CN106451913B - 能量收集装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种能量收集装置，多个收集单元成阵列布置，所述的收集单元中包括一可动部件和一固定部件，通过外力施加至可动部件驱动收集装置将机械能装换为电能，各个收集单元与电控装置电连接。通过采用阵列布置的方式，能够提高能量的收集效率，尤其是使用体验较佳，对于自行的人和/或车辆的行走影响不大，不会在行走过程中，有部分地面突然“塌陷”的感觉。通过改进的发电单元的结构，进一步提高能量收集转化效率，简化了发电单元的结构。

Description

能量收集装置

技术领域

本发明涉及能量回收再利用领域，特别是一种能够回收机械能的能量收集装置，尤其适用于在人群密集地区收集行走的人或车辆产生的能量。

背景技术

在人群密集区域，自行的车辆或人对于地面施加机械能，这些机械能通常被浪费，尚无较好的设施用于收集这些机械能。

中国专利文献CN 102906422 A记载了一种能量收集的装置，一种用于将交通移动的动能转换为转动能、来带动电力发电机的转子运转的运动转换器，所述运动转换器包括至少一个接合部件和旋转圆盘，所述接合部件相对于所述旋转圆盘线性移动，其特征在于，所述接合部件被配置为使得其在朝所述旋转圆盘的方向上的渐进移动引起所述接合部件与所述旋转圆盘接合，从而引起所述旋转圆盘旋转。该装置确信能够将机械能转化为电能。但是，该结构较为复杂，且多为平面布局，使得难以在平面上缩小结构，收集效率不高，使用体验不佳。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种能量收集装置，提高能量收集效率，简化结构。

为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是：一种能量收集装置，多个收集单元成阵列布置，所述的收集单元中包括一可动部件和一固定部件，通过外力施加至可动部件驱动收集装置将机械能转换为电能，各个收集单元与电控装置电连接。

优选的方案中，所述的收集单元结构为：压筒与外壳体滑动连接，压筒与外壳体之间设有复位弹簧；

压筒的内壁设有滑槽，在单向轴承的外壁设有滑动销，滑动销位于滑槽内，单向轴承的内圈与第一发电单元固定连接，每个收集单元均设置一个电桥电路，以使输出电流的方向保持一致；电控装置中设有开关，能够独立的启闭各个收集单元。

优选的方案中，所述的第一发电单元的结构为：内绕组可旋转的位于设有永磁体的壳体内，单向轴承的内圈通过联轴器与内绕组固定连接，内绕组通过导电滑环和桥式整流电路与电控装置电连接。

优选的方案中，所述的第一发电单元的结构为：内绕组与外壳体固定连接，设有永磁体的壳体可转动地位于内绕组的外围，单向轴承的内圈通过连接筒体与壳体固定连接，内绕组通过桥式整流电路与电控装置电连接。

优选的方案中，所述的单向轴承中，在外圈与内圈之间设有滚动件，外圈上在滚动件的一侧设有沿圆周均匀布置的多个限位齿，内圈上在滚动件的一侧设有弹簧驱动爪，当向一个方向转动时，限位齿不锁定弹簧驱动爪；当向另一个方向转动时，限位齿将弹簧驱动爪锁定，外圈与内圈之间不能转动。

优选的方案中，所述的滑槽在压筒被压下时驱动单向轴承的内圈旋转，滑槽为变曲率滑槽，在滑槽靠近底部的位置，X向分量较小，而在滑槽靠近顶部的位置，X向分量较大。

优选的方案中，所述的收集单元结构为：压杆与外壳体滑动连接，压杆与外壳体之间设有复位弹簧；

压杆上设有永磁体，在永磁体的两侧设有绕组，绕组与外壳体固定连接，绕组通过桥式整流电路与电控装置连接。

优选的方案中，所述的绕组和永磁体为类似矩形的形状。

优选的方案中，所述的永磁体中，X+向永磁体、Y-向永磁体、X-向永磁体和Y+向永磁体交错布置。

优选的方案中，所述的永磁体为双层结构，各层分别对应一侧的绕组，各层的永磁体中，X+向永磁体、Y-向永磁体、X-向永磁体和Y+向永磁体交错布置。

本发明提供的一种能量收集装置，通过采用阵列布置的方式，能够提高能量的收集效率，尤其是使用体验较佳，对于自行的人和/或车辆的行走影响不大，不会在行走过程中，有部分地面突然“塌陷”的感觉。通过改进的发电单元的结构，进一步提高能量收集转化效率，简化了发电单元的结构。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明：

图1为本发明中收集单元的结构示意图。

图2为本发明中单向轴承的俯视示意图。

图3为本发明中滑槽的展开视图。

图4为本发明中多个收集单元阵列的结构示意图。

图5为本发明的整体结构示意图。

图6为本发明中收集单元的另一结构示意图。

图7为本发明中另一收集单元结构的阵列示意图。

图8为本发明中另一收集单元结构的俯视示意图。

图中：压筒1，筒体2，单向轴承3，滑动销31，外圈32，内圈33，限位齿34，弹簧驱动爪35，滚动件36，联轴器4，内绕组5，永磁体6，外壳体7，连接筒体8，压杆9，永磁体10，X+向永磁体101，Y-向永磁体102，X-向永磁体103，Y+向永磁体104，绕组11，复位弹簧12，电控装置13，电池14。

具体实施方式

本例中的方位限定以图1、3、4、6、7中的方位为准。即上、下方位的描述与这些附图的上、下方位对应。

如图5中，一种能量收集装置，多个收集单元成阵列布置，即根据收集区域的面积，多个收集单元被布置成多行和多列的结构，当人和/或车辆从上方经过，即收集它们产生的机械能，该装置适用于人流量大的商场、广场、停车场的门口等位置，在这些位置也需要控制人流或车流的速度。由于采用的是阵列结构，因此机械能或者重力被分配给多个收集单元，地面的变形不会令人产生突兀的感觉，使用体验较佳。

所述的收集单元中包括一可动部件和一固定部件，通过外力施加至可动部件驱动收集装置将机械能转换为电能，各个收集单元与电控装置13电连接。由此结构，实现将机械能向电能的转换，本例中所采用的电控装置13为现有技术，优选采用风力发电机中的电控装置，将收集后的电流经过整流、滤波后输送至电池14，或者直接输送至用电器件，例如照明灯。在电控装置13中设有开关，能够独立的启闭各个收集单元。还设有输出的结构，例如USB 接口，以给用电器件，例如手机供电。

在本发明的方案中，每个收集单元均需设置一个电桥电路，以使输出电流的方向保持一致。

可选的方案中，所述的收集单元结构为：压筒1与外壳体7滑动连接，压筒1与外壳体7之间设有复位弹簧；由此结构，实现压筒1的往复运动。

压筒1的内壁设有滑槽，在单向轴承3的外壁设有滑动销31，滑动销31位于滑槽内，单向轴承3的内圈与第一发电单元固定连接。通过压筒1的一次按压，滑动销31沿着滑槽滑动，将直线运动转换为旋转运动，从而带动发电单元的部件转动，产生电能。由于单向轴承3的结构，下压时，单向轴承的外圈驱动内圈旋转，而升起时，外圈与内圈脱开，从而驱动发电单元的部件沿一个方向旋转。

优选的方案如图1、4中，所述的第一发电单元的结构为：内绕组5可旋转的位于设有永磁体6的壳体内，单向轴承3的内圈通过联轴器4与内绕组5固定连接，内绕组5通过导电滑环和桥式整流电路与电控装置13电连接。利用电桥电路的整流特性使输出电流的方向保持一致。本例的结构，与传统发电机的结构较为接近。

另一优选的方案如图6中，所述的第一发电单元的结构为：内绕组5与外壳体7固定连接，设有永磁体6的壳体可转动地位于内绕组5的外围，单向轴承3的内圈通过连接筒体8与壳体固定连接，内绕组5通过换向装置与电控装置13电连接。由此结构，本发明中是驱动带有永磁体6的壳体旋转，而内绕组固定，由此结构，能够简化输出电路，例如可以无需布置电刷的结构，仅需在输出接线位置设置电桥电路。采用壳体旋转的结构，还有一个优点是旋转的壳体本身也构成一个储能结构，利用惯性能够储存部分机械能，以减少下次发电的静摩擦力。从而提高收集效率。该结构尤其适于人流量大的场合，例如游乐场。

优选的方案如图2中，所述的单向轴承3中，在外圈32与内圈33之间设有滚动件36，外圈32上在滚动件36的一侧设有沿圆周均匀布置的多个限位齿34，内圈33上在滚动件36的一侧设有弹簧驱动爪35，当向一个方向转动时，限位齿34不锁定弹簧驱动爪35，当向另一个方向转动时，限位齿34将弹簧驱动爪35锁定，外圈32与内圈33之间不能转动。由此结构，与现有的楔紧式单向轴承相比，本发明的单向轴承结构更为简单，滚动件的滑动摩擦小，阻力低。本例中的滚动件包括圆柱滚子、圆锥滚子和钢球。

优选的方案如图3中，所述的滑槽在压筒1被压下时驱动单向轴承3的内圈33旋转，滑槽为变曲率滑槽，在滑槽靠近底部的位置，滑槽的轴线与水平面的夹角较大，驱动外圈32旋转的X向分量较小，而在滑槽靠近顶部的位置，滑槽的轴线与水平面的夹角较小，驱动外圈32旋转的X向分量较大。由此结构，用于减少初始驱动滑动销31所产生的阻力，以提高使用体验。即在初始时，滑槽主要是驱动滑动销31沿着滑槽开始滑动，由于此时X向分量较小，相应滑动阻力也较小，而随着滑动销31沿着滑槽的滑动速度加快，摩擦力减小，X向分量变大，增加驱动旋转的效率。

另一可选的方案如图7、8中，所述的收集单元结构为：压杆9与外壳体7滑动连接，压杆9与外壳体7之间设有复位弹簧；

压杆9上设有永磁体6，在永磁体6的两侧设有绕组11，绕组11与外壳体7固定连接，绕组11通过桥式整流电路与电控装置13连接。本发明中的永磁体6在升降过程中均在绕组11中产生电流。永磁体6和绕组11组成第二发电单元。其结构类似直线式发电机。在永磁体6与绕组11之间设置聚四氟乙烯滑块，以减少摩擦。

优选的方案中，所述的绕组11和永磁体6为类似矩形的形状。由此结构，便于加工，也更能适应本发明的阵列结构。

优选的方案中，所述的永磁体6中，X+向永磁体101、Y-向永磁体102、X-向永磁体103和Y+向永磁体104交错布置。由此结构，提高发电效率。

优选的方案如图8中，所述的永磁体6为双层结构，各层分别对应一侧的绕组11，各层的永磁体6中，X+向永磁体101、Y-向永磁体102、X-向永磁体103和Y+向永磁体104依次交错布置。本例中所述的X+向永磁体101、Y-向永磁体102、X-向永磁体103和Y+向永磁体104是指永磁铁的磁化方向，本例中的X+、Y-、X-和Y+并非是对于绝对方向的限制，仅是便于理解所作出的说明，用于表示他们的充磁方向各异。优选的结构中，永磁体截面采用三角形的结构，其中X+向永磁体101和X-向永磁体103为指向或背离绕组11线圈方向的充磁，X+向永磁体101和X-向永磁体103为三角形的边靠近绕组11，而Y-向永磁体102和Y+向永磁体104为沿着绕组11线圈方向的充磁，Y-向永磁体102和Y+向永磁体104为三角形的顶点靠近绕组11,相应地绕组也与永磁体的位置相对应，参见图8，一个独立的绕组对应一个X+向永磁体101、Y-向永磁体102和半个或一个X-向永磁体103，以减少相邻磁场的影响。由此结构，进一步提高发电效率。具有功率密度大，能够进一步减少整个第二发电单元的体积，永磁铁的利用率高，由于永磁铁采用分向磁化的方案，使永磁铁的工作点较高，一般均超过0.9，提升了永磁铁的利用率。第二发电单元的结构中由于磁场正弦分布程度较高，谐波磁场影响较小，故可采用集中式绕组，进一步提高了发电效率，降低了体积。

以下为本发明结构的能量收集效果模拟运算，选择比较平均的步行速度为1.3M/S。在行走实验中。成年人的一般跨距为0.57 M，成人行走的特点，在非特殊情况下都是后脚跟先着地，前脚尖后着地。在几次实验中，后脚跟着地时，前脚尖离地的距离为0.1M，此距离与行走习惯、鞋子等其它条件有关，后脚跟着地到前脚尖着地的时间间隔为0.1S。取行走的水平速度为1.3M/S，脚下落的垂直速度为1M/S。轴位移5MM，脚下落对轴的作用的时间为1/200 S。由于轴在下降、上升的发电过程中磁铁的靠近和远离线圈会产生不同方向的电流，故发电时间用1/200S计算。

以本发明中最低效率的发电单元为例，感应电动势E=BLV，B=0.3T，导线直径为0.41MM，导线总长为6.066M,V=1 M/S.产生的电压为1.8V。

踩踏3000步的等效持续发电时间为：

t=3000* 1/200 s=15s

踩踏3000步的总的发电量与每步所覆盖的电机持续发电15s的电量等效，每步大概可以覆盖36个发电机，相当于单个发电机发电9min。

500人通过100米铺设发电机人行道，总步数100000，每步所覆盖的电机持续发电500S，相当于一个电机发电5h。即100人通过100米铺设发电机人行道，总发电量相当于一个电机发电1h的发电量。以单个电机的输出功率为5w计算，足以点亮一个5w的LED灯一个小时。优化的发电单元在最低效率发电单元的基础上应有进一步的提升。

上述的实施例仅为本发明的优选技术方案，而不应视为对于本发明的限制，本申请中的实施例及实施例中的特征在不冲突的情况下，可以相互任意组合。本发明的保护范围应以权利要求记载的技术方案，包括权利要求记载的技术方案中技术特征的等同替换方案为保护范围。即在此范围内的等同替换改进，也在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种能量收集装置，其特征是：多个收集单元成阵列布置，所述的收集单元中包括一可动部件和一固定部件，通过外力施加至可动部件驱动能量收集装置将机械能转换为电能，各个收集单元与电控装置（13）电连接；

所述的收集单元结构为：压筒（1）与外壳体（7）滑动连接，压筒（1）与外壳体（7）之间设有复位弹簧；

压筒（1）的内壁设有滑槽，在单向轴承（3）的外壁设有滑动销（31），滑动销（31）位于滑槽内，单向轴承（3）的内圈与第一发电单元固定连接；每个收集单元均设置一个电桥电路，以使输出电流的方向保持一致；

在电控装置（13）中设有开关，能够独立的启闭各个收集单元。

2.根据权利要求1所述的一种能量收集装置，其特征是：所述的第一发电单元的结构为：内绕组（5）可旋转的位于设有永磁体（6）的壳体内，单向轴承（3）的内圈通过联轴器（4）与内绕组（5）固定连接，内绕组（5）通过导电滑环和桥式整流电路与电控装置（13）电连接。

3.根据权利要求1所述的一种能量收集装置，其特征是：所述的第一发电单元的结构为：内绕组（5）与外壳体（7）固定连接，设有永磁体（6）的壳体可转动地位于内绕组（5）的外围，单向轴承（3）的内圈通过连接筒体（8）与壳体固定连接，内绕组（5）通过桥式整流电路与电控装置（13）电连接。

4.根据权利要求1所述的一种能量收集装置，其特征是：所述的单向轴承（3）中，在外圈（32）与内圈（33）之间设有滚动件（36），外圈（32）上在滚动件（36）的一侧设有沿圆周均匀布置的多个限位齿（34），内圈（33）上在滚动件（36）的一侧设有弹簧驱动爪（35），当向一个方向转动时，限位齿（34）不锁定弹簧驱动爪（35）；当向另一个方向转动时，限位齿（34）将弹簧驱动爪（35）锁定，外圈（32）与内圈（33）之间不能转动。

5.根据权利要求1所述的一种能量收集装置，其特征是：所述的滑槽在压筒（1）被压下时驱动单向轴承（3）的内圈（33）旋转，滑槽为变曲率滑槽，在滑槽靠近底部的位置，X向分量较小，而在滑槽靠近顶部的位置，X向分量较大。