路面發(fā)電系統(tǒng)的設計與研究

金皖東，黃天峰

(義烏工商職業(yè)技術學院 機電信息學院，浙江 義烏 322000)

0 引言

現(xiàn)代社會的生產(chǎn)與生活對電力的需求越來越大，而電能作為二次能源仍依賴于不可再生能源的轉換，對環(huán)境污染嚴重，同時世界各國都在倡導節(jié)能減排、保護環(huán)境，因而尋找新的能源及新的發(fā)電方式成為當務之急。

行人行走的機械能大量存在于步行街、旅游景點等場景中，且這些能量都是清潔無污染的免費能源，若能有效利用，將產(chǎn)生巨大的經(jīng)濟與社會效益，路面發(fā)電技術應運而生。

目前的路面發(fā)電技術主要包括壓電技術和太陽能發(fā)電技術。壓電能量收集系統(tǒng)由以色列的Innowattech公司開發(fā)[1]，通過植入路面中的壓電材料采集路面的振動能量來進行發(fā)電。但該技術的路面改造費用高達65萬美元/千米，造價昂貴，且該技術目前仍未成熟，處于保密階段，沒有更多詳細資料可供參考。西安交通大學的曹秉剛等[2]提出一種路面發(fā)電方法，將壓電材料置于路面內(nèi)，通過采集振動能量產(chǎn)生電能，并將電能輸出提供給路燈系統(tǒng)或其他用電設備?！疤柲芨咚俟贰狈桨竅3]提出若給近1.25萬公里的德國高速公路裝上太陽能頂棚，將獲得相當于德國所有發(fā)電廠發(fā)電量總和16倍的電能。但是此種技術較為先進，若大規(guī)模制造生產(chǎn)相關設備則成本過高，短時間內(nèi)不能用于商業(yè)批量生產(chǎn)，無法普及。

因而，目前的路面壓電技術和太陽能發(fā)電技術存在技術復雜、造價昂貴等問題，針對上述問題，本文提出一種路面發(fā)電系統(tǒng)設計方法，為解決目前相關技術存在的問題提供新的思路。

1 系統(tǒng)結構設計

系統(tǒng)結構如圖1所示，包括承重機構、傳動機構、離合加速機構、發(fā)電儲電機構。

注：0 路面；1 承重板；2 支撐支架；3 復位彈簧；4 推桿；5 連桿；6 固定支架；7 驅動桿；8 曲軸；81 平衡塊；91 超越離合器內(nèi)圈；92 超越離合器外圈；10 離合器齒輪；11 發(fā)電機齒輪；12 發(fā)電機；13 蓄電池

1.1 承重機構設計

承重機構包括承重板、支撐支架、復位彈簧。承重板置于路面的圓盤孔內(nèi)，其下表面制有鉸接支架，用于鉸接傳動機構的推桿；復位彈簧置于承重板和支撐支架之間，用于支撐承重板，當承重板未受力時，在復位彈簧的作用下，承重板的上表面與路面的上表面齊平；支撐支架固定于路面之下，內(nèi)部放置復位彈簧，底部還制有一個圓盤孔。

承重板接收行人踩壓的動能，將能量傳導給推桿，外力釋放后，在復位彈簧的作用下承重板回到初始位置，以開始下一次的能量采集。

1.2 傳動機構設計

傳動機構包括推桿、連桿、固定支架、驅動桿、曲軸。推桿上端與承重板鉸接，其下端與驅動桿、連桿鉸接；連桿另一端與固定支架鉸接；驅動桿下端與曲軸鉸接；曲軸包含質(zhì)量分布不均勻的平衡塊，曲軸為一剛性軸，各部件間為剛性連接，無相對運動。

傳動機構的作用為傳導初始位移，并將采集到的直線位移轉換為旋轉位移。

1.3 離合加速機構設計

離合加速機構包括超越離合器、離合器齒輪、發(fā)電機齒輪，其中，超越離合器包含內(nèi)圈和外圈。超越離合器的內(nèi)圈與曲軸通過鍵連接，曲軸帶動內(nèi)圈轉動，內(nèi)圈帶動外圈轉動；離合器齒輪與外圈固連；發(fā)電機齒輪安裝于發(fā)電機主軸上，與離合器齒輪外嚙合。

離合加速機構利用超越離合器的離合特性及嚙合齒輪的傳動比加速特性，實現(xiàn)對旋轉位移的離合及加速功能。

1.4 發(fā)電儲電機構設計

發(fā)電儲電機構包括發(fā)電機、蓄電池、軸承。發(fā)電機的主軸與發(fā)電機齒輪連接，發(fā)電機產(chǎn)生的電量可儲存于蓄電池中；蓄電池通過軸承架于曲軸上。

2 系統(tǒng)工作原理與設計分析

系統(tǒng)的初始狀態(tài)為：承重板的上表面與路面平齊；復位彈簧在承重板的重力作用下處于壓縮狀態(tài)；平衡塊的重心處于曲軸旋轉中心的下方，如圖1所示。

當承重板受力時，即承重板在車輛行駛其上或行人行走其上時向下運動，推動推桿向下運動，復位彈簧進一步壓縮，此時，推桿的運動及連桿的作用將帶動驅動桿動作，驅動桿的動作帶動超越離合器的內(nèi)圈繞某一方向轉動，內(nèi)圈的轉動帶動外圈轉動，經(jīng)過離合器齒輪與發(fā)電機齒輪的嚙合傳動加速后驅動發(fā)電機發(fā)電。

當承重板運動到最下端位置時，此時復位彈簧處于最大壓縮量且平衡塊旋轉至曲軸上方，平衡塊的重心處于曲軸旋轉中心的上方，如圖2所示。隨后若承重板的受力消失，如行人抬腳或車輛快速通過，在平衡塊的重力作用及慣性作用下，同時復位彈簧回彈帶動承重板上移，在平衡塊和復位彈簧的雙重動力驅動下，曲軸繼續(xù)按之前的旋轉方向轉動，驅動桿、連桿及推桿相應動作。當承重板上表面上移回到與路面平齊狀態(tài)時，系統(tǒng)回到初始狀態(tài)。

以上為系統(tǒng)在場景一下的工作流程，該場景下一次踩踏與釋放即可帶動離合器轉動一圈，進而加速帶動發(fā)電機發(fā)電，且一次踩踏與釋放結束后，系統(tǒng)回到初始狀態(tài)，可進行下一次的踩踏與釋放，因而可連續(xù)進行踩踏與釋放過程，實現(xiàn)持續(xù)發(fā)電。同時，一次踩踏與釋放承重板的過程實現(xiàn)了曲軸及離合器內(nèi)外圈轉動一圈是基于承重板的位移不宜過大的安全性考慮。

場景二為當承重板運動到最下端位置時，承重板的受力在一定時間內(nèi)保持不變，如行人駐足或車輛停止。在承重板下移的過程中，曲軸帶動超越離合器的內(nèi)圈轉動，內(nèi)圈帶動外圈按某一旋轉方向轉動。當承重板運動到最下端位置并保持不動時，曲軸、超越離合器的內(nèi)圈停止轉動，但由于超越離合器的離合特性，以上結構的運動停止并不影響超越離合器的外圈由于慣性繼續(xù)按之前的旋轉方向轉動。當承重板的受力消失，即駐足的行人離開或停止的車輛離開，隨后系統(tǒng)的工作流程同場景一的工作流程，平衡塊和復位彈簧的雙重作用帶動曲軸繼續(xù)按之前的旋轉方向轉動。

因而，場景二下的一次踩踏與釋放也可帶動離合器轉動一圈，且一次踩踏與釋放結束后，系統(tǒng)回到初始狀態(tài)。

場景三為在承重板下移的過程中承重板的受力消失，如行人只踩了一小部分位移就抬腿離開。此場景下，承重板下移，內(nèi)圈帶動外圈按某一旋轉方向轉動，當承重板的受力消失時，平衡塊只轉動了一個小角度，如圖3所示。平衡塊受重力作用及在復位彈簧的作用下，平衡塊反轉，承重板上移，曲軸帶動內(nèi)圈反轉，但由于超越離合器的離合特性，內(nèi)圈的反轉并不影響外圈由于慣性繼續(xù)按之前的旋轉方向轉動。在各種結構作用下，承重板上移回到初始狀態(tài)，系統(tǒng)回到初始狀態(tài)。

以上為三種常見的實際場景下系統(tǒng)的工作流程，在行人快速通過、行人駐足后通過、行人只踩踏一小部分位移后離開三種場景下系統(tǒng)均可正常工作，且基于承重板的位移不宜過大的安全性考慮，設計了一次踩踏與釋放承重板的過程可實現(xiàn)曲軸及離合器內(nèi)外圈轉動一圈，提高了系統(tǒng)工作效率。進一步，可混合采用三種場景下的踩踏與釋放過程，每次踩踏與釋放過程相互獨立，增強了系統(tǒng)的靈活性與適應性。

注：0 路面；1 承重板；2 支撐支架；4 推桿；5 連桿；6 固定支架；7 驅動桿；8 曲軸；81 平衡塊；91 超越離合器內(nèi)圈；92 超越離合器外圈；10 離合器齒輪；11 發(fā)電機齒輪；12 發(fā)電機；13 蓄電池。

注：0 路面；1 承重板；2 支撐支架；3 復位彈簧；4 推桿；5 連桿；6 固定支架；7 驅動桿；8 曲軸；81 平衡塊；91 超越離合器內(nèi)圈；92 超越離合器外圈；10 離合器齒輪；11 發(fā)電機齒輪；12 發(fā)電機；13 蓄電池。

3 系統(tǒng)創(chuàng)新點分析

本系統(tǒng)的創(chuàng)新點總結為以下三個方面：

(1)滿足實際應用場景需求，適應性高。針對三種常見的實際場景設計了系統(tǒng)的工作流程，滿足系統(tǒng)實際應用需求。

(2)安全高效?；诓忍さ奈灰撇灰诉^大的安全性考慮，系統(tǒng)采用平面連桿結構，與其他結構相比，系統(tǒng)可在較小的垂直踩踏位移下產(chǎn)生更大的旋轉位移，提高了系統(tǒng)的發(fā)電效率。

(3)社會效益良好。系統(tǒng)采集免費的綠色能源轉換為電能儲存，可就近為路燈、三面翻、充電樁等系統(tǒng)供電。特定場景下系統(tǒng)還能提供一定的娛樂功能，如布置在步行街或按一定的規(guī)則在路面進行布置等等。

4 結語

本文對路面發(fā)電系統(tǒng)進行了設計與研究，針對三種常見的實際場景設計了路面發(fā)電系統(tǒng)的工作原理及工作流程，在三種場景下系統(tǒng)均能正常工作。本文設計與研究的路面發(fā)電系統(tǒng)滿足實際應用場景需求，適應性高，基于一定的安全性考慮進行工作原理與工作流程設計，安全高效，同時具備良好的社會效益。