板每2秒被踩1次計算，每踩一次與齒條嚙合的小齒輪轉1圈，小齒輪轉速n1=30rpm發電機額定轉速：n0=860rpm計算得總傳動比：。根據齒輪傳動特點，每級傳動比分別為3、2和5，終總傳動比為：i=3×2×5=30。弧形齒條的行程100mm，為使與其嚙合的小齒輪能轉一圈，小齒輪直徑d==31.8mm，取d=30mm，模數m選3，則與棘輪（3）的內圈固結的小齒輪，小齒輪（5）和發電機轉軸上的小齒輪的齒數都為10，小于最小齒數17，會發生根切，但是因為載荷低，所以可以使用，其分度圓直徑30mm，與外圈固結的大齒輪（4）齒數為30分度圓直徑90mm，小錐齒輪（8）齒數取12，則大錐齒輪（7）的齒數為24。與發電機軸上的小齒輪嚙合的大齒輪齒數為50，分度圓直徑150mm。 因為載荷較輕，成本要求低，齒輪材料選鑄鐵。

（3）能量轉化、收集。電路部分的作用是將發出的電能儲存在蓄電池中。過程如下

蓄電池宜選用12V100AH鉛酸蓄電池，欠電電壓為10.5V，充滿電時12.8-13.5V。DC/DC電路開關器件比線性器件效率高，效率在90%以上；蓄能器要求高效率清潔，故選用由開關器件組成的DC/DC變換電路。

3 蓄能器推廣以及應用

（1）地埋式。蓄能器可制作為地埋式，使用時將變速箱體以及發電機組放置在地下，將踏板露于表面，在人行道、天橋、地鐵站入口、汽車站、火車站等人流量大的場所使用。

（2）樓道燈。可以布置在小區住宅樓的樓道內，代替聲控燈的電源，在人上樓時點亮樓燈并增加法拉電容以持續一定的點亮時間。此時需要對結構進行稍微改造，由于小區樓道內不允許在地面開設溝槽以容納蓄能器下方的變速箱體，故將變速箱體至于蓄能器上方，并放置在兩側，以免妨礙行人上下樓梯。相當于將整個蓄能器倒轉過來安裝，原來的踏板用作基座，原來的基座充當踏板。并使用萬向聯軸器進行多蓄能器之間的串聯以適應樓梯的形狀。

（3）重型、大功率蓄能器。將機構額定載荷設計加大，如增大齒輪的模數，齒寬，使得整體尺寸變大，或者通過液壓缸與曲柄連桿機構來實現增速，這樣便可以將蓄能器布置在路面下方，將減速帶作為踏板，利用過往車輛的碾壓來發電，可以收集車輛減速時浪費掉的能量。

（4）并網發電。如果使用數量已成規模，發電量足夠大，可以考慮并網發電。

4 結語

本文介紹了一種新型發電裝置，利用新能源發電儲能，已達到節能減排的目的。并對裝置的推廣與應用做了展望。作為一名本科生，我通過這次的設計學到了很多

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