吳小鋒，劉孟卓，張帥，李自勇，張瑞起，將慶明

（天津職業(yè)技術(shù)師范大學(xué)，天津，300222）

0 引言

世界經(jīng)濟(jì)的現(xiàn)代化的快速發(fā)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(shuō)是世界經(jīng)濟(jì)的基礎(chǔ)。但是，這些化石能源均為非可再生性資源[1]。據(jù)統(tǒng)計(jì)，這些化石能源將在21世界上半世紀(jì)，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(guó)均開(kāi)始把注意力轉(zhuǎn)向新能源的研究[2]。重力勢(shì)能在人們的日常生活中隨處都可產(chǎn)生，與其他發(fā)電裝置相比，更加環(huán)保且更廉價(jià)。如何利用這些勢(shì)能具有重大的研究?jī)r(jià)值。

日常生活中，在學(xué)校、天橋、商場(chǎng)等人員密集的公共場(chǎng)所，大多設(shè)有樓梯設(shè)施。人們上樓梯時(shí)，由于自身的重力作用，會(huì)對(duì)樓梯做功并產(chǎn)生能量，而這部分能量被白白浪費(fèi)掉。本文針對(duì)這一現(xiàn)象，擬在樓梯上設(shè)計(jì)一條凸起的防滑條，防滑帶通過(guò)傳動(dòng)桿和減速電機(jī)相連，當(dāng)防滑帶被踩下時(shí)，會(huì)連動(dòng)著減速電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，從而產(chǎn)生直流電通。將此電能通過(guò)超級(jí)電容儲(chǔ)存，然后通過(guò)逆變點(diǎn)圖轉(zhuǎn)變成交流電，便可供用戶負(fù)載使用。

本文的新意在于利用人體重力勢(shì)能產(chǎn)生并儲(chǔ)存電能，并將此電能轉(zhuǎn)化為交流電而為用戶負(fù)載所用。不僅低碳環(huán)保，而且可持續(xù)進(jìn)行，對(duì)新能源的研究使用具有極高的借鑒意義。

1 原理與設(shè)計(jì)

所有具有質(zhì)量的物體由于受到地球引力作用的影響，都會(huì)產(chǎn)生重力勢(shì)能。人體也有產(chǎn)生重力勢(shì)能。當(dāng)人們行走時(shí)，重力勢(shì)能便會(huì)轉(zhuǎn)化成動(dòng)能。將此能量收集，通過(guò)機(jī)械傳動(dòng)裝置作用于發(fā)電機(jī)組，便會(huì)產(chǎn)生電能[3]。本文正是基于此，對(duì)樓梯式重力勢(shì)能進(jìn)行收集轉(zhuǎn)化，最后形成電能供用戶負(fù)載使用。

1.1 樓梯新能源勢(shì)能回收裝置設(shè)計(jì)圖

樓梯新能源回收裝置結(jié)構(gòu)如圖1所示。該裝置主要包括臺(tái)階上凸起的防滑帶、壓力傳感器、減速器、發(fā)電機(jī)以及連接防滑帶和發(fā)電機(jī)的傳動(dòng)桿等。

圖1

當(dāng)防滑帶被踩下時(shí)，發(fā)電機(jī)就會(huì)在傳動(dòng)桿的帶動(dòng)下緩慢轉(zhuǎn)動(dòng)，通過(guò)同軸傳動(dòng)將所獲得的動(dòng)能以帶動(dòng)齒輪的轉(zhuǎn)動(dòng)，進(jìn)而切割磁感線產(chǎn)生電能[4]。在此過(guò)程中人體的重力勢(shì)能就會(huì)被轉(zhuǎn)化為動(dòng)能進(jìn)而產(chǎn)生電能。

1.2 樓梯新能源發(fā)電裝置的結(jié)構(gòu)方案

樓梯新能源發(fā)電電路圖如圖2所示。

圖2

該系統(tǒng)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(zhuǎn)速傳感器以及電壓傳感器；電控單元是本系統(tǒng)的主體部分，它由幾個(gè)電路系統(tǒng)組成，包括左側(cè)的電壓模擬信號(hào)調(diào)理電路、壓力模擬信號(hào)調(diào)理電路、轉(zhuǎn)速交變信號(hào)調(diào)理電路、系統(tǒng)開(kāi)關(guān)信號(hào)調(diào)理電路、以及右側(cè)的輸出信號(hào)調(diào)理電路；線圈部分主要包括兩個(gè)電池?fù)Q向閥電磁線圈和兩個(gè)繼電器電池線圈。

1.3 樓梯新能源整流儲(chǔ)能裝置

超級(jí)電容器又叫雙電層電容器(Electrical Double-Layer Capacitor)是通過(guò)極化電解質(zhì)來(lái)儲(chǔ)能的一種電化學(xué)元件。它主要依靠雙電層和氧化還原贗電容電荷儲(chǔ)存能量，而這一過(guò)程是可逆的。這就使得其可以循環(huán)充電。另外，其充電速度快，能量轉(zhuǎn)換率 ，功率密度高，充放電線路簡(jiǎn)單，無(wú)須特別的充電電路，且從環(huán)保的角度考慮。它是一種綠色能源[6]。鑒于此，本文選擇超級(jí)電容對(duì)產(chǎn)生的電能進(jìn)行儲(chǔ)能。

圖3

2 樓梯新能源發(fā)電儲(chǔ)能的工作過(guò)程分析

樓梯新能源重力勢(shì)能回收發(fā)電系統(tǒng)的工作過(guò)程可分解為重力勢(shì)能回收階段、發(fā)電機(jī)發(fā)電階段以及電能的儲(chǔ)存階段。

2.1 重力勢(shì)能回收階段

當(dāng)人們踩下樓梯邊緣的防滑帶時(shí)，人體重力勢(shì)能便轉(zhuǎn)化為動(dòng)能。此能量的回收過(guò)程如圖4所示。

圖4

當(dāng)防滑帶被踩下時(shí)，由泵組提供壓力經(jīng)多路閥進(jìn)入無(wú)桿腔，此時(shí)比例電磁閥1不動(dòng)作，即處于左位工作;當(dāng)防滑帶彈起時(shí)，閥1動(dòng)作處于右位工作，使動(dòng)臂油缸無(wú)桿腔壓力分兩路，一路經(jīng)過(guò)可變排量的回收馬達(dá)流回，另一路經(jīng)閥2進(jìn)入蓄能器，此時(shí)閥3不動(dòng)作。控制器通過(guò)檢測(cè)壓力傳感器Pg信號(hào)值控制閥2與閥3的動(dòng)作，使蓄能器充油和放油。閥1的開(kāi)口根據(jù)控制檢測(cè)到的手柄先導(dǎo)信號(hào)決定。本系統(tǒng)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(jié)合使用，提高系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)性、回收元件的速度穩(wěn)定性以及整個(gè)系統(tǒng)的能量回收效率。

2.2 發(fā)電機(jī)發(fā)電階段

由重力勢(shì)能回收部分回收的能量帶動(dòng)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，系統(tǒng)開(kāi)關(guān)閉合，電控單元隨即啟動(dòng)，第二繼電器觸點(diǎn)在第二繼電器電磁線圈的控制下閉合，這樣，三相異步電機(jī)就被接通，再經(jīng)由第一傳動(dòng)箱的帶動(dòng)開(kāi)始運(yùn)轉(zhuǎn)。受限于人流量，當(dāng)滑動(dòng)帶被踩下的頻率不夠時(shí)，發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速便不足，這時(shí)第一電磁轉(zhuǎn)向閥將會(huì)回到初始位置。當(dāng)人流量足夠大時(shí)，第一電磁換向閥不再通電而閉合第二繼電器觸點(diǎn)。當(dāng)蓄能器達(dá)到設(shè)定值時(shí)，第二電磁換向閥就會(huì)通電打開(kāi)， 進(jìn)而帶動(dòng)發(fā)電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)并發(fā)電。將發(fā)電機(jī)所產(chǎn)生的電能接入整流電路，儲(chǔ)存于超級(jí)電容中，便可為用戶負(fù)載提供能量了。

3 樓梯新能源重力勢(shì)能回收發(fā)電系統(tǒng)的應(yīng)用

本裝置的初衷是為用戶負(fù)載提供電能。但在實(shí)際應(yīng)用中，為了檢測(cè)某場(chǎng)所的人員流動(dòng)情況我們接入STM32F1系列微控制器，通過(guò)其脈沖計(jì)數(shù)的方式，實(shí)現(xiàn)了對(duì)人流量的檢測(cè)。

3.1 為負(fù)載系統(tǒng)供電

通過(guò)人體勢(shì)能轉(zhuǎn)換而來(lái)的電能被存儲(chǔ)于超級(jí)電容中，利用其循環(huán)使用壽命長(zhǎng)的特性，循環(huán)對(duì)其充電并持續(xù)不斷的為樓梯邊路燈、樓梯扶手的閃爍燈等負(fù)載提供能量。

3.2 實(shí)現(xiàn)某區(qū)域人流量的監(jiān)測(cè)

STM32F1具有諸多優(yōu)勢(shì)。它有一流的外設(shè)：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(zhuǎn)速度；低功耗性能，在72MHz時(shí)消耗36毫安，待機(jī)時(shí)更是下降到2微安。它集成度高且有簡(jiǎn)單的結(jié)構(gòu)和易用的工具。

本文使用STM32F1接入外部時(shí)鐘進(jìn)行脈沖計(jì)數(shù)的方式，對(duì)某區(qū)域的人流量進(jìn)行采集。STM32定時(shí)器的單脈沖輸出功能，其實(shí)是定時(shí)器輸出比較功能的一個(gè)特殊應(yīng)用。所謂的單脈沖就是通過(guò)程序在一定可控延時(shí)后，產(chǎn)生一個(gè)脈寬可控的脈沖，這里的延時(shí)時(shí)間和脈沖寬度都是可以設(shè)置的，主要通過(guò)對(duì)定時(shí)器的計(jì)數(shù)值和定時(shí)器的比較值與定時(shí)器的周期值比較而來(lái)。STM32定時(shí)器里有個(gè)重復(fù)計(jì)數(shù)器TIMx_RCR，當(dāng)它的值是個(gè)非0值N時(shí)，計(jì)數(shù)器不再每次溢出（上溢或下溢）時(shí)都產(chǎn)生更新事件，而是當(dāng)發(fā)生第N+1次溢出時(shí)才產(chǎn)生更新事件。如果RCR=0的話，就是每次溢出都產(chǎn)生更新事件。那么，當(dāng)把單脈沖輸出模式與RCR寄存器配合使用時(shí)，就不難生成指定數(shù)目的脈沖個(gè)數(shù)。此時(shí)脈沖個(gè)數(shù)為T(mén)IMx_RCR的值加1?；诖耍梢酝ㄟ^(guò)使用STM32定時(shí)器的主從模式還可以方便地實(shí)現(xiàn)周期性地輸出指定數(shù)目的脈沖。

4 結(jié)論

本文設(shè)計(jì)了一套簡(jiǎn)易的重力勢(shì)能傳達(dá)機(jī)構(gòu)，利用人體勢(shì)能附著到樓梯臺(tái)階上時(shí)將突出的防滑帶壓下去并彈起兩個(gè)過(guò)程所產(chǎn)生的動(dòng)力根據(jù)通過(guò)傳動(dòng)桿帶動(dòng)微型發(fā)電機(jī)產(chǎn)生電能并將此電能存于超級(jí)電容中，供用戶負(fù)載使用。另外，通過(guò)接入STM32F1系列微控制器，實(shí)現(xiàn)了人員監(jiān)測(cè)的功能。該裝置簡(jiǎn)便易行，普遍適用于各大人流密集處。不僅低碳環(huán)保，并且源源不斷的產(chǎn)生。符合當(dāng)前節(jié)能環(huán)保和對(duì)新能源探索的需求。