CN107246363A - 一种基于摩擦发电原理的楼梯发电装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及能源领域，具体是指一种基于摩擦发电原理的楼梯发电装置。其主体结构主要分为三个部分：传动机构、放大机构以及摩擦机构。传动机构由防滑条(2)、支撑杆(3)、复位弹簧(6)组成。位移放大机构采用杠杆结构，由连杆(4)与支点(5)组成。摩擦机构由摩擦片(7)与插片面板(8)组成。该发电装置结构简单、稳定、易于维护，发电材料制备方便、廉价，且整个发电系统重量轻，真正做到了轻量化设计，有利于发电楼梯的推广与运用。

Description

一种基于摩擦发电原理的楼梯发电装置

技术领域

本发明涉及能源领域，具体是指一种基于摩擦发电原理的楼梯发电装置。

背景技术

目前全球面临着严重的气候问题以及能源问题，在这一国际大背景下，减少不可再生能源的消耗，提高能源利用效率以及发展高效可再生能源成为了各方关注的焦点。本专利所涉及的利用摩擦发电的楼梯旨在将生活中所忽略的难以收集的摩擦能收集起来并加以应用，为全球的节能减排贡献一份力量。

我国是世界上人口最多的国家，很多楼梯都建在商场，天桥，广场，教学楼等人流量巨大的地方。本专利旨在设计与优化楼梯发电装置的结构，将这些难以收集的能量以电能的形式收集起来并加以利用。

国内外许多团队都在为此而努力，并取得了丰硕成果，但也存在一些尚未解决的问题。申请号为201320021600.7的中国专利介绍了一种压力发电楼梯灯，通过在楼梯上安装压电陶瓷以实现人上下楼梯的同时进行发电,供楼梯灯使用,不需外加能源,节能环保的目的。但是这种结构的成本过高，维修更换不方便，并且压电陶瓷主要用途是测量压力，不适合直接用于发电，此设计不适合大面积推广。申请号为201420684047.X的中国专利介绍了一种集成发电和储能功能的楼梯装置，该楼梯装置包括梯面势能转换部分、储能水箱和双层水箱，通过转动梯面和连杆将行人的踩踏运动转换为活塞杆的直线运动，再通过双层水箱将气压转换为液压，双层水箱可以带动小型水轮机转动从而发电，也可以进入高处的储能水箱将水的势能储存，储能水箱中的水也可以带动小型水轮机转动。此专利的想法独特新颖，但是实际生活中，此结构显得较为复杂，并且经济效益不高，可行性不足，整个楼梯发电系统的建造成本必然不低，且重量巨大，存在安全隐患。在此背景下，优化发电楼梯的结构、降低发电楼梯的成本意义重大。

本发明的设计方案不同于常规的发电装置，并非采用切割磁感线进行发电，而是采用了制备简单廉价的聚合物摩擦片作为发电材料，利用接触生电与静电感应原理发电，因此不必使用昂贵的发电机组，大大降低了制造成本，大大减轻了发电设备重量，十分适于安装在建筑物里。本设计相较于其他楼梯发电装置，将装置的结构进行了模块化，轻量化设计，发电装置设计为易拆卸式，完全可以在不影响楼梯正常使用的情况下将发电装置安装在楼梯的每个台阶，既降低了摩擦发电装置的制备和安装难度，也降低了发电楼梯的制造成本以及维修成本。本发明还具备发电量充足，发电装置结构简单易于更换以及不影响行人行走时的舒适性等诸多优点。

发明内容：

本发明旨在构建一种能够基于摩擦发电原理的楼梯发电装置。该发电装置结构简单、稳定、易于维护，发电材料制备方便、廉价，且整个发电系统重量轻，真正做到了轻量化设计，有利于发电楼梯的推广与运用。

本发明主体结构主要分为三个部分：传动机构、位移放大机构以及摩擦机构。传动机构由防滑条、支撑杆、复位弹簧组成。人行走时，防滑条下压，带动支撑杆向下移动，复位弹簧收缩，形成进程。而当人的脚抬起时，装于底部的复位弹簧将会伸展，从而使得支撑杆回复原位。位移放大机构则是为了将人行走时踩踏防滑条产生的微小位移放大，该机构采用杠杆结构，由连杆与支点组成。由于所述防滑条不可能做得足够高，以免影响行人的正常行走，所以人的踩踏动作使得防滑条产生的位移量太过微小，不足以满足摩擦片与摩擦片之间实现有效摩擦的要求，故采用了一个位移放大机构。支点固定于梯内空腔右侧内壁。连杆一端铰接于所述支点上，穿过支撑杆上的槽，另一端连接着摩擦机构。支撑杆上下移动时，将带动连杆绕支点转动，由于转动角度很小，连接于连杆末端的摩擦机构将呈现近似的上下平移运动，而不会产生过多的转动，也不会产生过大的水平方向上移动，以免摩擦片之间的重合度减小，保证了接触面积，使得发电高效而稳定。

摩擦机构由摩擦片与插片面板组成。其中摩擦片为三层结构，以碳纤维贴片为基体，上表面涂PDMS材料，下表面贴铜片；PDMS材料表面分布着微柱阵列，以提高摩擦效率。连杆上下运动时，将带动插片面板上的摩擦片随之一起上下移动，移动的摩擦片将与固定于壁面的摩擦片相互拍打、摩擦、分离，形成电动势，产生电流。所产生的电流由电极输出，成为我们可以利用的能源。

附图说明：

图1所述为楼梯发电装置的主体结构装配图。

图2所述为楼梯发电装置的三维示意图。

图3所述为楼梯发电装置的正负电极结构示意图。

图4所述为摩擦片结构示意图。

图中：1、梯内空腔，2、防滑条，3、支撑杆，4、连杆，5、支点，6、复位弹簧，7、摩擦片，8、插片面板，9、电极一，10、电极二，11、PDMS材料，12、碳纤维贴片，13、铜片。

具体实施方式：

本发明具体实施需要考虑发电楼梯的建造，发电结构的安装等问题。

防滑条2采用摩擦系数高，防火性能好的合成橡胶为材料，做成长条形，以达到防滑以及消防安全的要求，将其安装在支撑杆3上，上表面有一定倾角，以免造成对行人的牵绊，提高安全性，舒适性。支撑杆3结构分为两层，包括外套杆以及内嵌杆。内嵌杆固定于所述梯内空腔1底部。内嵌杆外面套着复位弹簧6，复位弹簧6底部与楼梯内空腔的底部接触。顶部与外套杆底部接触。外套杆上端连接防滑条2，下端连接复位弹簧6，以实现上下移动。支点5固定于梯内空腔1内部右侧壁面，连杆4铰接于其上，铰接束缚了所述连杆4五个自由度，只剩一个转动自由度。人踩踏防滑条时，防滑条2下压，带动支撑杆3向下移动，复位弹簧收缩，而当人的脚重新抬起时，装于底部的复位弹簧6将会伸长，从而使得支撑杆3回复原位。位移放大机构可以将插片面板8上下移动的幅度放大，带动可移动的那组摩擦片一起上下移动，PDMS材料11与铜片13摩擦序列相差很大，即前者束缚电子能力强，后者束缚电子能力弱，在两者接触的过程中，电荷平衡被打破，从而形成了电势差，造成电荷移动，接着两者摩擦、分离将会再次产生得失电子的过程，通过导线输出后，成为所收集的电流。

插片面板8的材料选用轻质铝合金材料，右侧的插片面板8右侧连接于连杆5，左侧面加工出插片槽以方便摩擦片7的安装。摩擦片7分为两组来安装，一组通过左侧的插片面板8安装于梯内空腔左侧内壁，PDMS面11均朝上，另一组安装于右侧的插片面板8上，铜片面12朝下，使得在接触时，一组摩擦片的铜片面与另一组摩擦片的PDMS面相接触。采用铝合金材料的插片面板可实现导电功能，起到将插装于其上的摩擦片串接的作用，电极一9和电极二10分别连接左侧的插片面板8和右侧的插片面板8，便于电流的收集。

Claims (5)

1.一种基于摩擦发电原理的楼梯发电装置，其特征在于，所述楼梯发电装置包括传动机构、位移放大机构以及摩擦机构；所述传动机构由防滑条、支撑杆、复位弹簧组成；支撑杆结构分为两层，包括外套杆以及内嵌杆，内嵌杆固定于梯内空腔底部，内嵌杆外面套着复位弹簧，复位弹簧底部与楼梯内空腔的底部接触，顶部与外套杆底部接触；防滑条安装在支撑杆上，位于楼梯表面；位移放大机构由连杆与支点组成，支点固定于梯内空腔右侧内壁，连杆一端铰接于所述支点上，穿过支撑杆上的槽，另一端连接着摩擦机构；人行走时，防滑条下压，带动支撑杆向下移动，复位弹簧收缩，形成进程；而当人的脚抬起时，装于底部的复位弹簧将会伸展，从而使得支撑杆回复原位；支撑杆上下移动时，将带动连杆绕支点转动，由于转动角度很小，连接于连杆末端的摩擦机构将呈现近似的上下平移运动，摩擦机构由摩擦片与插片面板组成；连杆上下运动时，将带动右侧插片面板的摩擦片随之一起上下移动，移动的摩擦片将与固定于梯内空腔左侧壁面的左侧插片面板上的摩擦片相互拍打、摩擦、分离，形成电动势，产生电流，所产生的电流由电极输出，成为可以利用的能源。

2.如权利要求1所述的一种基于摩擦发电原理的楼梯发电装置，其特征在于，所述其中摩擦片为三层结构，以碳纤维贴片为基体，上表面涂PDMS材料，下表面贴铜片。

3.如权利要求1所述的一种基于摩擦发电原理的楼梯发电装置，其特征在于，防滑条采用摩擦系数高，防火性能好的合成橡胶为材料，做成长条形，以达到防滑以及消防安全的要求，将其安装在支撑杆上，上表面有一定倾角，以免造成对行人的牵绊，提高安全性，舒适性。

4.如权利要求1所述的一种基于摩擦发电原理的楼梯发电装置，其特征在于，插片面板的材料选用轻质铝合金材料，右侧的插片面板右侧连接于连杆，左侧面加工出插片槽以方便摩擦片的安装；摩擦片分为两组来安装，一组通过左侧的插片面板安装于梯内空腔左侧内壁，PDMS面均朝上，另一组安装于右侧的插片面板上，铜片面朝下，使得在接触时，一组摩擦片的铜片面与另一组摩擦片的PDMS面相接触；采用铝合金材料的插片面板可实现导电功能，起到将插装于其上的摩擦片串接的作用，电极一和电极二分别连接左侧的插片面板和右侧的插片面板，便于电流的收集。

5.如权利要求4所述的一种基于摩擦发电原理的楼梯发电装置，其特征在于，PDMS材料表面分布着微柱阵列，以提高摩擦效率。