人體腳步能量收集技術(shù)與應(yīng)用

文/黃志付

1 引言

人類的生活中處處存在著能量，而很多能量看似微乎其微，并未引起我們的注意，研究表明如果把這些微弱的能量通過特定的裝置收集起來將得到一股非常可觀的能量。本文主要研究人體在行走時(shí)，收集人體重力對(duì)裝置做功產(chǎn)生的能量，并將這些能量用于即時(shí)發(fā)電或者通過特定的裝置儲(chǔ)存起來，作為備用能源。而收集這些能量就需要一個(gè)客流密度超大且能夠持續(xù)保持的地方，通過調(diào)查某市區(qū)人流密集的區(qū)域，發(fā)現(xiàn)諸如火車站人行通道或隧道、商場大門的進(jìn)出口、學(xué)校操場或者大門進(jìn)出口、繁華商區(qū)的人行天橋與人行橫道等等區(qū)域，為客流量密度最大的區(qū)域。

雖然很多人也都設(shè)想過利用龐大客流通過客流的行走進(jìn)行發(fā)電，如：“壓電陶瓷”道路發(fā)電、穿“發(fā)電鞋”走路發(fā)電等發(fā)電裝置的提出，但直到現(xiàn)在一直未普及商業(yè)化。究其原因，主要有發(fā)電裝置成本高、裝置模型復(fù)雜、材料損耗大、轉(zhuǎn)化效率低等條件的制約。而本文同樣以龐大的客流為收集能量的源頭，收集能量轉(zhuǎn)化電能的方式則是通過人體重力推動(dòng)射流裝置做功，然后將容器或者水池的水通過出水管或噴嘴高速射出，并推動(dòng)小型水輪發(fā)電機(jī)的葉片進(jìn)行發(fā)電。本作者也有想過利用行人走路收集壓縮空氣、發(fā)條彈簧片充能等裝置，但綜合對(duì)比得出還是利用射流帶動(dòng)水輪機(jī)的方式較為理想，因其材料成本低、裝置模型簡單，且應(yīng)用靈活，可以說只要有大量的行人、車輛等經(jīng)過的地方都可以設(shè)定這樣的發(fā)電裝置進(jìn)行發(fā)電，整個(gè)裝置運(yùn)行時(shí)無污染，在城市繁華地帶除了用于收集能量發(fā)電外，還可以將能量儲(chǔ)存起來及與城市美化進(jìn)行結(jié)合，這樣即收集了清潔能源同時(shí)也是一道風(fēng)景線。本文的論述對(duì)新能源開發(fā)、清潔能源收集、匯集微量能源、節(jié)能減排方面具有重大意義。

2 射流裝置的設(shè)計(jì)

射流裝置被應(yīng)用于多種領(lǐng)域，發(fā)揮著不可估計(jì)的作用，主要原理是利用工作流體來傳遞能量進(jìn)行做功。整個(gè)裝置主要包含了噴嘴、工作泵、儲(chǔ)液腔、氣室等部件組成。在本文中工作泵的原理類似于乳液泵中儲(chǔ)液腔與氣室的工作方式。

2.1 射流裝置的組成與基本原理

2.1.1 射流裝置的組成

本文中射流裝置主要分三個(gè)部分構(gòu)成，按照其結(jié)構(gòu)大致可分為踩壓體、上泵體、下泵體。其中上泵體主要由上泵柱、泵塞、下泵柱組成，下泵體主要由儲(chǔ)液腔、彈簧、玻璃球、吸水管組成。其整個(gè)構(gòu)造模型與乳液泵的構(gòu)造基本相同，由于我們收集的能量是以人體重力驅(qū)動(dòng)的，因此射流器的整個(gè)設(shè)計(jì)則需做出更加符合實(shí)際的變化。如射流裝置的踩壓體的大小情況、踩壓距離、防塵結(jié)構(gòu)等。

在出水管口徑大小或噴嘴一定的情況下，為盡可能將水池或者水容器中的水射出的射速達(dá)到最高極值，產(chǎn)生更高的水壓。不難得出下泵體應(yīng)盡可能擴(kuò)大儲(chǔ)液腔的底面積與高度，進(jìn)而增大儲(chǔ)液腔的容積，可以保證在行人踩壓時(shí)，有一個(gè)非常可觀的出水量和很高的射流速度，最終使重力盡可能做更多的功，得到的水流動(dòng)能更大，出水管通過小型水輪機(jī)轉(zhuǎn)化成的電能也就更多。

實(shí)際應(yīng)用時(shí)，射流裝置的儲(chǔ)液腔應(yīng)安裝在水面一下，根據(jù)連通器原理，待行人經(jīng)過時(shí)，儲(chǔ)液腔的水填滿后，能與水池水面保持相平，不會(huì)因踩壓時(shí)間間隔長腔內(nèi)水有流失，進(jìn)而增加射流系統(tǒng)出水的的效率。

裝置安裝的密集度，應(yīng)對(duì)選中區(qū)域進(jìn)行多次的統(tǒng)計(jì)分析，確定出行人落腳點(diǎn)密度較大的地方，這樣可以有效的提高裝置運(yùn)行的利用率和節(jié)省設(shè)備成本。

射流裝置的簡化結(jié)構(gòu)如圖1所示。

2.1.2 基本原理

首先踩壓板通過踩壓，把儲(chǔ)液腔里的空氣排出，連續(xù)踩壓，到空氣排完后，泵頭里的彈簧要恢復(fù)原狀，那么儲(chǔ)液腔里便會(huì)形成真空，產(chǎn)生負(fù)壓，這時(shí)，儲(chǔ)液腔里壓力小，外面壓力大的狀況，而容器里的壓強(qiáng)要與容器外大氣壓保持一致，由于當(dāng)前已經(jīng)形成壓力差，大氣就會(huì)把水池的水給壓進(jìn)儲(chǔ)液腔里，具體原理如下：

圖1：射流裝置結(jié)構(gòu)圖

圖2：F50水輪機(jī)模型

圖3：發(fā)電系統(tǒng)模型

（1）首次踩壓，我們首次踩壓時(shí)，踩壓板通過連接的泵柱帶動(dòng)并壓縮彈簧；在壓縮彈簧過程中，泵塞外壁通過與泵體的內(nèi)腔壁摩擦，促使活塞開啟副柱的出孔；活塞往下滑動(dòng)時(shí)將泵體內(nèi)的空氣通過已經(jīng)開啟的副柱出孔排出。

（2）由于客流非常大，且儲(chǔ)液腔的容積較大，連續(xù)多次踩壓就會(huì)將將泵體內(nèi)的空氣排出。

（3）泵體內(nèi)的儲(chǔ)液腔通過排氣形成真空吸液狀態(tài)，玻璃球會(huì)被吸起，最后將水池中的水吸水管吸入泵體的儲(chǔ)液腔內(nèi)。

（4）通過幾次的踩壓會(huì)將儲(chǔ)液腔的水儲(chǔ)存滿。

（5）儲(chǔ)液腔內(nèi)的水儲(chǔ)滿時(shí)，再次踩壓會(huì)將液體通過出水孔噴頭噴出，由于儲(chǔ)液腔較大且行人重力做的功相對(duì)較多，當(dāng)水儲(chǔ)滿后，水會(huì)被高速射出。

3 發(fā)電系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

本文中整個(gè)發(fā)電系統(tǒng)主要應(yīng)用了射流裝置與直流管道式小型水輪機(jī)組，通過射流裝置射出的高速水流驅(qū)動(dòng)水輪機(jī)葉片進(jìn)行發(fā)電。

3.1 水輪發(fā)電機(jī)的選擇

3.1.1 水輪發(fā)電機(jī)的選擇

本文主要以小型F50水力發(fā)電機(jī)為例作為發(fā)電裝置，其模型如圖2所示。

該發(fā)電機(jī)電能的輸出方式為直流，主要有以下4種輸出類型：

（1）F50—80V：直流0-80V輸出，發(fā)電機(jī)不帶穩(wěn)壓電路。

（2）F50—4.2V：直流4.2V充電輸出。

（3）F50—5V：直流5V穩(wěn)壓輸出。

（4）F50—12V：直流12V穩(wěn)壓輸出。

其中，非穩(wěn)壓電能輸出可以用于電瓶充電、LED燈照明等領(lǐng)域，穩(wěn)壓電輸出可用于LED照明與手機(jī)充電、收音機(jī)充電等。

3.2 發(fā)電系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

當(dāng)客流經(jīng)過踩壓板進(jìn)行踩壓，當(dāng)儲(chǔ)液腔充滿水時(shí)便會(huì)形成一個(gè)持續(xù)的高速射流，帶動(dòng)小型水輪機(jī)產(chǎn)生持續(xù)的電能，設(shè)計(jì)時(shí)，可在同一區(qū)域安裝若干個(gè)這樣的發(fā)電裝置，通過疊加可以產(chǎn)生可觀穩(wěn)定的電能。

整個(gè)裝置安裝在地下，地表面露出踩壓板，這樣既不影響美觀，又能獲得清潔能源，發(fā)電模型如圖3所示。

3.2.1 發(fā)電電壓與射流的關(guān)系

（1）射流裝置的水速與儲(chǔ)液腔內(nèi)的壓強(qiáng)成正比關(guān)系，即壓強(qiáng)越大，水的射速越大，行人踩壓會(huì)使管道兩端形成壓力坡度（單位長度的壓強(qiáng)差），壓差是管內(nèi)流體流動(dòng)的動(dòng)力。

（2）壓力差、流速、流量計(jì)算公式

流速：V=C√[PR/(ρgL)]

流量：Q= √[P/(ρgSL)]

式中：

C—管道的謝才系數(shù)；

L—管道長度；

P—管道兩端的壓力差；

R—管道的水力半徑；

ρ—液體密度；

g—重力加速度；

S—管道的摩阻。

（3）型號(hào)F50水輪機(jī)進(jìn)水壓強(qiáng)與電壓之間的關(guān)系如圖4所示。

從圖4可以看出，輸出電壓與進(jìn)水壓強(qiáng)成正比關(guān)系，即進(jìn)水壓強(qiáng)越大，輸出電壓越高，當(dāng)壓強(qiáng)達(dá)到約12個(gè)大氣壓以上時(shí)，輸出電壓達(dá)到幅值。

4 人體腳步發(fā)電系統(tǒng)的發(fā)展前景

在這個(gè)科技迅猛發(fā)展的社會(huì)，人們對(duì)能量的需求越來越大，各國都提出在不破壞生態(tài)的條件下使能量的種類多元化，可以說發(fā)展新能源經(jīng)濟(jì)已經(jīng)成為當(dāng)今世界的歷史潮流和必然選擇。我們也可以大膽預(yù)測，未來微弱能量的收集與利用課題將興起，在本文中腳步能量利用這一簡單的裝置，可以說對(duì)今后收集各種微弱能量奠定了基礎(chǔ)。

圖4：水壓與電壓關(guān)系

讓我們大膽設(shè)想，這一簡單裝置不只可以應(yīng)用在有大量行人經(jīng)過的地方，也可以裝設(shè)在道路的減速帶里，該特殊的減速帶既能讓司機(jī)意識(shí)到該減速慢行，又能在車輛經(jīng)過的時(shí)候進(jìn)行發(fā)電，由于車輛的重力大，如果使重力盡可能的轉(zhuǎn)化為水射流，加上一天中有大量車輛經(jīng)過減速帶，發(fā)出電量將是非常可觀的。甚至也可以設(shè)計(jì)出一種拉力或者推力的健身器材，安裝在健身房里，這樣健身的人得到了鍛煉，同時(shí)又可以發(fā)電，如果該裝置的健身器材可以普及使用，發(fā)出的電量亦是非常龐大的……

通過該裝置發(fā)出的電能可用于各種場合的照明，可以用于手機(jī)、電腦等設(shè)備的充電，也可以通過各類電池組、電瓶等進(jìn)行儲(chǔ)存，儲(chǔ)存的電能應(yīng)用將會(huì)變得更加廣泛。

5 結(jié)束語

經(jīng)過1個(gè)多月的努力，人體腳步能量收集技術(shù)與應(yīng)用論文終于完成，在整個(gè)設(shè)計(jì)過程中，出現(xiàn)過很多的難題，但都在查閱大量資料順利解決了，可以說這個(gè)題目早在半年前就有想過，因收集能量的裝置一直沒有得到確定，最后才確定為射流系統(tǒng)。但是我也清楚自己有些地方做的還是不夠，很多問題并沒有進(jìn)行細(xì)化說明，如論文中直流發(fā)電機(jī)的揚(yáng)程流量、流速、與輸出電壓之間的計(jì)算關(guān)系、模型結(jié)構(gòu)應(yīng)用的注意事項(xiàng)等。后期我將繼續(xù)這個(gè)題目進(jìn)行細(xì)化分析，不斷激發(fā)新思路新見解，在這1個(gè)多月的時(shí)間里，我過的很充實(shí)，每天除了要做好本職工作，其余的時(shí)間便是收集材料，確定方案，修改，整理，再修改……我經(jīng)歷了很多，也得到了很多。比如：對(duì)待專業(yè)知識(shí)上的困難，應(yīng)該如何解決；應(yīng)該如何面對(duì)得到和失去；應(yīng)該如何與周圍的人進(jìn)行相處等等。對(duì)我來說，這些都是無價(jià)的。

最后，我將繼續(xù)努力，堅(jiān)持創(chuàng)新，思考不止步，工作中遇到難以解決的問題，要耐心、要善于運(yùn)用已有的資源來解決并充實(shí)自己。我也深刻的認(rèn)識(shí)到，在對(duì)待一個(gè)新事物時(shí)，一定要從整體考慮，完成一步之后再作下一步，這樣才能更加有效。