CN112412684A - 微型水轮发电装置及发电鞋 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种微型水轮发电装置及发电鞋，该装置包括刚性的壳体以及两个充满液体介质且具有弹性的液囊，壳体内部的水轮腔内配合安装有水轮、外部分布有与水轮腔侧面连通的接口，两个液囊通过各自柔性的进水导管和出水导管分别与对应的接口连接，出水导管或出水导管对应的接口处设有单向阀，单向阀能保证水轮的转子叶片在液体介质的推动下单向旋转。本发明能充分利用足部运动产生的能量，简化了传动环节，竖向厚度小，安装灵活，不会影响舒适性。

Description

微型水轮发电装置及发电鞋

技术领域

本发明涉及一种便携式发电设备，具体涉及一种微型水轮发电装置及发电鞋。

背景技术

便携式电子设备的移动电源通常采用电池，电池充电时，对于电网发达和稳定的地区，只需连接到电网就可以，但是对于电网不太发达或不稳定的地区，充电困难，需要开发便携式发电设备。

人体足部运动产生的能量规律性较强且能量较大，当前将人体足部运动产生的能量转化为电能的发电装置主要有发电鞋、发电鞋垫、发电鞋套等，按照能量转换原理主要分为磁电式和静电式两种。

静电式的包括压电和摩擦电等，通常发电效率较低；磁电式采用机械传动，存在以下问题：1)机械传动机构置于鞋底，需要将人体行走垂直方面上的小位移转化为水平方向的大位移，因此结构复杂；2)机械传动机构通常安装在鞋跟，只能利用鞋跟触地时的能量；3)机械传动机构需要专业的鞋设计进行配合，容易发生机械故障；4)机械传动机构过于刚性影响鞋的舒适性。

发明内容

本发明的目的是提供一种微型水轮发电装置及发电鞋，能充分利用足部运动产生的能量，简化了传动环节，竖向厚度小，安装灵活，不会影响舒适性。

本发明所采用的技术方案是：

一种微型水轮发电装置，包括刚性的壳体以及两个充满液体介质且具有弹性的液囊，壳体内部的水轮腔内配合安装有水轮、外部分布有与水轮腔侧面连通的接口，两个液囊通过各自柔性的进水导管和出水导管分别与对应的接口连接，出水导管或出水导管对应的接口处设有单向阀，单向阀能保证水轮的转子叶片在液体介质的推动下单向旋转。

进一步地，水轮包括定子和转子，转子的端面与水轮腔的顶面和底面存在间隙，转子的中心轴以一定间隙插放在定子的中心孔内，中心轴上套有垫片，转子通过垫片放置在定子上且与定子顶面保持间隙，转子的环形套套在定子上，环形套的外侧设有转子叶片、内侧设有永磁体，转子叶片与水轮腔侧面存在间隙，永磁体与定子侧面存在间隙。

进一步地，转子的端面与水轮腔的顶面和底面的间隙以及转子叶片与水轮腔侧面的间隙为0.5～3mm，转子的中心轴与定子的中心孔的间隙为0.1～2mm，转子与定子顶面的间隙为0.2～2mm，永磁体与定子侧面的间隙为0.1～2mm。

进一步地，接口分为1#进口、1#出口、2#进口和2#出口，1#进口和1#出口分别与一个液囊的进水导管和出水导管连接，2#进口和2#出口分别与另一个液囊的进水导管和出水导管连接，1#进口、2#出口、2#进口和1#出口顺着水轮的旋转方向依次排布。

进一步地，1#进口和1#出口位于壳体一侧的两边，1#进口的位置与2#进口的位置关于水轮的旋转中心对称，1#出口的位置与2#出口的位置关于水轮的旋转中心对称，1#进口和2#进口的圆心与转子叶片的宽度中心在同一平面上。

进一步地，1#进口和2#进口的内径为转子叶片宽度的1/4～1/2。

进一步地，进水导管或进水导管对应的接口处设有单向阀。

进一步地，壳体的宽度为5～15mm、外径为15～60mm。

一种发电鞋，包括鞋体、上述微型水轮发电装置以及依次与水轮电连接的电路板、储能模块和负载接口，两个液囊分别安装在鞋体底部的脚掌位置和脚跟位置，微型水轮发电装置、电路板、储能模块和负载接口安装在鞋体的底部、鞋面或鞋面夹层中。

进一步地，电路板包括整流电路、电压转换电路、充放电保护电路、开关和显示电路，整流电路用于将产生的交流电转为直流电，电压转换电路用于将产生的电压转为负载或储能模块需要的电压，开关用于控制启闭，显示电路用于显示储能模块电量。

本发明的有益效果是：

该装置通过压迫液囊驱动水轮进行发电，能将垂直方向运动转化为水平方向运动，简化了传动环节，竖向厚度小，方便整体布置，而且采用柔性的进水导管和出水导管，保证了壳体安装灵活。

人在行走或奔跑时，足部运动会对鞋体底部的脚掌位置和脚跟位置造成间歇性压迫，使两个液囊产生有规律的形变，使液体介质在水轮腔和液囊之间流动，推动水轮的转子叶片单向旋转，从而发电，根据供电需求，增加了电路板，在直接供电的同时，可以把剩余电能存储在储能模块中，保证负载的持续使用；液囊是弹性的，而且采用柔性的进水导管和出水导管，微型水轮发电装置、电路板、储能模块和负载接口可以灵活设置，不会影响舒适性；脚跟和脚掌踩地时都能够发电，充分利用了足部运动产生的能量。

附图说明

图1是本发明实施例一中发电鞋的仰视图。

图2是本发明实施例一中发电鞋的结构示意图

图3是本发明实施例二中发电鞋的结构示意图。

图4是本发明实施例三中发电鞋的结构示意图。

图5是本发明实施例四中发电鞋的仰视图。

图6是本发明实施例一至四中壳体及水轮的示意图。

图7是本发明实施例一至四中壳体及水轮的剖面图。

图8是本发明实施例一至四中壳体及水轮的透视图。

图中：1-液囊；2-进水导管；3-出水导管；4-单向阀；5-壳体；51-1#进口；52-1#出口；53-2#进口；54-2#出口；6-水轮腔；7-转子叶片；8-环形套；9-永磁体；10-定子；11-中心轴；12-垫片；13-轴承。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步的说明。

如图1至图6所示，在实施例一至实施例四中，发电鞋包括鞋体、微型水轮发电装置以及依次与微型水轮发电装置中的水轮电连接的电路板、储能模块和负载接口；微型水轮发电装置包括刚性的壳体5以及两个充满液体介质且具有弹性的液囊1，壳体5内部的水轮腔6内配合安装有水轮、外部分布有与水轮腔6侧面连通的接口，两个液囊1通过各自柔性的进水导管2和出水导管3分别与对应的接口连接，在实施例四中，出水导管3或出水导管3对应的接口处设有单向阀4，单向阀4能保证水轮的转子叶片7在液体介质的推动下单向旋转，在实施例一至实施例三中，还增加了进水导管2或进水导管2对应的接口处设有单向阀4，加强了单向效果；两个液囊1分别安装在鞋体底部的脚掌位置和脚跟位置，微型水轮发电装置、电路板、储能模块和负载接口可以灵活安装，如图1和图2所示，在实施例一中，如图5所示，在实施例四中，安装在鞋体的底部，如图3所示，在实施例二中，安装在鞋面上，如图4所示，在实施例三中，安装在鞋面夹层中。

其中，储能模块一般为充电电池，优选锂电池；液体介质可以是水、绝缘油等粘性低导热好的液体；电路板包括整流电路、电压转换电路、充放电保护电路、开关和显示电路，整流电路用于将产生的交流电转为直流电，电压转换电路用于将产生的电压转为负载或储能模块需要的电压，开关用于控制启闭，显示电路用于显示储能模块电量。

微型水轮发电装置通过压迫液囊1驱动水轮进行发电，能将垂直方向运动转化为水平方向运动，简化了传动环节，竖向厚度小，方便整体布置，而且采用柔性的进水导管2和出水导管3，保证了壳体安装灵活。人在行走或奔跑时，足部运动会对鞋体底部的脚掌位置和脚跟位置造成间歇性压迫，使两个液囊1产生有规律的形变，使液体介质在水轮腔6和液囊1之间流动，推动水轮的转子叶片7单向旋转，从而发电，根据供电需求，增加了电路板，在直接供电的同时，可以把剩余电能存储在储能模块中，保证负载的持续使用；液囊1是弹性的，而且采用柔性的进水导管2和出水导管3，微型水轮发电装置、电路板、储能模块和负载接口可以灵活设置，不会影响舒适性；脚跟和脚掌踩地时都能够发电，充分利用了足部运动产生的能量。

如图6所示，在实施例一至四中，接口分为1#进口51、1#出口52、2#进口53和2#出口54，1#进口51和1#出口52分别与一个液囊1的进水导管2和出水导管3连接，2#进口53和2#出口54分别与另一个液囊1的进水导管2和出水导管3连接，1#进口51、2#出口54、2#进口53和1#出口52顺着水轮的旋转方向依次排布。液体介质从一号液囊1进入水轮腔6，推动水轮后进入二号液囊1，然后从二号液囊1进入水轮腔6，推动水轮后进入一号液囊1，如此循环。

如图6和图8所示，在实施例一至四中，1#进口51和1#出口52位于壳体5一侧的两边，1#进口51与2#进口53关于水轮的旋转中心对称，1#出口52与2#出口54关于水轮的旋转中心对称，1#进口51和2#进口53的圆心与转子叶片7的宽度中心在同一平面上，可以提高水轮能量转换效率和发电效率，属于优选例。当然也可以更严格一点，让1#进口51和1#出口52相互平行，2#进口53和2#出口54相互平行，1#进口51延长后与2#出口54内切，2#进口53延长后与1#出口52内切，这样的效果更好，制造精度和难度更高。

如图8所示，在实施例一至四中，1#进口51和2#进口53的内径为转子叶片7宽度的1/4～1/2，1#进口51和2#进口53的内径可以可以略有差别，只需要都在叶片7宽度的1/4-1/2即可，这是冲击叶片7效果明显的优选范围，两个液囊1的尺寸也可以不一样大。当然，也可以让1#出口52和2#出口54的内径为水轮腔6宽度。进口小是为了将足部压迫产生的压力转换为高速射流，从而冲击水轮旋转，出口宽是为了减小出水的压力损失。

如图7所示，在实施例一至四中，水轮包括定子10和转子，转子的端面与水轮腔6的顶面和底面存在间隙，转子的中心轴11以一定间隙插放在定子10的中心孔内，中心轴11上套有垫片12，转子通过垫片12放置在定子10上且与定子10顶面保持间隙，转子的环形套8套在定子上，环形套8的外侧设有转子叶片7、内侧设有永磁体9，转子叶片7与水轮腔6侧面存在间隙，永磁体9与定子10侧面存在间隙。转子叶片7是8～40个，当中心轴11和中心孔的间隙较大时安装轴承13、间隙较小时不安装轴承13。

在实施例一至四中，转子的端面与水轮腔6的顶面和底面的间隙以及转子叶片7与水轮腔6侧面的间隙为0.5～3mm，转子的中心轴11与定子10的中心孔的间隙为0.1～2mm，转子与定子10顶面的间隙为0.2～2mm，永磁体9与定子10侧面的间隙为0.1～2mm。壳体5的宽度为5～15mm、外径为15～60mm。

在实施例一至四中，定子10浸泡在液体介质中，定子10上裸露的导线和接线处进行防水处理，或者定子10整体进行防水处理。防水处理包括涂覆防水绝缘漆或环氧树脂。

应当理解的是，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，而所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。

Claims (10)

1.一种微型水轮发电装置，其特征在于：包括刚性的壳体以及两个充满液体介质且具有弹性的液囊，壳体内部的水轮腔内配合安装有水轮、外部分布有与水轮腔侧面连通的接口，两个液囊通过各自柔性的进水导管和出水导管分别与对应的接口连接，出水导管或出水导管对应的接口处设有单向阀，单向阀能保证水轮的转子叶片在液体介质的推动下单向旋转。

2.如权利要求1所述的微型水轮发电装置，其特征在于：水轮包括定子和转子，转子的端面与水轮腔的顶面和底面存在间隙，转子的中心轴以一定间隙插放在定子的中心孔内，中心轴上套有垫片，转子通过垫片放置在定子上且与定子顶面保持间隙，转子的环形套套在定子上，环形套的外侧设有转子叶片、内侧设有永磁体，转子叶片与水轮腔侧面存在间隙，永磁体与定子侧面存在间隙。

3.如权利要求2所述的微型水轮发电装置，其特征在于：转子的端面与水轮腔的顶面和底面的间隙以及转子叶片与水轮腔侧面的间隙为0.5～3mm，转子的中心轴与定子的中心孔的间隙为0.1～2mm，转子与定子顶面的间隙为0.2～2mm，永磁体与定子侧面的间隙为0.1～2mm。

4.如权利要求1所述的微型水轮发电装置，其特征在于：接口分为1#进口、1#出口、2#进口和2#出口，1#进口和1#出口分别与一个液囊的进水导管和出水导管连接，2#进口和2#出口分别与另一个液囊的进水导管和出水导管连接，1#进口、2#出口、2#进口和1#出口顺着水轮的旋转方向依次排布。

5.如权利要求4所述的微型水轮发电装置，其特征在于：1#进口和1#出口位于壳体一侧的两边，1#进口的位置与2#进口的位置关于水轮的旋转中心对称，1#出口的位置与2#出口的位置关于水轮的旋转中心对称，1#进口和2#进口的圆心与转子叶片的宽度中心在同一平面上。

6.如权利要求5所述的微型水轮发电装置，其特征在于：1#进口和2#进口的内径为转子叶片宽度的1/4～1/2。

7.如权利要求1所述的微型水轮发电装置，其特征在于：进水导管或进水导管对应的接口处设有单向阀。

8.如权利要求1所述的微型水轮发电装置，其特征在于：壳体的宽度为5～15mm、外径为15～60mm。

9.一种发电鞋，其特征在于：包括鞋体、如权利要求1至8任一所述的微型水轮发电装置以及依次与水轮电连接的电路板、储能模块和负载接口，两个液囊分别安装在鞋体底部的脚掌位置和脚跟位置，微型水轮发电装置、电路板、储能模块和负载接口安装在鞋体的底部、鞋面或鞋面夹层中。

10.如权利要求9所述的发电鞋，其特征在于：电路板包括整流电路、电压转换电路、充放电保护电路、开关和显示电路，整流电路用于将产生的交流电转为直流电，电压转换电路用于将产生的电压转为负载或储能模块需要的电压，开关用于控制启闭，显示电路用于显示储能模块电量。

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