重力發(fā)電應用技術研究綜述

吳兆波，鄧 琰，黃焜安，齊 斌，勞靜文，余 豐，曹 均

（寧波大學，浙江 寧波 315211）

0 引言

目前，我國主要的發(fā)電網(wǎng)布局以燃煤、水利和核電為主，并輔以風力和太陽能。在中部及北部地區(qū)采用以水力和燃煤發(fā)電為主，太陽能發(fā)電為輔。而在西北地區(qū)，由于缺乏水力資源，用電依靠中部地區(qū)輸送，并輔助性地建造了風力和太陽能發(fā)電基站。在沿海地區(qū)，除燃煤和風力等傳統(tǒng)發(fā)電系統(tǒng)外，亦采用核電。

鑒于國家大力提倡節(jié)能減排，倡導綠色低碳生活，而高成本、高污染、高能耗的燃煤發(fā)電與低碳生活的理念相悖。風力和太陽能發(fā)電等新能源雖然低碳環(huán)保，但受地區(qū)和季節(jié)影響顯著，并且技術穩(wěn)定性尚不成熟[1]。水利和核能發(fā)電造價高、投入大。這些問題很大程度上限制了這些發(fā)電技術在偏遠和貧困地區(qū)的推廣。

重力發(fā)電技術的發(fā)展能有效解決偏遠和貧困地區(qū)的家居用電難題。1996 年德國科學家首次提出家居重力發(fā)電技術的概念。1997 年美國科學家對一種利用汽車重力發(fā)電的重力發(fā)電機進行路面實驗，效果良好，但最終由于設備過大、成本較高及便攜性低等各種缺陷停止使用。此后，不斷有科學家利用不同的重力加載方式改進重力發(fā)電技術。2012 年英國倫敦設計師馬丁路德福和吉姆里夫斯發(fā)明了一款實用的重力燈，是當時技術缺陷最少的重力發(fā)電機[2]。

迄今為止，已經(jīng)有多種重力發(fā)電機問世。相對較為常見的是樓梯式人體重力發(fā)電系統(tǒng)[3]。該重力發(fā)電系統(tǒng)通過在樓梯上設計一條凸起的防滑條，當人們踩過時，帶動樓梯下面的減速電機產(chǎn)生直流電通，將此電能收集并通過逆變器將產(chǎn)生的電能逆變成交流電，可供照明設施等小功率耗電設備使用。此外，還有利用重物下降產(chǎn)生的重力勢能，借助杠桿使發(fā)電機驅動轉軸轉動的重力發(fā)電裝置[4]，以及一種名為GravityLight 的二代重力發(fā)電燈，其通過提高發(fā)電裝置配重高度，而后將獲得的動力轉換成電力。重力發(fā)電技術結合家居設計，可因地制宜地為每個家庭安裝一臺小型重力發(fā)電機，提供家居用電，這能在很大程度上滿足偏遠和貧困地區(qū)的用電需求。

本文主要介紹重力發(fā)電的基本原理，分析重力發(fā)電技術在日常家居供電的可行性，并且提出一種新的重力發(fā)電技術：一種借助于發(fā)條彈簧和手動牽拉的組合式重力發(fā)電技術，并闡明該重力發(fā)電技術在家居領域的應用前景。

1 重力發(fā)電原理介紹

目前，較為常見的重力發(fā)電方式主要包含水重力發(fā)電，踏板式重力發(fā)電和重物懸掛式發(fā)電。首先，水重力發(fā)電的基本原理是利用水位落差，配合水輪發(fā)電機產(chǎn)生電力，即將水的高位勢能轉為水輪的機械能，再以機械能推動發(fā)電機旋轉而得到電力。其次，踏板式重力發(fā)電是利用物體對踏板的壓力進行一系列齒輪傳動最終使線圈轉動實現(xiàn)發(fā)電。其工作原理類似于按動式手電筒，該發(fā)電方式在汽車領域應用較多，將汽車活動板和傳動桿相連接，在汽車行駛時碾壓活動版，利用汽車重力發(fā)電。最后，重物懸掛式發(fā)電多應用于重力燈，通過在裝置上懸掛重物，重物帶動掛鉤緩慢下降進而帶動機體內部線圈轉動，線圈帶動發(fā)電機旋轉發(fā)電。

2 重力發(fā)電家居應用的可行性分析

目前，日常生活中應用較為廣泛的重力發(fā)電系統(tǒng)有樓梯式重力發(fā)電和重力發(fā)電燈。

樓梯式重力發(fā)電系統(tǒng)[5]包含3 個部分：（1）重力收集轉化部分，利用臺階上的防滑帶作為采集能量的源頭；（2）重力勢能轉化為電能部分，由多個串并聯(lián)的電控單元實現(xiàn)能量轉換；（3）電能儲存部分，借助整流電路和儲能裝置實現(xiàn)對轉化后電能的儲存。

樓梯式重力發(fā)電系統(tǒng)通過收集人在上下樓梯時產(chǎn)生的重力勢能，將其轉化為電能。該系統(tǒng)可作為一種新的能源發(fā)電方式，應用在學校、商場等人流密集的地方，產(chǎn)生的電能可直接供該場所照明使用。這項技術低碳環(huán)保，且具有較大的創(chuàng)意性。然而，樓梯式重力發(fā)電方式并不適合于家居使用。主要原因如下：首先，缺乏能夠提高人體重力勢能的設施；其次，人流量不足，難以產(chǎn)生足夠的電能實現(xiàn)照明；最后，設備造價成本較高，需建立一套獨立的發(fā)電系統(tǒng)，包括傳感器、電控單元以及發(fā)電機等設備。

重力發(fā)電燈[6]是一種以重力升降桿作為動力的驅動裝置。該裝置通過懸掛重物實現(xiàn)旋轉式循環(huán)升降，而后借助升降桿帶動變速齒輪機構的傳動，進而帶動發(fā)電機旋轉發(fā)電。該重力發(fā)電燈結構簡潔，可通過在裝置上安裝小功率燈泡作為移動照明用具，故能滿足戶外旅行或短時應急照明使用。然而，該重力發(fā)電裝置只能通過重物的升降實現(xiàn)單次重力做功，不能持續(xù)發(fā)電。因此，該重力發(fā)電燈不能夠實現(xiàn)穩(wěn)定地為家居供電的需求。

鑒于樓梯式重力發(fā)電和重力發(fā)電燈在家居應用的不足，本文提出一種使用發(fā)條彈簧和手動牽拉的組合式重力發(fā)電技術。

3 發(fā)條彈簧組合式重力發(fā)電技術

3.1 發(fā)電技術原理

本文提出的重力發(fā)電技術可在發(fā)條彈簧重力發(fā)電和手動牽拉發(fā)電之間自由切換，如圖1 所示。首先，應用發(fā)條彈簧重力發(fā)電時，通過力傳感器判斷所懸掛重物的質量大小，并匹配具有最優(yōu)彈性限度的發(fā)條彈簧。然后，當重物下落時，借助第一動力傳動軸、聯(lián)軸器及第二動力傳動軸向發(fā)條彈簧輸入轉動扭矩，使彈簧收縮。通過將重力勢能轉化為彈性勢能儲存于發(fā)條彈簧中。當需要發(fā)電時，收縮的發(fā)條彈簧將反向輸出動力，通過傳動軸帶動發(fā)電機旋轉發(fā)電。

其次當該發(fā)電裝置用于手動牽拉發(fā)電時，可不經(jīng)多級發(fā)條箱裝置，直接通過安裝在第二動力傳動軸上的鏈輪鏈條機構，將手動牽拉轉換為傳動軸的旋轉，直接帶動發(fā)電機旋轉發(fā)電。

圖1 總裝置平面結構圖

此發(fā)電設備中，發(fā)條彈簧箱作為裝置的勢能轉換箱以及動力輸入箱，是整個重力裝置的核心部件，如圖2 所示。

圖2 多級發(fā)條箱軸測投影

通過在發(fā)條彈簧上設置帶電絕緣體，使每一級發(fā)條彈簧中相鄰的兩圈因帶有相同電荷，存在斥力。當彈簧收縮時額外儲存電勢能，縮進相同距離能夠儲存更多的勢能。所以發(fā)條彈簧在輸出彈性勢能的同時能夠輸出一部分電勢能，提高了單位體積中的能量密度，可以縮小裝置的占用空間，實用性強。

3.2 家居應用可行性分析

本文提出的重力發(fā)電技術借助多級發(fā)條彈簧以及力傳感器，可根據(jù)重物的質量自動匹配最優(yōu)彈性極限的彈簧，有效解決了因重物過載或者重物欠載等無法對發(fā)條輸入轉動力矩的問題，達到發(fā)電效率最大化。此外，本發(fā)電設備可結合手動循環(huán)牽拉發(fā)電的方式實現(xiàn)持續(xù)發(fā)電。

本重力發(fā)電技術集成了重力發(fā)電與手動發(fā)電的優(yōu)勢，有效解決了現(xiàn)有的重力發(fā)電機存在的懸掛重物質量被限制以及不能持續(xù)發(fā)電的問題。該技術結構機械化，操作簡單，且發(fā)電效率高。此外，該技術借助于電發(fā)條及穩(wěn)流裝置，提高了能量密度，保證了輸出電流的穩(wěn)定性，發(fā)電時間長，能夠為小功率用電器提供長時間的供電，實用性強。

在沿海地區(qū)當發(fā)生由臺風、洪澇等極端災害引起的區(qū)域性較長時間停電問題時，本裝置結合重力發(fā)電和手動循環(huán)牽拉發(fā)電可以很好地解決照明以及一些小功率電器的用電需要。此外，本裝置作為一種家居輔助供電方式可以在一定程度上緩解用電需求，作為一種新型發(fā)電方式，更加符合節(jié)能減排，低碳生活的理念。

4 結論

本文設計發(fā)明了一種借助發(fā)條彈簧和手動牽拉的組合式重力發(fā)電技術。對不同質量的重物，該設備可通過重力傳感器匹配最優(yōu)彈性限度的彈簧，最大效率地實現(xiàn)重力勢能轉化為電能，并可通過手動牽拉的發(fā)電方式實現(xiàn)持續(xù)發(fā)電。這些功能有效解決了傳統(tǒng)重力發(fā)電機對懸掛重物質量的限制以及不能持續(xù)發(fā)電的問題。該設備可作為一種家居輔助供電設備，為小功率用電器提供電能；可應用于沿海地區(qū)作為應對臺風等極端災害天氣帶來的停電問題，以及在電網(wǎng)覆蓋率較低的偏遠地區(qū)，作為家居照明設備長時間使用，緩解用電需求。