CN104442434B - 利用重力控制发电补充飞轮电池能量的装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种利用重力控制发电补充飞轮电池能量的装置。其特别之处是本发明设有重力离合装置和动力单元，重力离合装置是根据自行车行驶的状况自动控制是否给飞轮电池补充能量。动力单元是利用自行车后轮的动力发电，发出的电驱动飞轮电池的飞轮储存能量。有益之处是在无电源场合，可以用自行车给飞轮电池补充动能。利用自然力的重力和自锁机构自动控制给飞轮电池补充能量，以减轻人力负载。即当自行车下坡时，装置与自行车自动结合，向飞轮提供动能。当自行车上坡或平地行驶时，装置与自行车自动分离，以减轻人力负载。

Description

利用重力控制发电补充飞轮电池能量的装置

技术领域

本发明是关于飞轮电池（或称飞轮储能装置）领域，特别是涉及一种飞轮电池补充能量的装置。

背景技术

在众多储能装置中，飞轮电池突破了化学电池的局限，用物理方法实现储能。当飞轮以一定角速度旋转时，就具有一定的动能，飞轮电池以其动能转换成电能。飞轮电池与化学电池相比，以其高效率，充电时间短、相对尺寸小、清洁无污染等突出优势有望成为最具前景的储能电池。

飞轮电池的工作原理：飞轮电池中有一个电机（电动/发电一体机），充电时，该电机以电动机形式运转，将外界输入的电能通过电动机转化为飞轮的动能储存起来，即飞轮电池“充电”；当外界需要电能时，该电机以发电机形式转动，通过发电机将飞轮的动能转化为电能，输出给外部负载，即飞轮电池“放电”。 为了减少风阻损耗，摩擦等能量损失，飞轮电池设置在真空盒内，并使用磁悬浮轴承支撑转动部件。

飞轮电池的储能密度大、相对尺寸小的特点，目前正在向更小型化、低廉化方向发展，甚至将有可能出现设置在手机中的飞轮电池。由于其储能密度大的特点，尤其适合携带于野外无电源场合，特别是对于骑自行车旅行的车友，在野外宿营时，非常需要有一个能给手提电脑、收音机，照明支持电力的飞轮电池。然而，飞轮电池目前只能用通电的方式带动真空盒内的电机带动飞轮转动，使飞轮储存动能，而在野外却没有可以给飞轮电池充电的电源。

发明内容

本发明的目的是提供一种在自行车行驶中，利用自行车轮的转动发电给飞轮电池补充动能的装置。

本发明主要技术思路：

1、为减少人力负载，装置是在自行车下坡时自动给飞轮电池补充能量。而在上坡时，装置自动与自行车分离。该自动离合机构为非耗电机构。

2、飞轮电池必须是在真空盒内运作，可以用自行车发的电输入到飞轮电池真空盒内的电机，用电机带动飞轮转动储存动能。

本发明的具体技术方案：包括自行车及其后架和后轮、飞轮电池的真空盒和真空盒内的飞轮及电机，其特征在于，还包括：

重力离合装置：其包括安装架及夹子、自锁机构、顶杆和重锤杆；所述安装架通过夹子与自行车的后架固连；自锁机构设置在安装架的楔槽中，其包括滑块、钢球和弹簧；所述顶杆的一端与自锁机构的钢球间断性接触，顶杆的另一端与重锤杆间断性接触；所述重锤杆与安装架上的第二支轴铰接；

动力单元：其包括支架、外驱动装置和飞轮电池单元；

其中，所述支架上部与安装架中的第一支轴铰接；支架下部设置外驱动装置和飞轮电池单元；支架还通过自锁机构的滑块与自锁机构连接；

其中，所述外驱动装置包括摩擦轮和发电机，摩擦轮与自行车的后轮间断性接触；摩擦轮与发电机连接；发电机通过导线与飞轮电池单元中的电力电子变换器连接，为飞轮电池提供电力；

其中，所述飞轮电池单元包括一飞轮电池，一控制电路；所述飞轮电池包括真空盒和真空盒内的飞轮及电机，真空盒与发电机的外壳固连；所述控制电路包括单片机及钮扣电池电源、电力电子变换器，电力电子变换器通过导线与发电机连接，电力电子变换器还分别与飞轮电池、单片机连接，单片机分别与钮扣电池电源、电力电子变换器连接；该飞轮电池单元为外部负载提供电力；

上述装置的使用方法：

第一步骤：当自行车进行上坡行驶期间，动力单元在重力作用下，其支架绕第一支轴转动到自由垂直状态，支架与安装架的夹子的夹角大于90°，其摩擦轮与自行车的后轮处于分离状态；

第二步骤：当自行车进行下坡行驶期间，动力单元在重力作用下，其支架绕第一支轴转动，支架与安装架的夹子的夹角小于90°，摩擦轮与自行车的后轮接触，并被自行车的后轮带动；当自行车的后轮行驶中产生抖动时，与支架连接的自锁机构自动锁住支架，阻止摩擦轮与自行车的后轮分离；转动的摩擦轮带动发电机转动发电，发电机发出的电通过电力电子变换器输入到飞轮电池的真空盒内的电机，使电机加速带动飞轮转动，储存机械动能；

第三步骤：当自行车进行平地行驶时，重锤杆在重力作用下，绕第二支轴朝后轮的相反方向转动，重锤杆与安装架的夹子的夹角呈直角状，重锤杆的上部推动顶杆，顶杆推动自锁机构的钢球，使自锁机构释放支架，于是支架在重力作用下，绕第一支轴朝后轮的相反方向转动，支架与安装架的夹子的夹角呈直角状，摩擦轮与自行车的后轮分离；发电机停止发电；飞轮依靠储存的动能继续在真空盒内转动；

重复步骤1、步骤2和步骤3，也就是摩擦轮带动的发电机不断地间断性供电给飞轮电池，使飞轮不断加快，直至飞轮获得可以供电的转速；

此后，当外部负载需要电力时，操作单片机通电发讯给电力电子变换器和飞轮电池，飞轮作为原动机拖动电机发电，通过电力电子变换器输出交流电，经过单片机给外部负载提供电力。

本发明与现有技术相比的特点是：

一、在无电源场合，可以用自行车给飞轮电池补充动能。

二、利用自然力的重力和自锁机构自动控制给飞轮电池补充能量，以减轻人力负载。即当自行车下坡时，装置与自行车自动结合，向飞轮提供动能。当自行车上坡或平地行驶时，装置与自行车自动分离，以减轻人力负载。

三、在野外休息时，如遇飞轮电池储存的电力不够用时，可以转动自行车的后轮，继续给飞轮电池补充能量。

附图说明

图1是本发明的立体示意图。

图2是图1另一个角度的立体示意图。

图3是图2的部分零件的分解图。

图4是本发明上坡时的示意图。

图5是图4的A部放大视图。

图6是本发明下坡时的示意图。

图7是图6中B部放大视图。

图8是图4中的D-D剖视图。

图9是本发明在平地时的示意图。

图10是图9中的C部放大视图。

图11是另一实施方法的示意图。

图12是电路示意图。

图13是飞轮电池的结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步说明：

重力离合装置：（参见图1至图6）该装置主要是根据自行车行驶的状况自动控制是否给飞轮电池补充能量。其包括安装架11及夹子111、自锁机构12、顶杆13和重锤杆14；安装架11通过夹子111与自行车的后架71固连；

自锁机构12设置在安装架的楔槽129内（参见图6和图7）；该自锁机构包括滑块121、钢球122和弹簧123。钢球122分别与滑块121的下边、弹簧123的一端、楔槽129的下边接触。滑块121的下边与钢球122接触，滑块121的上边与楔槽129的上边接触。弹簧123的一端与钢球122接触，另一端顶在楔槽129的一端。图7所示状态，滑块121只能向左移动，这是由于钢球122被弹簧123顶着，将滑块121压紧在楔槽129上，所以滑块121不能向右移动，从而形成了自锁状态。但如果顶杆13的一端将钢球朝弹簧123方向推动，钢球122就不再压紧滑块121，滑块121才可以向右移动。而顶杆13的移动是由重锤杆14控制的。重锤杆14铰接于安装架11上的第二支轴19，重锤杆14上部与顶杆13有间断性接触。

参见图1、图3、图8和图12，动力单元2包括支架21、外驱动装置4和飞轮电池单元（飞轮电池单元包含飞轮电池3和控制电路5）。

外驱动装置4包括摩擦轮41和发电机43，摩擦轮41与自行车的后轮72间断性接触；摩擦轮41与发电机43连接；发电机43通过导线与飞轮电池单元中的电力电子变换器51连接，为飞轮电池3提供电力；

设计外驱动装置4中的摩擦轮41和发电机43的参考示例：通常情况下，自行车的平均时速为每小时20公里，因此自行车车轮行进中的线速度为333 m/min。假如摩擦轮41设计为直径70毫米，则摩擦轮41在自行车后轮72的带动下，具有约1500r/min转速。如果摩擦轮41直接与发电机43的转子连接，则根据同步电机的转速公式n=60f/p（n是发电机的转速，f是交流电的频率，即50Hz，p是定子励磁的极对数）设计发电机：发电机定子励磁极对数是2，50Hz，转速是1500r/min。发电机43发出的电通过导线，经控制电路5的电力电子变换器51输入到真空盒内的电机34，电机34带动飞轮31转动，储存机械动能；另一种方法可以让发电机43具有3000r/min转速：方法是在摩擦轮与发电机43之间设置调速器42（见图8），也就是利用调速器42把摩擦轮41的转速调高一倍，调速器42与发电机43连接的输出轴转速达到3000r/min；这种状况的发电机定子励磁极对数是1，50Hz，转速是3000r/min。但缺点是增加调速器42会增加本发明装置的重量。

动力单元2的支架21上部与安装架11上的第一支轴28铰接（参见图1、图2、图3和图8）；支架21下部的一部分与外驱动装置的调速器42的外壳固连（如果不设置调速器42，则支架21下部的一部分与外驱动装置的发电机43的外壳固连），支架21下部另一部分与飞轮电池的真空盒33固连；发电机43的外壳与真空盒33固连。控制电路5的电气件可以设置在真空盒33外的电气盒内（未画出）；也就是动力单元2的零部件均安装在支架21上，当支架21绕安装架11上的第一支轴28转动，动力单元2也随之转动。

支架21还通过滑块121与自锁机构12连接（见图2、图3）。支架21上设置一滑槽211，自锁机构12的滑块121设有一圆销1211，圆销1211位于滑槽211内。当支架21转动时，通过圆销1211带动滑块121移动。或者，滑块121固定时，控制支架21不转动。这样，自锁机构12就可以通过控制支架21，进而控制动力单元2的运动。

飞轮电池单元：其包括一飞轮电池3（参见图13），一控制电路5（参见图12）；所述控制电路5包括单片机53及钮扣电池电源52、电力电子变换器51，电力电子变换器51通过导线与发电机43连接，电力电子变换器51还分别与飞轮电池3、单片机53连接，单片机53分别与钮扣电池电源52和电力电子变换器51连接，外部负载可以与单片机53连接，以获得电力；

公知典型的飞轮电池3参见图13，其由飞轮电池的飞轮31、轴承32、飞轮电池的电机34和真空室33四个主要组件构成。飞轮电池的电机34和飞轮电池的飞轮31都使用具有磁性的轴承32，使其悬浮，以减少机械摩擦，同时将飞轮电池的飞轮31和飞轮电池的电机34放置在真空盒33中，以减少空气摩擦。这样的飞轮电池的输入输出净效率可达95%左右。所述飞轮电池的电机34是电动发电互逆式双向电机。

电力电子变换器51是现有技术飞轮电池的能量转换控制部件，它控制飞轮电池中的电机34，实现电能与机械能的相互转换，并且具有变频、逆变、整流等功能。发电机43发出的电经过电力电子变换器51变换后供给电机34，输出电能也是经过电力电子变换器51变换后获得要求的电力。电力电子变换器51中含有整流器、变频器、逆变器（未画出，因是现有技术，不作详细描述）。本发明的摩擦轮41带动的发电机43供电时，电力电子变换器51的整流器把发电机43发出的交流电转换成直流电，通过电力电子变换器51的变频器驱动电机34加速转动，带动飞轮31旋转，储存机械动能，实现电能向机械能的转换，即飞轮电池单元的充电过程；发电机43供电中断时，飞轮31作为原动机拖动电机34空转；摩擦轮41带动的发电机43不断地间断性通过电力电子变换器51供电给飞轮电池3，电力电子变换器51的变频器使电机34转速不断加快，从而飞轮31的转速也不断加快。当飞轮31获得可以供电的转速后（比如10000r/min），就可以开始向外部负载开始供电。当外部负载需要电力时，操作单片机53通电发讯给电力电子变换器51和飞轮电池3，飞轮31作为原动机拖动电机34发电，通过电力电子变换器51的逆变器输出交流电，经过单片机53给外部负载提供电力，完成机械能向电能的转换，即飞轮电池3的放电过程。其中图12中的钮扣电池电源52给单片机53提供电力。上述飞轮电池3和控制电路5均是所属技术领域的技术人员所熟识的，不再详细累述。

由于自行车是人力带动，长途骑行，所以安装在自行车上的本发明的补充飞轮电池能量的装置的总重量应按照骑行者各自的体力进行设计，力求轻型。实际使用的飞轮电池中，飞轮是整个飞轮电池的核心部件，它直接决定了整个飞轮电池的储能多少，它储存的能量由公式E=jω2（式中2是平方）决定。式中j为飞轮的转动惯量，与飞轮的形状和重量有关;ω为飞轮的旋转角速度。飞轮电池的储能密度一般在150W·h/kg，功率密度为5000-10000W/kg。在设计中可以按照上述公式以及飞轮电池的储能密度和功率密度，并结合实际需要的用电量，估算本发明的装置实际重量。

上述装置的使用方法：

步骤1：参见图2、图4、图5，当自行车进行上坡行驶期间，安装在支架21上的动力单元2和重锤杆14在重力作用下自由垂直，动力单元的支架21与安装架的夹子111的夹角大于90°，其摩擦轮41与自行车的后轮72处于分离状态；

步骤2：参见图6、图7，当自行车进行下坡行驶期间，安装在支架21上的动力单元2在重力作用下，绕第一支轴28转动（到达图6所示状态），支架21和重锤杆14与安装架的夹子111的夹角小于90°，摩擦轮41与自行车的后轮72接触，并被自行车的后轮72带动（摩擦轮优先采用橡胶材料，因其具有较好的弹性和较大的摩擦系数）；当自行车的后轮72行驶中产生震动时，摩擦轮41就有离开后轮72的倾向。这时候自锁机构12就会阻止摩擦轮41与后轮72分离，也就是在震动时，支架21通过圆销1211要拨动滑块121向右移动，但由于滑块121被钢球122压紧在楔槽129中，从而锁住支架21不能转动，这样，摩擦轮41继续保持与后轮72接触，被后轮72带动。摩擦轮41带动发电机43（或通过调速器42带动发电机43）发电，发出的交流电通过电力电子变换器51的整流器转换成直流电，又通过电力电子变换器51的变频器驱动电机34加速转动，带动飞轮31旋转，储存机械动能。

步骤3：参见图9、图10当自行车进行平地行驶时，重锤杆14在重力作用下，绕第二支轴19朝后轮72的相反方向转动（到达图9所示状态），重锤杆14与安装架的夹子111的夹角呈直角状，重锤杆14的上部推动顶杆13，顶杆13推动自锁机构12中的钢球122，使楔槽129中的滑块121不再被压紧，滑块121和支架21一起被释放，于是支架21在重力作用下，绕第一支轴28朝后轮72的相反方向转动（到达图9所示状态），支架21与安装架的夹子111的夹角呈直角状，摩擦轮41与后轮72分离，这样，发电机43停止发电。于是，真空盒内的电机34停止带动飞轮31。飞轮31依靠储存的动能继续真空盒内转动；

重复步骤1、步骤2和步骤3，也就是摩擦轮41带动的发电机43不断地间断性供电给飞轮电池3，使电机34和飞轮31不断加速转动，直至飞轮31获得可以供电的转速。此后，当外部负载需要电力时，操作单片机53通电发讯给电力电子变换器51和飞轮电池3，飞轮31作为原动机拖动电机34发电，发出的电通过电力电子变换器51的逆变器输出交流电，经过单片机53给外部负载提供电力。

另一实施方法：对于体力好的骑者，在平地行驶时，也可以利用本发明对飞轮电池实施补充能量。方法是在平地上（见图11），将摩擦轮41调整到与后轮72接触，然后将夹子111固定在后架71上。这样，自行车在下坡和平地行驶时，都可以给飞轮电池补充能量。而在上坡时，摩擦轮41与后轮72是分离的，不再消耗骑者的体力。

另外，当在野外休息时，如遇飞轮电池储存的电力不够用时，可以转动自行车的后轮，继续给飞轮电池补充能量。

Claims (1)

1.一种利用重力控制发电补充飞轮电池能量的装置，包括自行车及其后架和后轮、飞轮电池的真空盒和真空盒内的飞轮及电机，其特征在于，还包括：

重力离合装置：其包括安装架及夹子、自锁机构、顶杆和重锤杆；所述安装架通过夹子与自行车的后架固连；自锁机构设置在安装架的楔槽中，其包括滑块、钢球和弹簧；所述顶杆的一端与自锁机构的钢球间断性接触，顶杆的另一端与重锤杆间断性接触；所述重锤杆与安装架上的第二支轴铰接；

动力单元：其包括支架、外驱动装置和飞轮电池单元；

其中，所述支架上部与安装架中的第一支轴铰接；支架下部设置外驱动装置和飞轮电池单元；支架还通过自锁机构的滑块与自锁机构连接；

其中，所述外驱动装置包括摩擦轮和发电机，摩擦轮与自行车的后轮间断性接触，摩擦轮圆周表面设有多条凹槽；摩擦轮与发电机连接；发电机通过导线与飞轮电池单元中的电力电子变换器连接，为飞轮电池提供电力；

其中，所述飞轮电池单元包括一飞轮电池，一控制电路；所述飞轮电池包括真空盒和真空盒内的飞轮及电机，真空盒与发电机的外壳固连；所述控制电路包括单片机及钮扣电池电源、电力电子变换器，电力电子变换器通过导线与发电机连接，电力电子变换器还分别与飞轮电池、单片机连接，单片机分别与钮扣电池电源、电力电子变换器连接；该飞轮电池单元为外部负载提供电力。