楼梯重力势能回收发电系统研究

楼梯重力势能回收发电系统研究

唐梦玉

漯河技师学院   河南 漯河   462000

摘要：目前，随着工业社会的发展，能源问题已成为当前与未来社会的核心问题。随着煤炭、石油等非可再生资源的日益衰竭，世界各国都开始转向新能源的研究。重力势能作为一种能量的存在，日常生活中也普遍生产且大部分被白白浪费掉。经调研，在学校、天桥、商场等人员密集的公共场所，大多设有楼梯设施。人们上楼梯时，由于自身的重力作用，会对楼梯做功并产生能量，而这部分能量被白白浪费掉。本文针对这一现象，拟在楼梯上设计一条凸起的防滑条，当人们踩过时，带动楼梯下面的减速电机产生直流电通，将此电能收集并通过逆变点图将产生的电能逆变成交流电，可供路灯等设施使用。该装置实现了重力势能的回收利用，达到了节能减排的目的。

关键词：新能源 重力势能 发电

1   引   言

人们上楼梯时，由于自身的重力作用，会对楼梯做功并产生能量，而这部分能量被白白浪费掉。本文针对这一现象，拟在楼梯上设计一条凸起的防滑条，当人们踩过时，带动楼梯下面的减速电机产生直流电通，将此电能收集并通过逆变点图将产生的电能逆变成交流电，可供路灯等设施使用。

2   原理与设计

楼梯新能源之重力势能采集系统是一种新型的重力势能传达机构，利用人的重力附着到楼梯的台阶上时将稍凸出的台阶防滑带压下去产生的动力根据机械传动装置、发电系统产生电能，并进行能源利用及储存，该系统不仅环保，而且取之不尽用之不竭，推广价值极高，是一种新能源采集系统[1]。

2.1 楼梯新能源势能回收装置的结构方案

楼梯新能源回收装置主要包括台阶上凸起的防滑带、压力传感器、减速器、传动杆等。其中，台阶上的防滑带是采集能量的源头。

当人们踩踏该防滑带时，人体的势能经过减速器带动传动杆缓慢的旋转，充分的将重力势能转为动能，在等转矩的情况下能更高效的增长重力势能转化为动能的效率。该设计中，减速器连接着一个简易的发电机，通过同轴传将所获得的动能以带动齿轮的转动，进而切割磁感线产生电能[2]。

2.2楼梯新能源发电装置的结构方案

楼梯新能源发电电路图如图1所示。

图2

该电控系统包括电控单元、系统开关、转速传感器、压力传感器、电压传感器、电磁换向阀电磁线圈和继电器电磁线圈。其中，电控单元包括系统开关信号调理电路、转速交变信号调理电路、压力模拟信号调理电路、电压模拟信号调理迪那路和输出信号调理电路。

2.3 楼梯新能源储能电路设计

2.3.1 整流电路

利用人体势能转化来的电能是随机不规则变化的，因此该电能不能直接应用于用户负载，需要经过整流储存后才能适应外部设备等用户负载使用[3]。本文采用全波整流电路。因为全波电路能充分利用交变电的正、负两个半波，能大大减小输出电压的脉动度，有效提高整流效率。另外利用储能元件电容两端的电压不能突变的特性，储能电容还具有滤波的作用，能虑掉整流电路输出电压中的脉动成分，达到稳压的目的。

2.3.2 储能装置

超级电容是近几年才批量生产的一种新型电力储能器件，也称为电化学电容。它既具有静电容器的高放电功率优势又像电池一样具有较大电荷储存能力。同时，超级电容还具有循环寿命长、功率密度大、充放电速度快、环境友好免维护等特点[4]。因此本文选择超级电容对产生的电能进行储能。

3 楼梯新能源发电储能的工作过程分析

楼梯新能源重力势能回收发电系统的工作过程可分解为重力势能回收阶段、重力势能转化为发电机的动能阶段、发电机发电阶段以及电能的储存阶段。

将楼梯边缘的普通防滑带换成连带减速电机的特制凸起部件，当人们踩踏楼梯上凸起的防滑带时，人体的重力产生的重力势能经过减速器带动传动杆缓慢的旋转，转变成可利用的动能形式。该部分能量带动电机转动，电控单元进入运行状态，控制制动器停止制动，同时通过控制第二继电器电磁线圈使第二继电器触点闭合，接通三相异步电动机，使之通过第一传动箱带动驱动滚筒运转;电控单元判断转速是否达到停止势能回收的最低转速，当不超过该转速时，第一电磁换向阀在初始位置作用，油液又流回油箱;当超过该转速时，电控单元控制第二继电器触点闭合，同时控制第一电磁换向阀通电关闭，液压泵的泄流回路冷闭，液压蓄能器开始蓄能;当回路压力达到预定值时，电控单元控制第二电磁换向阀通电打开，此时油液经调速阀流入液压马达，使之带动三相交流发电机运转并发电。

该系统克服了速度和载荷变化对发电机转速和输出电压的影响，即通过液压控制单元中的调速阀使供给液压马达的流量保持恒定，并且溢流阀能在系统压力过大时提供过载保护，使液压马达的进口压力保持恒定，从而保证了液压马达和发电机转速的稳定性和系统输出电压的稳定性。将发电机所产生的电能接入整流储能电路，便可为用户负载提供能量了。

4 楼梯新能源重力势能回收发电系统的应用

毫无疑问，该系统最直接的意义就是为用户负载提供电能，另外，我们接入STM32F1系列微控制器实现了人员数量的监测。

4.1 为负载系统供电

通过超级电容对上述发电系统产生的电能的聚集储存，可以持续不断的为楼梯边路灯、楼梯扶手的闪烁灯等负载提供能量，既节能环保，又实现了一定的经济价值。

4.2 实现某区域人流量的监测

本文使用STM32F1接入外部时钟进行脉冲计数的方式，对某区域的人流量进行采集。

STM32F1具有诸多优势。它有一流的外设：1微秒的双12位ADC，4兆位/秒的UAT，18兆位/秒的SPI，18MHz的I/O翻转速度；有天然的低功耗性能，在72MHz时消耗36毫安，待机时更是下降到2微安。它集成度高且有简单的结构和易用的工具。

5 结   论

本文将人体重力对楼梯产生的势能进行转化，设计出了一套发电储能装置。该装置所产生的电能经整流电路后储存于超级电容中，可供楼梯边路灯，扶手等负载使用。另外，通过接入STM32F1系列微控制器，实现了人员监测的功能。该装置可以普遍的应用于商场、学校等人流量密集的地方，将人体重力势能逐步转化为电能，具有发电节能的效果，符合当前节能环保和对新能源探索的需求。

参考文献

[1] 佘俊超.浅析绿色理念在机械设计制造中的应

用[J].科技创新与应用，2015（34.

[2] 周宏兵,李铁辉,张大庆,李赛白.新型混合动力挖掘机动臂势能回收系统研究[J].计算机仿真.2012,29(7),398-402.

[3] 周润景,谢亚楠.常用控制电路设计与应用.电子工业出版社，2017.

[4] 王善磊.电梯系统中超级电容储能的研究[D].浙江大学.2008.