樓梯重力勢能回收發電系統研究

吳小鋒，劉孟卓，張帥，李自勇，張瑞起，將慶明

（天津職業技術師范大學，天津，300222）

0 引言

世界經濟的現代化的快速發展依靠化石能源的支撐，如煤炭、石油、天然氣等。因此化石能源可以說是世界經濟的基礎。但是，這些化石能源均為非可再生性資源[1]。據統計，這些化石能源將在21世界上半世紀，迅速耗盡。隨著這些非可再生的化石能源的不足與缺乏，世界各國均開始把注意力轉向新能源的研究[2]。重力勢能在人們的日常生活中隨處都可產生，與其他發電裝置相比，更加環保且更廉價。如何利用這些勢能具有重大的研究價值。

日常生活中，在學校、天橋、商場等人員密集的公共場所，大多設有樓梯設施。人們上樓梯時，由于自身的重力作用，會對樓梯做功并產生能量，而這部分能量被白白浪費掉。本文針對這一現象，擬在樓梯上設計一條凸起的防滑條，防滑帶通過傳動桿和減速電機相連，當防滑帶被踩下時，會連動著減速電機轉動，從而產生直流電通。將此電能通過超級電容儲存，然后通過逆變點圖轉變成交流電，便可供用戶負載使用。

本文的新意在于利用人體重力勢能產生并儲存電能，并將此電能轉化為交流電而為用戶負載所用。不僅低碳環保，而且可持續進行，對新能源的研究使用具有極高的借鑒意義。

1 原理與設計

所有具有質量的物體由于受到地球引力作用的影響，都會產生重力勢能。人體也有產生重力勢能。當人們行走時，重力勢能便會轉化成動能。將此能量收集，通過機械傳動裝置作用于發電機組，便會產生電能[3]。本文正是基于此，對樓梯式重力勢能進行收集轉化，最后形成電能供用戶負載使用。

1.1 樓梯新能源勢能回收裝置設計圖

樓梯新能源回收裝置結構如圖1所示。該裝置主要包括臺階上凸起的防滑帶、壓力傳感器、減速器、發電機以及連接防滑帶和發電機的傳動桿等。

圖1

當防滑帶被踩下時，發電機就會在傳動桿的帶動下緩慢轉動，通過同軸傳動將所獲得的動能以帶動齒輪的轉動，進而切割磁感線產生電能[4]。在此過程中人體的重力勢能就會被轉化為動能進而產生電能。

1.2 樓梯新能源發電裝置的結構方案

樓梯新能源發電電路圖如圖2所示。

圖2

該系統主要可分為三大部分：傳感器部分、電控單元部分和線圈部分。其中，傳感器包括壓力傳感器和轉速傳感器以及電壓傳感器；電控單元是本系統的主體部分，它由幾個電路系統組成，包括左側的電壓模擬信號調理電路、壓力模擬信號調理電路、轉速交變信號調理電路、系統開關信號調理電路、以及右側的輸出信號調理電路；線圈部分主要包括兩個電池換向閥電磁線圈和兩個繼電器電池線圈。

1.3 樓梯新能源整流儲能裝置

超級電容器又叫雙電層電容器(Electrical Double-Layer Capacitor)是通過極化電解質來儲能的一種電化學元件。它主要依靠雙電層和氧化還原贗電容電荷儲存能量，而這一過程是可逆的。這就使得其可以循環充電。另外，其充電速度快，能量轉換率 ，功率密度高，充放電線路簡單，無須特別的充電電路，且從環保的角度考慮。它是一種綠色能源[6]。鑒于此，本文選擇超級電容對產生的電能進行儲能。

圖3

2 樓梯新能源發電儲能的工作過程分析

樓梯新能源重力勢能回收發電系統的工作過程可分解為重力勢能回收階段、發電機發電階段以及電能的儲存階段。

2.1 重力勢能回收階段

當人們踩下樓梯邊緣的防滑帶時，人體重力勢能便轉化為動能。此能量的回收過程如圖4所示。

圖4

當防滑帶被踩下時，由泵組提供壓力經多路閥進入無桿腔，此時比例電磁閥1不動作，即處于左位工作;當防滑帶彈起時，閥1動作處于右位工作，使動臂油缸無桿腔壓力分兩路，一路經過可變排量的回收馬達流回，另一路經閥2進入蓄能器，此時閥3不動作。控制器通過檢測壓力傳感器Pg信號值控制閥2與閥3的動作，使蓄能器充油和放油。閥1的開口根據控制檢測到的手柄先導信號決定。本系統將蓄能器將防滑帶被踩下和防滑帶彈起的兩種能量回收的方法結合使用，提高系統的動態響應性、回收元件的速度穩定性以及整個系統的能量回收效率。

2.2 發電機發電階段

由重力勢能回收部分回收的能量帶動電機轉動，系統開關閉合，電控單元隨即啟動，第二繼電器觸點在第二繼電器電磁線圈的控制下閉合，這樣，三相異步電機就被接通，再經由第一傳動箱的帶動開始運轉。受限于人流量，當滑動帶被踩下的頻率不夠時，發電機轉速便不足，這時第一電磁轉向閥將會回到初始位置。當人流量足夠大時，第一電磁換向閥不再通電而閉合第二繼電器觸點。當蓄能器達到設定值時，第二電磁換向閥就會通電打開， 進而帶動發電機運轉并發電。將發電機所產生的電能接入整流電路，儲存于超級電容中，便可為用戶負載提供能量了。

3 樓梯新能源重力勢能回收發電系統的應用

本裝置的初衷是為用戶負載提供電能。但在實際應用中，為了檢測某場所的人員流動情況我們接入STM32F1系列微控制器，通過其脈沖計數的方式，實現了對人流量的檢測。

3.1 為負載系統供電

通過人體勢能轉換而來的電能被存儲于超級電容中，利用其循環使用壽命長的特性，循環對其充電并持續不斷的為樓梯邊路燈、樓梯扶手的閃爍燈等負載提供能量。

3.2 實現某區域人流量的監測

STM32F1具有諸多優勢。它有一流的外設：1微秒的雙12位ADC，4兆位/秒的UAT，18兆位/秒的SPI，18MHz的I/O翻轉速度；低功耗性能，在72MHz時消耗36毫安，待機時更是下降到2微安。它集成度高且有簡單的結構和易用的工具。

本文使用STM32F1接入外部時鐘進行脈沖計數的方式，對某區域的人流量進行采集。STM32定時器的單脈沖輸出功能，其實是定時器輸出比較功能的一個特殊應用。所謂的單脈沖就是通過程序在一定可控延時后，產生一個脈寬可控的脈沖，這里的延時時間和脈沖寬度都是可以設置的，主要通過對定時器的計數值和定時器的比較值與定時器的周期值比較而來。STM32定時器里有個重復計數器TIMx_RCR，當它的值是個非0值N時，計數器不再每次溢出（上溢或下溢）時都產生更新事件，而是當發生第N+1次溢出時才產生更新事件。如果RCR=0的話，就是每次溢出都產生更新事件。那么，當把單脈沖輸出模式與RCR寄存器配合使用時，就不難生成指定數目的脈沖個數。此時脈沖個數為TIMx_RCR的值加1。基于此，可以通過使用STM32定時器的主從模式還可以方便地實現周期性地輸出指定數目的脈沖。

4 結論

本文設計了一套簡易的重力勢能傳達機構，利用人體勢能附著到樓梯臺階上時將突出的防滑帶壓下去并彈起兩個過程所產生的動力根據通過傳動桿帶動微型發電機產生電能并將此電能存于超級電容中，供用戶負載使用。另外，通過接入STM32F1系列微控制器，實現了人員監測的功能。該裝置簡便易行，普遍適用于各大人流密集處。不僅低碳環保，并且源源不斷的產生。符合當前節能環保和對新能源探索的需求。