CN109209802A - 一种能量收集装置、方法和应用 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种能量收集装置，包括摆动锤、一端与该摆锤连接的连杆，连杆的另一端与摆动齿轮固定连接，该连杆和摆动齿轮保持同步运动；所述摆动齿轮与从动齿轮啮合，对应所述从动齿轮，设有与从动齿轮同轴的联动齿轮，对应所述联动齿轮，设有与联动齿轮啮合的被动齿轮；对应所述被动齿轮，该被动齿轮轴与发电机轴为同轴；所述从动齿轮和/或联动齿轮中安装有确保发电机轴正常运行的单向轴承。本装置可将任意方向振动或摆动的机械能转换成同一方向转动的转动机械能，再转换成电能。通过采集汽车、船舶等交通工具在行驶过程中因颠簸、启动、刹车、减速、转向时产生的机械能并转化成电能的装置。

Description

一种能量收集装置、方法和应用
技术领域
本发明涉及能量收集和转化，尤其是通过收集物体震动所释放的能量，转变为电能的能量收集方法和收集装置。
背景技术
能源问题是近百年以来人类发展所面临的十大问题之一，能源是人类活动的物质基础，人类社会的发展离不开优质能源的出现和先进能源技术的使用。同时，位于第四位的环境问题同样也不容小觑。目前，煤炭、石油、天然气等传统能源在全球能源中依然占有举足轻重的作用，但是这些资源在地球上的储量却很有限，并且通常伴随着严重的环境污染问题。在当今世界，能源的发展，能源和环境的关系，是全世界、全人类共同关心的问题，也是我国社会经济发展的重要问题。
船舶无论在行驶还是停泊在码头上受到波浪的冲击会不停的摇摆，同样汽车等各种交通工具在行驶过程中也不断处于颠簸、制动、启动、转向过程中，而且颠簸所引起的振动的方向没有规律。比如汽车在行驶过程中的刹车就会消耗大量的动能，一辆质量10,000公斤以100公里时速行驶的汽车具有3,864,200焦耳的动能，而一度电相当于3.6*106焦耳的能量，因此一辆10吨的汽车一次刹车后再次启动就要消耗一度以上电能的能量。汽车行驶过程中除了克服空气阻力和摩擦阻力外，还有大量的能量消耗在颠簸、刹车、启动、摇晃过程中，而这些动能一般情况下都被浪费了。
发明内容
鉴于以上问题，本发明的目的是收集这些交通工具在无规律的颠簸、摇晃、刹车、启动、转向过程中产生的动能，并将这些动能转换成电能储存的方法和装置，以有利于大规模的工业应用。
为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种能量收集装置，包括摆动锤、一端与该摆锤连接的连杆，连杆的另一端与摆动齿轮固定连接，该连杆和摆动齿轮保持同步运动；所述摆动齿轮与从动齿轮啮合，对应所述从动齿轮，设有与从动齿轮同轴的联动齿轮，对应所述联动齿轮，设有与联动齿轮啮合的被动齿轮；对应所述被动齿轮，该被动齿轮轴与发电机轴为同轴；所述从动齿轮和/或联动齿轮中安装有确保发电机轴正常运行的单向轴承。
本发明的能量收集装置还可以在上述结构上进一步变化，包括摆动锤、一端与该摆锤连接的连杆，连杆的另一端与摆动齿轮固定连接，该连杆和摆动齿轮保持同步运动；所述摆动齿轮与从动齿轮啮合，对应所述从动齿轮，设有与从动齿轮同轴的联动齿轮，对应所述联动齿轮，设有与联动齿轮啮合的被动齿轮；对应所述被动齿轮，所述从动齿轮和/或联动齿轮中安装有确保发电机轴正常运行的第一单向轴承；
设有与被动齿轮同轴的锥齿，该锥齿与设于发电机轴上的锥齿啮合；所述被动齿轮和/或锥齿中安装有确保发电机轴正常运行的第二单向轴承。
进一步的，所述的摆动齿轮、从动齿轮、联动齿轮和被动齿轮的转轴安装在基座上。
进一步的，所述连杆的另一端与摆动齿轮的转轴连接，该转轴是和摆动锤联动的摆动齿轮的转轴。
进一步的，所述从动齿轮和联动齿轮是至少两组。
进一步的，所述从动齿轮、联动齿轮和被动齿轮是至少两组。
进一步的，所述两组从动齿轮和联动齿轮分别设置在摆动齿轮两侧，单向轴承安装在从动齿轮或联动齿轮中。
进一步的，所述能量收集装置呈任意角度设置于基座上。
本发明还提供了一种能量收集方法，采用上述能量收集装置，当摆动锤摆动时，依次带动所述的摆动齿轮、从动齿轮、联动齿轮和被动齿轮转动，通过锥齿啮合，带动发电机轴运转发电。可将由振动引起的机械能转化成电能。
本发明装置应用于交通工具，将交通工具的因颠簸、摇晃、振动中产生的动能转换成电能。
工作机理和有益效果，当摆锤因为摇晃而摆动或转动时，将带动摆动齿轮左右摆动或转动，如图3所示，当摆动齿轮4向右方向摆动，摆动齿轮4按顺时针方向转动，将带动从动齿轮5的轴55向逆时针方向转动，带动联动齿轮7也按逆时针方向转动，从而带动被动齿轮9按顺时针方向转动，此时从动齿轮6的轴66因单向轴承的原因不转，使得联动齿轮8也不转；而当摆动齿轮4往左摆动时，同样因单向轴承的原因，从动齿轮5的轴55不转，而从动齿轮6的轴66向顺时针方向转动，带动联动齿轮8也向顺时针方向转动，因此也带动被动齿轮9’按逆时针方向转动，通过图1所示，当转轴99’按逆时针方向转动，通过锥齿999和发电机轴锥齿1011组合，使得发电机轴10由上往下转动；而转轴99按顺时针方向转动，通过锥齿999和发电机轴锥齿1011组合，使得发电机轴10也由上往下转动，从而使得摆动齿轮无论向那个方向摆动，都将使得发电机转轴10向同一个方向转动而带动发电机运转发电。
附图说明
图1、图2和图3是本发明装置的结构示意图。
图4和图5是从动齿轮和联动齿轮分别被设置在摆动齿轮两侧的结构示意图。
图6和图7是二种不同类型的二个维度装置的结构示意图。
具体实施方式
下面，结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式做进一步详细的说明，但不应以此限制本发明的保护范围。
下面将结合具体实施例来具体阐述本发明的优选实施方法，但是应当理解，本领域技术人员可以在不背离权利要求书限定的范围的前提下，对这些实施例进行合理的变化、改良和相互组合，从而获得新的具体实施方法，这些通过变化、改良和相互组合获得的新的具体实施方式也都包括在本发明的保护范围之内。
本发明装置由基座、摆动锤、摆动齿轮，通过单相齿轮组和被动齿轮齿轮、发电机组成的发电装置，将振动的机械能转化成转动的机械能。如图1、图2和图3是该装置的结构示意图，其中包括基座1，摆动锤2，摆动锤的连杆3，摆动齿轮4，摆动齿轮4和连杆3固定，保持同步运动，齿轮5和齿轮6是中心分别装有单相轴承的从动齿轮组，齿轮5和齿轮6中的单向轴承相向安装，保持齿轮5和齿轮6分别只能带动各自的轴55或轴66按同一个方向转动，联动齿轮7和从动齿轮5的轴55同轴，联动齿轮8和从动齿轮6的轴66同轴，左右二边的被动齿轮9和9’分别和联动齿轮7或联动齿轮8啮合，被动齿轮9或9’的轴99或99’通过端部的锥齿999或999’和发电机轴10上的发电机锥齿1011或1011’啮合，锥齿999或999’中各安装一个单向轴承，该单向轴承也可以安装在被动齿轮9或9’中，当摆动锤摆动时将带动齿轮9或9’转动，通过锥齿999或999’和发电机锥齿1011或1011’组合带动发电机轴10运转发电。
本发明的又一变化装置，如图4和图5所示，相比图1，从动齿轮5和6分别安装在摆动齿轮4的内外二侧，其它条件和图1中的相同，被动齿轮9被设置在联动齿轮7和联动齿轮8中间，分别和联动齿轮7和联动齿轮8啮合，这样一个齿轮9可代替图1中的2个齿轮9或9’，齿轮9的轴99可以和发电机轴10连接，使结构进一步简化。在上述结构中，同样齿轮5和齿轮6中的单向轴承可以被分别设置在联动齿轮7和联动齿轮8中，锥齿999中的单向轴承也可被设置在发电机锥齿1011中。
当把图1视为单运动维度的装置时，二个或多个装置可以组成2个或2个以上的运动维度。图6是2个维度的装置，在图6中同一个维度的装置具有独立的摆动齿轮、从动齿轮、联动齿轮和被动齿轮，在面对面的2组摆锤中，齿轮5的对面被设置成齿轮6，齿轮6的对面被设置成齿轮5，以便各自齿轮9的转动方向对发电机转轴保持一致的转动方向。为了减小装置的体积，摆动齿轮4也可设置成部分圆环，可在转轴44上分别安装有二个相向的扭力弹簧22或其它类型的限位弹簧，限制摆动齿轮4的摆动幅度，并减少动能的损失。
在图7中，同一个维度的二个装置公用一组摆动齿轮，相同维度的二个轴44固接，这样摆动齿轮、从动齿轮、联动齿轮和被动齿轮可公用。在图6和图7二个维度的装置中，如果二个维度的摆锤摆动幅度或摆频不一致时，由于锥齿999中单向轴承的原因，较低速的摆锤将不起作用。
在图6和图7中二个维度的装置也可设置为2个发电机，每个维度的装置使用各自独立的发电机，这样相邻摆锤摆幅或摆频不一致时，每组摆锤可带动各自的发电机运转发电而互不影响，在使用二个独立发电机时，就可省略锥齿999上的单向轴承。同样也可组成3个维度的装置，每个维度的装置使用各自的发电机。
通过以上方式可知，可以通过组合产生不同类型的振动发电装置，如把从动齿轮设置在摆动齿轮的二侧，如果该装置是单维度的，被动齿轮只用一组就可以，而且轴99可以直接和发电机轴10连接。该装置也可以设置成单维度的入图1和图4，也可以设置成二个甚至于三个维度的如图6。
如图1中当摆锤因为摇晃而摆动或转动时，将带动摆动齿轮4左右摆动或转动，在图3中，当摆动齿轮4向右方向摆动，摆动齿轮4按顺时针方向转动，将带动从动齿轮5的轴55向逆时针方向转动，带动联动齿轮7也按逆时针方向转动，从而带动被动齿轮9按顺时针方向转动，此时从动齿轮6的轴66因单向轴承的原因不转，使得联动齿轮8也不转；而当摆动齿轮4往左摆动时，同样因单向轴承的原因，从动齿轮5的轴55不转，而从动齿轮6的轴66向顺时针方向转动，带动联动齿轮8也向顺时针方向转动，因此也带动动齿轮9’按逆时针方向转动，通过图1所示，当转轴99’按逆时针方向转动，通过锥齿999和1011组合，使得发电机轴10由上往下转动；而转轴99按顺时针方向转动，通过锥齿999和发电机锥齿1011组合，使得发电机轴10也由上往下转动，从而使得摆动齿轮无论向那个方向摆动，都将使得发电机转轴10向同一个方向转动而带动发电机运转发电。
实施例1
如图1所示，图中摆锤2质量2.5公斤，摆杆3有效长度0.3米，该摆锤在左右摆动时产生的势能为m*g*h，汽车在行驶过程中的动能为(1/2)m*V2，其中h为摆锤摆动的高度，m为摆锤质量，V是车辆行驶速度。该装置安装在汽车上，汽车行驶速度100公里/小时，紧急刹停汽车，根据动能定理，单个摆锤的动能E＝(1/2)mV2＝966焦耳。而1度电相当于1000瓦电器消耗1小时，因此1度电相当于1000*3600＝3.6*106焦耳，2个摆锤将产生1932焦耳相当于千分之5.36度电。
实施例2
如果汽车由100公里/小时减速到50公里/小时，单个摆锤获得的动能为(1/2)m(V02-V22),＝(1/2)*2.5*579.94＝725焦耳，二个摆锤相当于产生1450焦耳的动能。
实施例3
如果汽车或船舶在行驶中使得摆锤摆动幅度达到20度，则摆锤将摆到的高度h＝r(1-cos20)＝0.018m，单个摆锤摆动一次做的功为mgh＝2.5*9.8*0.018＝0.44焦耳，二个摆锤摆动一次做的功是0.88焦耳，10000次类似摇摆将产生8880焦耳的能量。
实施例4
如果汽车或船舶在行驶中使得摆锤摆动幅度达到30度，则摆锤将摆到的高度h＝r(1-cos30)＝0.046m，单个摆锤摆动一次做的功为mgh＝2.5*9.8*0.046＝1.13焦耳，二个摆锤摆动一次做的功是2.26焦耳，10000次类似摇摆将产生22600焦耳的能量。
实施例5
如果汽车或船舶在行驶中使得摆锤摆动幅度达到45度，则摆锤将摆到的高度h＝r(1-cos45)＝0.088m，单个摆锤摆动一次做的功为mgh＝2.5*9.8*0.088＝2.15焦耳，二个摆锤摆动一次做的功是4.3焦耳，10000次类似摇摆将产生43,000焦耳的能量。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，凡依本发明申请专利范围所做的均等变化与修饰，皆应属本发明的涵盖范围。

Claims (10)

1.一种能量收集装置，其特征在于，包括摆动锤、一端与该摆锤连接的连杆，连杆的另一端与摆动齿轮固定连接，该连杆和摆动齿轮保持同步运动；所述摆动齿轮与从动齿轮啮合，对应所述从动齿轮，设有与从动齿轮同轴的联动齿轮，对应所述联动齿轮，设有与联动齿轮啮合的被动齿轮；对应所述被动齿轮，该被动齿轮轴与发电机轴为同轴；所述从动齿轮和/或联动齿轮中安装有确保发电机轴正常运行的单向轴承。
2.一种能量收集装置，其特征在于，包括摆动锤、一端与该摆锤连接的连杆，连杆的另一端与摆动齿轮固定连接，该连杆和摆动齿轮保持同步运动；所述摆动齿轮与从动齿轮啮合，对应所述从动齿轮，设有与从动齿轮同轴的联动齿轮，对应所述联动齿轮，设有与联动齿轮啮合的被动齿轮；对应所述被动齿轮，所述从动齿轮和/或联动齿轮中安装有确保发电机轴正常运行的第一单向轴承；
设有与被动齿轮同轴的锥齿，该锥齿与设于发电机轴上的锥齿啮合；所述被动齿轮和/或锥齿中安装有确保发电机轴正常运行的第二单向轴承。
3.根据权利要求1所述的一种能量收集装置，其特征在于，所述的摆动齿轮、从动齿轮、联动齿轮和被动齿轮的转轴安装在基座上。
4.根据权利要求1所述的一种能量收集装置，其特征在于，所述连杆的另一端与摆动齿轮的转轴连接，该转轴是和摆动锤联动的摆动齿轮的转轴。
5.根据权利要求1所述的一种能量收集装置，其特征在于，所述从动齿轮和联动齿轮是至少两组。
6.根据权利要求2所述的一种能量收集装置，其特征在于，所述从动齿轮、联动齿轮和被动齿轮是至少两组。
7.根据权利要求6所述的一种能量收集装置，其特征在于，所述两组从动齿轮和联动齿轮分别设置在摆动齿轮两侧，单向轴承安装在从动齿轮或联动齿轮中。
8.根据权利要求1～7所述的任意一种能量收集装置，其特征在于，所述能量收集装置呈任意角度设置于基座上。
9.一种能量收集方法，采用如上述权利要求的能量收集装置，当摆动锤摆动时，依次带动所述的摆动齿轮、从动齿轮、联动齿轮和被动齿轮转动，通过锥齿啮合，带动发电机轴运转发电。
10.一种能量收集装置的应用，是应用于交通工具，将交通工具的因颠簸、摇晃、振动中产生的动能转换成电能。
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