创意大赛基于能量转换的楼梯发电装置.doc

基于能量转换的楼梯发电装置 摘要：本装置主耍利用人下楼梯吋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（装在转了上），转了带动传动 装置将低处水槽内的水带到高处（一般为楼的顶层，与具体的要求冇关）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屮，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 年来国家大力捉倡节能减排，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， 则口J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，在该系统屮，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 敬电阻装置，从而能控制能量的释放与储存。缺点是由于采用较多的金屈组件， 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，楼梯踏板里边会设冇水压或压电设备。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，上下楼梯吋过 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F1的学习生活中，我注意到上下课吋楼梯上人流量很大，联系到物理上 的重力势能变化，想到是否能利用口天人流量大时卜?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，所以设想岀如图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屮，在需要电能的时候打 开蓄水池闸门，利用水从高处流卜?的能量进行水力发电，其中，水是重复利用的, 并冃产生电能的能量来源实际就是人下楼所产生的能量，过程屮无其他燃料消 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。 低处发电装水流从高处 流F,产生电 力高处需水池（存储能 量中间载体：水）转化为气动 能 低处发电装 水流从高处 流F,产生电 力 高处需水池（存储能 量中间载体：水） 转化为气动 能 图.1 1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： 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）; 匚三：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，图一屮只画出一个）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Z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。其屮，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 捉高，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 该部分屮，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即装置中所需用到的管道较多，需耍有极高的管道密封性，否则将大为降低装置 的传输效率。Z所以耍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，不必设置冋 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。即使冇泄漏，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