道路壓力發(fā)電系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與研究

金皖東

(義烏工商職業(yè)技術(shù)學(xué)院，浙江 義烏 322000)

0 引 言

在人們的日常生活中，存在著大量未被利用的綠色環(huán)保能源，如行駛車輛及行人產(chǎn)生的壓力能，這些能量大量存在于公路、步行街等場(chǎng)景中。至2019年末，我國(guó)公路總里程達(dá)501.25萬(wàn)公里，機(jī)動(dòng)車年平均日交通量為14852輛[1]，居世界前列，可見我國(guó)的交通運(yùn)輸是國(guó)家能量消耗大戶，若將這些道路用壓電轉(zhuǎn)換等方式進(jìn)行發(fā)電，所產(chǎn)生的電能將十分巨大，具備良好的經(jīng)濟(jì)效益，道路發(fā)電技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生。

目前，道路發(fā)電主要有兩種技術(shù)。一是壓電技術(shù)，將經(jīng)過(guò)車輛的振動(dòng)能量通過(guò)鋪設(shè)于路面下的壓電傳感器進(jìn)行電能轉(zhuǎn)換與收集。以色列的Innowattech公司[2]研發(fā)出一種在普通路面的瀝青中植入大量的壓電晶體進(jìn)行發(fā)電的技術(shù)，于2008年開發(fā)出可以收集路面振動(dòng)能量的壓電能量收集系統(tǒng)。但該技術(shù)的路面改造費(fèi)用約為65萬(wàn)美元/千米，成本過(guò)高，且該技術(shù)目前仍未成熟，處于保密階段，沒有更多詳細(xì)資料可供參考。

二是太陽(yáng)能發(fā)電技術(shù)，利用交通路面上方的超大空間來(lái)架設(shè)太陽(yáng)能電池板進(jìn)行發(fā)電。德國(guó)太陽(yáng)能技術(shù)專家理森[3]提出“太陽(yáng)能高速公路”方案，目的是把“高速公路變成一個(gè)太陽(yáng)能發(fā)電廠”。他認(rèn)為，如果給1.255萬(wàn)公里的德國(guó)高速公路蓋上太陽(yáng)能頂棚，將獲得相當(dāng)于德國(guó)所有發(fā)電廠16倍的電能。但是此種技術(shù)比較先進(jìn)，若大規(guī)模制造生產(chǎn)相關(guān)設(shè)備則成本過(guò)于昂貴，短時(shí)間內(nèi)不能用于商業(yè)批量生產(chǎn)，無(wú)法普及。

因而，國(guó)內(nèi)的科研人員正在研究造價(jià)更低廉的道路發(fā)電技術(shù)，主要集中在機(jī)械發(fā)電和磁力發(fā)電方向，其中機(jī)械發(fā)電由于其成本低廉、使用壽命長(zhǎng)、設(shè)備維護(hù)簡(jiǎn)單等備受技術(shù)人員青睞。但是，目前國(guó)內(nèi)的相關(guān)技術(shù)主要存在以下問(wèn)題：①能量利用率不高；②設(shè)備穩(wěn)定性不高，如齒條齒輪的配合安裝，若齒條安裝位置不佳，易造成齒條脫齒，影響傳動(dòng)的穩(wěn)定性；③維護(hù)困難，維護(hù)成本高。

針對(duì)上述問(wèn)題，本文提出一種道路壓力發(fā)電系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法，探討解決目前相關(guān)技術(shù)存在的問(wèn)題。

1 壓力發(fā)電系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

壓力發(fā)電系統(tǒng)由三部分組成：承重機(jī)構(gòu)、傳動(dòng)機(jī)構(gòu)、加速及發(fā)電儲(chǔ)電機(jī)構(gòu)。系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)圖注：①推桿；②承重板；③螺帽；④復(fù)位彈簧；機(jī)箱體；機(jī)箱蓋；⑥連桿；⑦超越離合器；⑧傳動(dòng)軸；⑨大齒輪；⑩小齒輪；發(fā)電裝置

1.1 承重機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

承重機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)如圖2所示，包括推桿、承重板、螺帽、復(fù)位彈簧及機(jī)箱。推桿豎直放置，其上制有軸肩，一端制有螺紋，另一端制有通孔及槽；承重板制有一大一小兩圓孔，其架于推桿的軸肩上；螺帽與推桿的端部螺紋嚙合，其位于承重板的大圓孔內(nèi)，用于固定承重板，限制承重板在推桿上的軸向位移；復(fù)位彈簧套于推桿上，其位于推桿的軸肩與機(jī)箱蓋之間；機(jī)箱包括機(jī)箱體、機(jī)箱蓋，機(jī)箱蓋上均布設(shè)有多個(gè)通孔，每個(gè)通孔上都對(duì)應(yīng)置有一推桿及其上的承重板、螺帽和復(fù)位彈簧；機(jī)箱蓋與機(jī)箱體的連接通過(guò)螺栓連接。

承重板接收車輛及行人的踩壓動(dòng)能，傳導(dǎo)至推桿，復(fù)位彈簧在外力釋放后使承重板回到初始位置，以接收下一次的動(dòng)作。

注：①推桿；②承重板；③螺帽；④復(fù)位彈簧；機(jī)箱體；機(jī)箱蓋圖2 承重機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)圖

1.2 傳動(dòng)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)如圖3所示，包括連桿、超越離合器及傳動(dòng)軸。傳動(dòng)軸上均布有多個(gè)超越離合器；超越離合器的外圈與連桿一端鉸接，內(nèi)圈與傳動(dòng)軸通過(guò)鍵連接；連桿的另一端置于推桿的槽內(nèi)，與推桿通過(guò)銷軸鉸接。

承重板被踩壓時(shí)，連桿帶動(dòng)超越離合器的外圈轉(zhuǎn)動(dòng)，外圈帶動(dòng)內(nèi)圈及傳動(dòng)軸轉(zhuǎn)動(dòng)；隨后承重板復(fù)位過(guò)程中，連桿帶動(dòng)外圈向相反方向轉(zhuǎn)動(dòng)，內(nèi)圈基于超越離合器的特性不受外圈轉(zhuǎn)動(dòng)的影響。

注：①推桿；⑥連桿；⑦超越離合器；⑧傳動(dòng)軸圖3 傳動(dòng)機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)圖

1.3 加速及發(fā)電儲(chǔ)電機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

加速及發(fā)電儲(chǔ)電機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)如圖4所示，包括高傳動(dòng)比的齒輪對(duì)、發(fā)電裝置、蓄電池。大齒輪安裝于傳動(dòng)軸的一端，小齒輪安裝于發(fā)電裝置的輸入軸上，大小齒輪嚙合傳動(dòng)，以一定傳動(dòng)比加速驅(qū)動(dòng)發(fā)電裝置進(jìn)行發(fā)電；發(fā)電裝置緊靠機(jī)箱體底面和側(cè)面安裝；蓄電池與發(fā)電裝置導(dǎo)線連接，安裝于機(jī)箱體內(nèi)。

加速及發(fā)電儲(chǔ)電機(jī)構(gòu)通過(guò)一對(duì)高傳動(dòng)比的齒輪實(shí)現(xiàn)對(duì)傳動(dòng)軸轉(zhuǎn)速的加速，帶動(dòng)發(fā)電裝置發(fā)電，最終將產(chǎn)生的電量?jī)?chǔ)存于蓄電池中。

注：⑧傳動(dòng)軸；⑨大齒輪；⑩小齒輪；發(fā)電裝置；蓄電池圖4 加速及發(fā)電儲(chǔ)電機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)圖

2 壓力發(fā)電系統(tǒng)的工作原理設(shè)計(jì)與分析

承重板在車輛行駛其上或行人行走其上時(shí)向下運(yùn)動(dòng)，推動(dòng)推桿向下運(yùn)動(dòng)，復(fù)位彈簧壓縮，此時(shí)，推桿的向下運(yùn)動(dòng)帶動(dòng)連桿動(dòng)作，連桿的動(dòng)作帶動(dòng)超越離合器外圈向某一方向轉(zhuǎn)動(dòng)，超越離合器外圈的轉(zhuǎn)動(dòng)帶動(dòng)其內(nèi)圈轉(zhuǎn)動(dòng)，進(jìn)而帶動(dòng)傳動(dòng)軸轉(zhuǎn)動(dòng)，此時(shí)系統(tǒng)的加速機(jī)構(gòu)開始運(yùn)作，驅(qū)動(dòng)發(fā)電裝置發(fā)電，最終將電量?jī)?chǔ)存于蓄電池中。

當(dāng)車輛或行人離開承重板時(shí)，在復(fù)位彈簧的作用下，承重板連同推桿向上運(yùn)動(dòng)，此時(shí)，推桿的向上運(yùn)動(dòng)帶動(dòng)連桿動(dòng)作，連桿的動(dòng)作帶動(dòng)超越離合器外圈向與之前相反的方向轉(zhuǎn)動(dòng)，由于超越離合器的特性，此時(shí)超越離合器外圈的轉(zhuǎn)動(dòng)并不能帶動(dòng)內(nèi)圈轉(zhuǎn)動(dòng)，不會(huì)影響到傳動(dòng)軸，最終承重板將歸位到最初不受外力時(shí)的位置。

以上兩階段為一個(gè)工作流程。

由于超越離合器的特性，各塊承重板具有各自獨(dú)立的工作流程，即各塊承重板的工作流程之間互不影響。各塊承重板可獨(dú)立驅(qū)動(dòng)傳動(dòng)軸的轉(zhuǎn)動(dòng)。

在正常情況下，若同一根傳動(dòng)軸上相應(yīng)的多塊承重板被依次先后壓下，如行人通過(guò)或車輛駛過(guò)，則可持續(xù)驅(qū)動(dòng)傳動(dòng)軸轉(zhuǎn)動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)持續(xù)發(fā)電。

3 壓力發(fā)電系統(tǒng)設(shè)計(jì)的創(chuàng)新點(diǎn)分析

在設(shè)計(jì)方面的創(chuàng)新點(diǎn)可總結(jié)為以下幾個(gè)方面：

(1)適應(yīng)實(shí)際場(chǎng)景，靈活性高。系統(tǒng)采用了超越離合器，基于超越離合器的特性，各塊承重板具有各自獨(dú)立的工作流程，適應(yīng)各種不同的生活場(chǎng)景，如有人駐足，有人快速通過(guò)等，系統(tǒng)均可正常工作。

(2)能量利用率高。各塊承重板可獨(dú)立驅(qū)動(dòng)傳動(dòng)軸轉(zhuǎn)動(dòng)，如有人行走通過(guò)，依次踩壓承重板，每次踩壓承重板就會(huì)傳遞給傳動(dòng)軸一個(gè)驅(qū)動(dòng)力，從而持續(xù)驅(qū)動(dòng)傳動(dòng)軸轉(zhuǎn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)持續(xù)發(fā)電。

(3)設(shè)備穩(wěn)定性高。采用連桿鉸接的方式進(jìn)行傳動(dòng)，保證了傳動(dòng)的穩(wěn)定性。

(4)設(shè)備維護(hù)方便。承重板的安裝方式允許方便地拆卸及更換承重板，便于設(shè)備的后期維護(hù)。也可更換不同形狀樣式的承重板，起到一些特殊作用，如充當(dāng)盲道等。采用箭頭樣式承重板的系統(tǒng)示意圖如圖5所示。

圖5 采用箭頭樣式承重板的系統(tǒng)示意圖

4 結(jié) 論

本文提出了一種道路壓力發(fā)電系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法，設(shè)計(jì)了承重機(jī)構(gòu)、傳動(dòng)機(jī)構(gòu)、加速及發(fā)電儲(chǔ)電機(jī)構(gòu)，研究分析了道路壓力發(fā)電系統(tǒng)的工作原理，闡述了該系統(tǒng)在設(shè)計(jì)方面的創(chuàng)新點(diǎn)。本文設(shè)計(jì)與研究的道路壓力發(fā)電系統(tǒng)有效解決了能量利用率不高、設(shè)備穩(wěn)定性不高、設(shè)備維護(hù)困難等問(wèn)題，與目前國(guó)內(nèi)相關(guān)的道路發(fā)電技術(shù)相比，有效保證了道路發(fā)電的效率，具備良好的市場(chǎng)前景。