CN211950758U - 一种基于齿轮传动和飞轮储能的压力发电装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种基于齿轮传动和飞轮储能的压力发电装置，包括耐压部件和耐压壳体，耐压部件与耐压壳体上层之间设置有支撑耐压部件的弹性体，耐压部件上固定有齿条，在耐压壳体内设有多个具有单向旋转特性的棘轮，在耐压壳体内还设有齿轮结构、直流发电机、稳压电路和储能电池，其中每个棘轮的外轮与齿条啮合，每个棘轮的内轮与所述齿轮结构啮合，所述齿轮结构的转动轴与直流发电机的转子传动连接，直流发电机通过稳压电路与储能电池电性连接。本实用新型将齿轮传动与飞轮储能技术相结合，结构简单、体积小，易于生产和维护，降低了成本，也使得发电效率大大提高。

Description

一种基于齿轮传动和飞轮储能的压力发电装置

技术领域

本实用新型涉及发电技术领域，具体涉及一种基于齿轮传动和飞轮储能的压力发电装置。

背景技术

随着全世界对能源问题重视程度的增加，传统的能源行业由火力发电转向了以太阳能、风能为主的新能源发电，而少有人关注潜力巨大的微动能发电，也就是压力发电，压力发电技术可以应用在地板上、用于商场、教室等室内场所，也可以用在操场中如足球场、跑道，或公园等室外场所；压力发电技术也可以应用在减速带、公路等交通设施上。

目前的压力发电方案主要是基于压电效应的压电陶瓷发电，该项技术的原材料“压电陶瓷”成本高，而压电效应发电量小，多用于传感器方面。比如，刘淼、金振洲和陈晓琦发表于《科技创新与应用》2019年第12期上的论文“基于PZT压力发电的穿戴式俘能发电系统设计”以及申请号为201721619508.5的中国专利申请中公开了基于压电效应的压力发电方案，即利用某种特殊材料如压电陶瓷的压电效应，在其受到压力后，材料内部会产生极化现象，使得材料上下表面出现正负相反的电荷，进而产生电能。该方案的发电效率以及耐压程度与压电材料的选取有很大关系，并且成本昂贵，以色列研究院宣称以压电材料为基础研发了发电公路，但由于材料昂贵，成本极高，每公里达65万美元，尚未投入市场使用。

另外就是基于电磁感应原理进行发电，比如申请号为201820764682.7的中国专利申请中公开的，即利用弹簧支撑地板，在地板的上下两层分别安装铜线圈和永磁体，当踩下地板时，线圈和切割永磁体，利用电磁感应原理发电。相比于基于压电效应的压力发电方案，该方案虽然极大地降低了发电成本，但是由于在踩踏过程中，大部分能量以弹性势能的形式储存在了弹簧中，又以弹性势能的形式释放，导致实际由电磁感应原理产生的电能极少，使得发电效率极低。

此外，利用传统的齿轮传动结构发电的方案也很常见，但只能产生短暂的电能，并且只能利用压力产生的单方向位移发电，当位移结束、恢复平衡，便不再发电，并且大部分因为向下位移产生的重力势能被储存在弹簧中，最后又以弹性势能的形式释放，导致发电效率低。比如申请号为201610954111.5中国专利申请中公开的。利用传动齿轮驱动发电机直接发电的方案相比于上述两种方案具有相对较低的成本，和相对较高的发电效率。将压力产生的垂直位移通过传动齿条转换成传动齿轮的角位移，进而传递到发电机的转子上，拖动电机发电。但是传统的齿轮传动结构只能利用单向的位移发电，并且发电过程短暂、机械转矩小，导致发电效率依然很低，加上机械结构复杂，使得设备的生产成本和维护成本高。

实用新型内容

本实用新型正是为了解决上述问题而提出的一种基于齿轮传动和飞轮储能的压力发电装置。

本实用新型的技术方案为：

一种基于齿轮传动和飞轮储能的压力发电装置，包括耐压部件和耐压壳体，耐压部件与耐压壳体上层之间设置有支撑耐压部件的弹性体，耐压部件上固定有齿条，所述齿条从耐压壳体上层穿入耐压壳体内，在耐压壳体内设有多个具有单向旋转特性的棘轮，在耐压壳体内还设有齿轮结构、直流发电机、稳压电路和储能电池，其中每个棘轮的外轮与齿条啮合，每个棘轮的内轮与所述齿轮结构啮合，这些棘轮布置成在齿条下降过程中部分棘轮的内轮被外轮驱动转动，在齿条上升过程中其余部分的棘轮的内轮被外轮驱动转动，所述齿轮结构的转动轴与直流发电机的转子传动连接，直流发电机通过稳压电路与储能电池电性连接。

优选地，所述弹性体为弹簧或橡胶。

优选地，所述齿条数量为一根，每个棘轮的外轮在合适位置与该齿条啮合。

优选地，所述齿条数量为多根，每根齿条上均有与其啮合的棘轮的外轮。

优选地，所述齿条数量为两根，该两根齿条平行布置，且齿面向外。

优选地，所述棘轮的数量为两个，一个棘轮对应一根齿条。

优选地，所述棘轮为超越式棘轮。

优选地，所述棘轮的转动轴通过轴承支撑在耐压壳体上。

本实用新型采用齿轮传动结构，齿条和齿轮将压力产生的垂直位移转化成齿轮的角位移，结合转动方向相反的棘轮结构，可以利用向下、向上的位移发电，并且位移过程中产生的能量将以动能的形式储存在飞轮中，通过飞轮带动发电机旋转，转化成电能。采用传动结构结合小功率直流电机的方案成本低，加入飞轮储能技术，使得本实用新型的发电效率高。

附图说明

为了更容易理解本实用新型的技术方案和有益的技术效果，通过参照在附图中示出的本实用新型的具体实施方式来对本实用新型进行详细的描述。该附图仅绘出了本实用新型的典型实施方式，并不构成对本实用新型的保护范围的限制，其中：

图1为根据本实用新型的实施方式的基于齿轮传动和飞轮储能的压力发电装置结构布置示意图。

图2为本实用新型所述的超越式棘轮的结构示意图。

图3为图1所示的基于齿轮传动和飞轮储能的压力发电装置的工作流程图。

具体实施方式

如图1所示的一种基于齿轮传动和飞轮储能的压力发电装置，包括耐压部件1和耐压壳体，耐压部件1为具有一定厚度的耐压材料，耐压部件1与耐压壳体上层4之间设置有支撑耐压部件1的弹性体，该实施方式中，弹性体为弹簧2，当然也可以选择其他类型的弹性体，比如橡胶。耐压部件1上固定有齿条3，所述齿条3从耐压壳体上层4穿入由耐压壳体的上层4和耐压壳体的下层12围成的耐压壳体内部空间中，比如在耐压壳体上层4上设置功能齿条3穿入的孔。

在耐压壳体内设有多个具有单向旋转特性的棘轮7，所谓单向旋转特定的棘轮在本实用新型中指的是棘轮的外轮只能在一个方向上驱动棘轮的内轮转动，当棘轮的外轮转动方向相反后，外轮的转动不会影响内轮的动作。在该实施方式中，这种棘轮为超越式棘轮，如图2所示，其包括外轮13、转动轴14以及内轮15，从图2可以看出，当外轮13顺时针旋转时，会推动内轮15顺时针运动，当外轮13停止时，内轮15会由于惯性继续顺时针旋转；当外轮13逆时针旋转时，不会影响内轮15的顺时针旋转，这体现了棘轮的单向旋转特性。

此外，在耐压壳体内还设有齿轮结构8、直流发电机9、稳压电路10和储能电池11，其中每个棘轮7的外轮与齿条3啮合，每个棘轮7的内轮与所述齿轮结构8啮合，这些棘轮布置成在齿条3下降过程中部分棘轮的内轮被外轮驱动转动，在齿条3上升过程中其余部分的棘轮的内轮被外轮驱动转动，所述齿轮结构8的转动轴与直流发电机9的转子传动连接，直流发电机9通过稳压电路10与储能电池11电性连接。在本实施方式，齿条3的数量为两根，棘轮7的数量外两个，两根齿条平行布置，且齿面向外，一个棘轮7对应于一根齿条3。

当然齿条3的数量可以为多根，每根齿条上均有与其啮合的棘轮7的外轮；同时，齿条3的数量也可以为一根，这些棘轮7的外轮均与该齿条3啮合。为了与齿轮结构8进行传动，本领域技术人员基于本实用新型中棘轮和齿轮结构所要实现的功能容易想到采用合理的布置方式(比如齿轮结构8可以包括多个齿轮)或者增加过渡结构(比如过渡齿轮)来实现棘轮7的内轮与齿轮结构8的啮合。

棘轮7的转动轴通过轴承支撑在耐压壳体上，图1中，标记5为轴承的外圈，标记6为轴承的内圈。

下面结合图1-3所示的本实用新型的实施方式来描述本实用新型的工作方式：耐压部件1受到压力，弹簧2发生形变，使得耐压部件1产生向下的位移，带动齿条3向下运动，齿条3与左右两侧的棘轮7的外轮啮合，带动两侧棘轮7的外轮转动，但是由于超越式棘轮的单向转动特性，只有左侧的棘轮7的内轮转动，右侧的棘轮7的内轮不转动。左侧棘轮7的内轮带动齿轮结构8和左右两侧的轴承内圈6转动，其中，左右两侧的轴承内圈6起到支撑作用，齿轮结构8转动带动直流发电机9转动，产生电能，并经过稳压电路10储存到储能电池11中。

压力撤除，弹簧2形变恢复，使得耐压部件1发生向上的位移，带动齿条3向上运动，齿条3与左右两侧的棘轮7的外轮啮合，带动两侧棘轮7的外轮转动，但是由于超越式棘轮的单向转动特性，只有右侧的棘轮7的内轮转动，左侧的棘轮7的内轮不转动。右侧棘轮7的内轮带动齿轮结构8和左右两侧的轴承内圈6转动。

以上工作过程中，齿轮结构8起到飞轮的作用，因为超越式棘轮的外轮推动超越式棘轮的内轮转动，超越式棘轮的内轮带动齿轮结构8转动，动能主要储存在齿轮结构8中。向上、向下的两次位移，都可以使得超越式棘轮的内轮做同向的运动，因此超越式棘轮内轮是持续地转动的，齿轮结构8是持续转动的，也就意味着发电机是持续发电的。

本实用新型可以以其他具体的形式进行体现，但并不会脱离本实用新型的保护范围，本实用新型的保护范围仅由所附的权利要求限定。

Claims (8)

1.一种基于齿轮传动和飞轮储能的压力发电装置，包括耐压部件和耐压壳体，耐压部件与耐压壳体上层之间设置有支撑耐压部件的弹性体，其特征在于：耐压部件上固定有齿条，所述齿条从耐压壳体上层穿入耐压壳体内，在耐压壳体内设有多个具有单向旋转特性的棘轮，在耐压壳体内还设有齿轮结构、直流发电机、稳压电路和储能电池，其中每个棘轮的外轮与齿条啮合，每个棘轮的内轮与所述齿轮结构啮合，这些棘轮布置成在齿条下降过程中部分棘轮的内轮被外轮驱动转动，在齿条上升过程中其余部分的棘轮的内轮被外轮驱动转动，所述齿轮结构的转动轴与直流发电机的转子传动连接，直流发电机通过稳压电路与储能电池电性连接。

2.根据权利要求1所述的基于齿轮传动和飞轮储能的压力发电装置，其中所述弹性体为弹簧或橡胶。

3.根据权利要求1所述的基于齿轮传动和飞轮储能的压力发电装置，其中所述齿条数量为一根，每个棘轮的外轮在合适位置与该齿条啮合。

4.根据权利要求1所述的基于齿轮传动和飞轮储能的压力发电装置，其中所述齿条数量为多根，每根齿条上均有与其啮合的棘轮的外轮。

5.根据权利要求1所述的基于齿轮传动和飞轮储能的压力发电装置，其中所述齿条数量为两根，该两根齿条平行布置，且齿面向外。

6.根据权利要求5所述的基于齿轮传动和飞轮储能的压力发电装置，其中所述棘轮的数量为两个，一个棘轮对应一根齿条。

7.根据权利要求1所述的基于齿轮传动和飞轮储能的压力发电装置，其中所述棘轮的转动轴通过轴承支撑在耐压壳体上。

8.根据权利要求1-7中任一项所述的基于齿轮传动和飞轮储能的压力发电装置，其中所述棘轮为超越式棘轮。

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