创意大赛基于能量转换的楼梯发电装置

1基于能量转换的楼梯发电装置摘要：本装置主要利用人下楼梯时的重力势能的改变量以及上楼梯时所做的小部分功，利用装在台阶上的多组类鼓风装置压缩空气，通过管道将产生的空气集中，从而利用汇聚的大股压缩空气吹动叶片（装在转子上），转子带动传动装置将低处水槽内的水带到高处（一般为楼的顶层，与具体的要求有关）的蓄水池中内，在积攒一定量的水后，打开闸门，使水流从闸门泻出，从高处流下，带动小型水力发电机工作，进而产生电能；水则再次进入到位于低处的水槽中，以便实现循环流动。关键词：楼梯发电能量转换水力发电气动原理创意来源：新世纪全球面临严峻的气候问题以及能源问题，在这一国际大背景下，如何充分利用现有能源，并减少不可再生能源的消耗成为各方关注的焦点，加上近年来国家大力提倡节能减排，使用绿色能源。本装置即是在此大背景下所设想出来的。创意来源于注意到平时下课时下楼梯的人很多，这种情况下大量重力势能被白白浪费掉，而没有充分的加以利用，从而想到若能将此部分能量加以利用，则可以起到节能减排的作用。国内外相关技术发展情况：圣公会李炳中学的学生已设计出一套利用人群上下楼梯产生电能的装置，但主要利用的是手摇式手电筒的工作原理，在该系统中，优点是能量只经过一级转化，故能量损失较小，且利用切割磁感线发电，发电效率较高，且设备附加了光敏电阻装置，从而能控制能量的释放与储存。缺点是由于采用较多的金属组件，原材料的消耗较大，另外由于在未加光敏电阻前，不能将产生的电能储存并在必要时调用。大连大学机械工程学院的学生设计出一种转化装置，其利用的是内置的电池，但并未给出更多的说明。伦敦一家建筑公司开展一个类似项目，研制出一种“震动能量吸收工具”，处女作将会是一段楼梯，楼梯踏板里边会设有水压或压电设备。通过这个技术，可以把行人爬楼梯时的踏步能量收集起来，转化为电流。这个设计的优点是可应用范围广，缺点是机构较复杂，可行性不高，且考虑到其精密性，上下楼梯时过大的冲击力对其损害也值得担忧。1正文1.1作品核心创意在平日的学习生活中，我注意到上下课时楼梯上人流量很大，联系到物理上的重力势能变化，想到是否能利用白天人流量大时下楼时重力势能的变化量做功，产生电能，用于夜间的走廊照明，所以设想出如图1.1的一套装置构想。本装置核心思路是利用人下楼时踩踏鼓风装置推动空气，多股气流汇合，推动叶轮转动。带动机械装置，将水从低处水槽带到高处蓄水池中，在需要电能的时候打2开蓄水池闸门，利用水从高处流下的能量进行水力发电，其中，水是重复利用的，并且产生电能的能量来源实际就是人下楼所产生的能量，过程中无其他燃料消耗，也没有其他废气产生，从而达到了以绿色环保为前提的产能的目的。图.11装置概念图1.2装置结构解析：本装置主要可分为三个部分：一：重力收集转化部分；二：气动装置部分（即叶轮带动水流上行部分）；三：水流能量转化成电能部分。1.2.1重力收集装置重力收集转化部分是本套装置的核心部分，也是本套装置与其它相关装置一个主要的不同之处。该部分装置在楼梯前端见图1.2，工作部分是多个并排的鼓风装置（为便于观察，图一中只画出一个）鼓风装置的工作原理与老式的风箱工作原理相同，利用人下楼时脚踩气囊对气囊做功从而压缩气囊（气囊上表面为硬质材料，与台阶之间为橡胶质地的风箱内结构）将空气通过末端的喷嘴压入与其末端相连的小管道内，每一层小管道的空气再集中汇聚到大管道，输送到底层的气动装置部分。其中，为了提高人流量集中时装置的工作效率，在鼓风装置中应内置弹簧，使其再次恢复的速度提高，其中内置弹簧劲度系数不应过大，否则将影响人正常下楼梯动作。在该部分中，所用到的技术都是比较基础且易实现的，但也存在一定的技术难点，重力收集装置高处蓄水池（存储能量中间载体：水）低处发电装置重力势能转化为气动能水流从高处流下，产生电力图.123即装置中所需用到的管道较多，需要有极高的管道密封性，否则将大为降低装置的传输效率。之所以要应用气动传输而不应用液压传输是因为对本装置来说，气动有如下优点（1）：空气随处可取，取之不尽，节省了购买，储存运输介质的费用与麻烦。用后的空气直接排入大气，对环境无污染，处理方便，不必设置回收管路，也不存在介质变质，补充及更换的问题。（2）：气动元件结构简单，制造容易适于标准化，系统化，通用化。（3）：空气粘度小，流动阻力小，压力损失小，便于集中供气。即使有泄漏，也不会污染环境。1.2.2气动装置气动装置部分是利用气动带动机械装置将低处的水传送到高处。主要工作部件是一个叶轮以及由其带动的转轴，气流吹动叶片，驱动叶轮转动，叶轮带动转轴，转轴通过传送装置将水从低处带到位于高处的蓄水池中。图样见图1.3（图1.3中叶轮只画出一个）。该部分是另一个与其他设计不同之处，之所以没有使用直接用气动带动发电机，是因为考虑到气流输出并不稳定，如果直接连发电机，效率极低，且对发电机结构有一定的破坏。并且，当利用水作为一个能量中转站时，可以做到白天将人流量大时所产生的能量以水势能的形式储存下来，在晚上需要电能时再将储存的水的势能转化成电能。这样即达到了白天储能夜晚用的效果。这对于白天有大量人同时使用楼梯的，而夜间没有多少照明需求的处所来说，无疑是极其有实用价值的。在图1.4中展示的是装在传送带上的用以提水的容器，中间的空心类立方体用于装水，底部的斜面用于将水引导至位于顶部的两侧的水箱中，黑色部分是位于斜面两侧的挡板，防止水在倾倒时流到水槽之外。转送装置用有机合成树脂做传送带即可。在该部分中，利用叶轮带动，将水提升至高处，主要利用了传送装置及气动驱动技术。在该部分中，盛水容器材料的选择是比较重要的，由于直接使用自来水，对木质或金属质会有一定的腐蚀作用，故在此选用塑料作为其首选材料。此外，直接利用的空气是否能对叶轮产生足够大的作用力是一个需实践才能做出判断的问题。由于轴及转子有一定质量，考虑到在装置刚开始工作时，需要有一定的启动速度，如果单单依靠气动的力量，由于不能保证初始力量足够克服传动部件的惯性，故在启用前可以使用人力或电力带动轴转动，使其具有一定的转速，从而达到快速高效启动的效用1.2.3发电装置部分最后一个部分是将水能转化为机械能进而转化成电能的部分。水能发电的原理是将一侧水位抬高，形成落差，通过引水管道将水引入水力机械，驱动水力机械旋转，再由水力机械带动发电机旋转。考虑到空间大小，及复杂程度，故采用反击式水轮机。反击式水轮机转轮利用水流的位能，压能和动能做功，水流流经这种水轮机时充满整个转轮流道，转轮叶片受到水流的作用力，是靠牛顿第三定律得以实现图1.3图.1.44的。其中，采用反击式水轮机中的轴流定桨式水轮机。该种机型结构简单，所以对降低整套装置的复杂性有重要作用，系统的复杂性越低，出故障的可能性就越小。同时，由于桨叶固定，所以当外界条件偏离设计工况时效率会急剧下降。这里的外界条件一般指高度差及水流流向，由于在本套装置中，高度差变化范围小，流向固定，故不会产生较大影响。该种机型一般用于功率不大及水头（即高度差）变化幅度较小的发电情况，使用水头为3—50m。该部分所使用的技术以基本成熟，故没有较大的技术难度。但由于使用自来水，其中含有空气，要考虑空化空蚀现象对设备的腐蚀性。1.3创意应用前景该设备主要适用于在固定时段人流量较大的公共场所，比如写字楼，餐厅，学校等地方。由于目前国家大力推行节能减排，并倡导新型能源的利用，故此方案有较好的市场发展前景，考虑到现在日益稠密的人口及数目众多的学校，该方案的市场需求还是极有潜力的。推广模式：初期以在几个地方免费使用，以测试实际效果并以期吸引市场的注意力。后续以与相关单位合作，将其推向市场。[参考文献][1]参考文献1于波肖惠明水轮机原理与运行[M]北京中国电力出版社2008[2]参考文献2何存兴张铁华液压传动与气压传动[M]武汉华中理工大学出版社1998