CN105852302A - 一种桥式气囊足部发电装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种桥式气囊足部发电装置，该装置包括多个弹性支撑柱、两个气囊、整流气路和稳压储能模块；多个弹性支撑柱置于鞋体的底部，两个分别位于鞋体的底部的前脚掌和后脚跟位置，且两个气囊气囊的出气口分别与整流气路的另一条对角线的出口连接，所述发电机的输出端口与稳压储能模块输入端口通过导线对应连接，所述稳压储能模块设有USB端口，稳压储能模块的稳压整流电路将发电机输出的交流电能变为直流电能储存在储能模块中，并通过USB端口稳压输出；本发明不仅能够将机械能转换电能，还能够保证发电机的风叶能够持续正向转动。

Description

一种桥式气囊足部发电装置

技术领域

本发明属于生活用品节能技术领域，具体涉及一种桥式气囊足部发电装置。

背景技术

利用人体行走时的足部机械能发电，相比于传统的火力发电，具有清洁无污染、节约能源、工作无噪声、适用环境广泛、便携式发电、被动式发电等优点，是一种绿色，新型的能源收集装置发电方式。这种新型发电方式，可以广泛利用在各种环境，收集人类行走时未被利用的机械能，对环境更加友好，应用更加广泛，并节约能源与空间。

现在已经有很多种类型吸收足部机械能来发电的装置，一般来说这些装置的发电原理主要分为三种：机械齿轮传动式、压电式和电磁式。气囊式的发电装置属于新式的发电方法，通过踩压鞋底气囊，带动风叶，产生电力。在已知的气囊发电装置中，多数气囊发电装置处于半封闭状态，利用与大气相通的通风口，踩压时吹动电机，产生电能。这种方式不利于鞋底气囊的保护，易于损坏，同时在气囊气压小于大气压时，进气使得电机减速，浪费了电机的发电功率。少数双向发电装置，并没有合理的整合气流，采用电机双向转动的方式发电，同样浪费了部分的发电功率。

发明内容

有鉴于此，本发明提供了一种桥式气囊人体足部机械能发电装置，不仅能够将机械能转换电能，还能够保证发电机的风叶能够持续正向转动。

实现本发明的具体实施方案为：

本发明提供了一种桥式气囊足部发电装置，该装置包括多个弹性支撑柱2、两个气囊3、整流气路4和稳压储能模块12；

所述整流气路4由四个整流管路I首尾连通组成的四边形结构，所述四边形结构的对边的两条整流管路I内分别设有一个正向单向阀5，另一对边的两条整流管路I内分别设有一个反向单向阀5，所述四边形结构一条对角线上设有一个整流管路II，所述整流管路II与四个整流管路I连通，所述整流管路II内设有一个发电机6；

稳压储能模块12由稳压整流电路和储能单元组成；

多个弹性支撑柱2置于鞋体1的底部，两个气囊3分别位于鞋体1的底部的前脚掌和后脚跟位置，且两个气囊3的出气口分别与整流气路4的另一条对角线上设置的出口连接，所述发电机的输出端口与稳压储能模块12输入端口通过导线对应连接，所述稳压储能模块12设有USB端口，稳压储能模块12的稳压整流电路将发电机6输出的交流电能变为直流电能储存在储能模块中，并通过USB端口稳压输出。

进一步地，所述气囊3的材料为橡胶。

进一步地，所述弹性支撑柱2为橡胶气柱或弹簧。

进一步地，所述整流管路I和整流管路II的材质为硬质塑料。

进一步地，储能模块为超级电容器。

进一步地，所述超级电容器为超级柔性电容器。

进一步地，发电机为小型风力发电机。

有益效果：

(1)本发明采用的气囊和整流气路结构，可将人体足部运动时产生的垂直动量转变为气体的气平动量，对人行走起到缓冲作用和减震作用。

(2)本发明采用的整流气路结构，使气体单向通过电机，减少了电机启动，制动等过程，大幅增加电机发电效率，同时使电流连续，保证后续整流储能电路可行性。

(3)本发明提供的一种桥式气囊人体足部机械能发电装置，不仅结构简单、成本较低，材料易获取，而且鞋底气囊处于全封闭的状态，不易被损坏。

(4)本发明提供的一种桥式气囊人体足部机械能发电装置，储能模块采用的超级柔性电容器，不仅增加了电能转换效率，而且使设备更加符合人体穿戴特点，舒适且无副作用。

附图说明

图1为一种桥式气囊人体足部机械能发电装置整体示意图。

图2为一种桥式气囊人体足部机械能发电装置的局部放大示意图。

图3为风力发电机结构示意图。

图4为单向阀示意图。

图5为发电机结构示意图。

1-鞋体；2-支撑柱；3-气囊；4-整流气路；5-单向阀；6-发电机；7-叶片；8-外壳体；9-磁铁组；10-线圈组；11-叶片轴；12-稳压储能模块；13-导线；

具体实施方式

下面结合附图并举实施例，对本发明进行详细描述。

本发明提供了一种桥式气囊足部发电装置，如图1所示，该装置包括多个弹性支撑柱2、两个气囊3、整流气路4和稳压储能模块12；

所述整流气路4由四个整流管路I首尾连通组成的四边形结构，所述四边形结构的对边的两条整流管路I内分别设有一个正向单向阀5，另一对边的两条整流管路I内分别设有一个反向单向阀5，所述四边形结构一条对角线上设有一个整流管路II，所述整流管路II与四个整流管路I连通，所述整流管路II内设有一个发电机6；

稳压储能模块12由稳压整流电路和储能单元组成；

多个弹性支撑柱2置于鞋体1的底部，两个气囊3分别位于鞋体1的底部的前脚掌和后脚跟位置，且两个气囊3的出气口分别与整流气路4的另一条对角线上设置的出口连接，所述发电机的输出端口与稳压储能模块12输入端口通过导线对应连接，所述稳压储能模块12设有USB端口，稳压储能模块12的稳压整流电路将发电机6输出的交流电能变为直流电能储存在储能模块中，并通过USB端口稳压输出。

本发明利用气囊3将人体行走时的踩踏能量转换为气流动能，气囊3内气体通过整流气路4单向带动电机6，气体动能转化为发电机叶轮的转动动量，叶轮转动带动电机的磁体组和线圈组产生相对旋转，改变线圈组中磁通量的大小，将叶轮的机械能转化为电能，产生的电能可以为各种低功耗的用电设备供电。

在鞋体1底部设置的气囊发电装置，由弹性支撑柱2保证了鞋底结构支撑，同时固定气囊发电装置。其中，支撑柱2为封闭式橡胶气柱，内部存储有气体，具有良好弹性，当受压时变形压缩气体，压力减小时恢复原样，保证鞋体底部结构支撑。其中，两个气囊3具有一定的韧性和弹性，分别位于鞋底的前脚掌和后脚跟位置，内存储有气体，在外部作用力挤压下变形，排出内部气体，将人体足部踩踏运动转化为气体的动能。人体足部踩踏运动具有位移小、冲量大的特性，直接利用这种运动的机械能来进行发电难度较大，本发明采用气囊的形式，将垂直方向的足部机械运动转换为在管道中流动的易于收集的气体的动能，转化效率高，可充分利用人体踩踏产生的能量。气囊3可选择橡胶材料，其具备一定的弹性和强度，价格低廉，且鞋底环境不会受到阳光的照射以及腐蚀作用，对耐腐蚀性要求不高。可以根据人体行进时的受力特点，将气囊3设计为椭球体，便于气体在挤压下的流动，提高气体流动速率，进而提高发电效率。

人体行进过程中，两个气囊3被交替挤压，气囊3中的气体在外力的驱动下不断地挤出和流回，而通常所用的气体发电机是单向的，对于这种往复运动气体的动能会产生正反双向转动，使得电机长时间处于启动与制动状态，减小了发电效率，所以对于系统规模较小的本发明装置来说，如图2所示，选择一种类似桥式整流电路的整流气路，保证气流始终单向通过电机，保证电机在额定功率下发电。尽可能地提高发电机线圈组中磁通量以及运动过程中的线圈组中的磁通变化率，对于提高发电功率与发电效率十分重要。

具体实现方式如下：

当人体后脚掌先落地时，挤压后脚掌气囊。后脚掌气囊内气压大于前脚掌气囊，气体通过气口进入整流气流管。在整流气流管的四个回路内都固定有单向阀。如图4所示，单向阀由圆环体和圆片体组成。当气流从圆环通过，吹起圆片体，使气流通过。而当气流从圆环体吹过时，由于圆环体内径小于圆片体外径，使圆片体保持不动，阻止气流通过。单向阀保证前后脚掌气囊的气流只能选择单一桥路通过，不会从两条桥路同时向另一气囊通气。如图2所示，当气囊A受压，由于桥路2单向阀阻止气体流通，气体由气囊A进入第一个整流管路I，由于第四个整流管路I单向阀阻止气体流通，使气体正向通过整流管路II，使发电机正向发电。然后由于气囊A受压，由于第三个整流管路I气压远小于第二个整流管路I，同时整流气进入第三个整流管路I，最后通过气口进入气囊B。当人体行走抬脚，前脚掌气囊受压。后脚掌离地，气囊不受压时。同理气囊B出气，通过第四个整流管路I，正向通过整流管路II，然后通过第二个整流管路I进入气囊A。

为保证整流气路正常工作，应是气囊受压时整流气路存在气压压差，同时使气体尽量多地通过电机。因此整流气路应选择非弹性材质。同时整流气路在鞋底行走时会受到纵向应力和竖直方向的压力，因此应选在材质坚硬，非塑性材料。所以，整流气路选择强度高，非弹性，非塑性材料，如硬质塑料。

如图3所示，由于该小型发电机安装于鞋底内，正常工作的过程中会承受一定的压力，而其内部安装有叶轮轴、线圈、磁体等部件，所以需要外壳结构以足够的强度来保护内部的零件。发电机的叶片7为阻风型叶片，这种叶片对于固定风速可以保证最大效率发电。外壳体8的内部固定两片异磁极磁铁9，实现恒通磁场。在气体通过时叶片7带动叶片轴11，使线圈10切割磁感线，改变线圈内部磁通量进行发电。

其中，外壳体8主要起保护内部元件和结构的功能，需要强度较大能防止踩踏的冲击力作用在发电结构内部的零件上，又由于外壳要安装在鞋内，所以装置外壳的重量不宜过重影响人体运动，并且外壳体1不能导电，因此，外壳体1应该是由一种强度高、重量轻的不导电材料制成，例如硬质塑料。

叶磁体组10的磁铁为产生磁通的来源，磁铁的磁力越强，那么磁通的变化率就越大；同时，磁铁体积要比较小，这样才能组成阵列放入鞋中。目前的磁铁材料主要有铁氧体、钕铁硼、钐钴和铝镍钴。其中铁氧体的性能低和中，价格最低，温度特性良，耐腐蚀，性能价格比好；钕铁硼性能最高，价格中，强度好，不耐高温和腐蚀；钐钴的性能高，价格最高，脆，温度特性优，耐腐蚀；铝镍钴性能低，价格中，温度特性优，耐腐蚀、耐干扰性差。考虑到在鞋内的应用，对温度性能和耐腐蚀性能并没有很高的要求，而要求性能较好，因此选用钕铁硼这一材料的磁铁。

稳压储能模块位于鞋的脚踝处，如图1所示，包括整流稳压电路和储能模块；输出电极引出的导线在鞋子内部延伸至整流稳压电路的输入端，整流稳压电路的输出端通过导线13分别连接至储能模块的正负极。

如图5所示，由于发电机所产生的电流是交流电，所以需要一个整流稳压模块对所产生的电能进行整流、稳压，本应用实例采用的是一个单相全桥整流电路，采用四个二极管搭建一个桥式整流电路对产生的电能进行整流。单相桥式整流电路的输出端，采用开关管稳压方式的来保证电压输出的稳定，开关管稳压是采用调节PWM脉冲信号的占空比来控制输出功率的大小，通过对输出电压的采样，结合简单的控制算法，使输出电压的灵活性较好，并且对输入电压的要求不高。

由于人在行走时，足部对气囊的挤压并不是连贯的，所以足部机械能发电所产生的能量并不均匀。因此必须对每一次脚踩踏的脉动的微小的能量进行收集，并且需要利用储能装置对该机械能发电装置在每一步所产生的能量进行持续的存储。同时放置于脚踝处的储能设备，应与穿戴设备有良好结合，具有一定柔韧性与舒适性。因此在本发明中选用超级柔性电容器作为存储模块。超级柔性电容器适用性较强，对电路的要求较低，而且不需要设置特殊的充电控制电路和放电控制电路。由于它拥有充电速度快，功率密度大，使用寿命长，使用时间不会受到过充电、过放电的影响等特点。同时相比较普通超级电容器，更加柔韧舒适，无毒害性，可以贴身放置，质感与普通布料相同。

本发明的人体足部环境下的机械能发电工作原理及实现方式如下：

当行走时，足跟部或脚掌部落地，挤压足根部或脚掌部的气囊3，将气体通过气口进入桥式整流气管，正向通过电机叶片7，带动叶轮轴和线圈10组产生旋转，使线圈10组在运动过程中切割磁铁9组的磁感线，因其线圈10组中产生交流电，该电流通过导线导入电能变换模块中，经过整流后变为直流电，在经过稳压后连接至储能模块的正、负极，成为直接应用与人们日常生活所用的低压直流电。

综上所述，以上仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种桥式气囊足部发电装置，其特征在于，该装置包括多个弹性支撑柱(2)、两个气囊(3)、整流气路(4)和稳压储能模块(12)；

所述整流气路(4)由四个整流管路I首尾连通组成的四边形结构，所述四边形结构的对边的两条整流管路I内分别设有一个正向单向阀(5)，另一对边的两条整流管路I内分别设有一个反向单向阀(5)，所述四边形结构一条对角线上设有一个整流管路II，所述整流管路II与四个整流管路I连通，所述整流管路II内设有一个发电机(6)；

稳压储能模块(12)由稳压整流电路和储能单元组成；

多个弹性支撑柱(2)置于鞋体(1)的底部，两个气囊(3)分别位于鞋体(1)的底部的前脚掌和后脚跟位置，且两个气囊(3)的出气口分别与整流气路(4)的另一条对角线上设置的出口连接，所述发电机的输出端口与稳压储能模块(12)输入端口通过导线对应连接，所述稳压储能模块(12)设有USB端口，稳压储能模块(12)的稳压整流电路将发电机(6)输出的交流电能变为直流电能储存在储能模块中，并通过USB端口稳压输出。

2.如权利要求1所述的一种桥式气囊足部发电装置，其特征在于，所述气囊(3)的材料为橡胶。

3.如权利要求1所述的一种桥式气囊足部发电装置，其特征在于，所述弹性支撑柱(2)为橡胶气柱或弹簧。

4.如权利要求1所述的一种桥式气囊足部发电装置，其特征在于，所述整流管路I和整流管路II的材质为硬质塑料。

5.如权利要求1所述的一种桥式气囊足部发电装置，其特征在于，储能模块为超级电容器。

6.如权利要求5所述的一种桥式气囊足部发电装置，其特征在于，所述超级电容器为超级柔性电容器。

7.如权利要求5所述的一种桥式气囊足部发电装置，其特征在于，发电机为小型风力发电机。