往复踩踏式动能发电装置的设计与实现

中国科技论文在线往复踩踏式动能发电装置的设计与实现#白伟男，徐林，茹敬雨，陈亚强，张希戬，慕希庆**基金项目：全国大学生创新性实验计划（100164）作者简介：白伟男，(1990-)，男，无职称，自动化通信联系人：徐林，（1970-），男，副教授，主要研究方向：复杂工业过程建模、控制与优化；网络环境下的先进控制技术及其在工业中的应用；智能控制理论与应用等.E-mail:[e-mail]（东北大学信息科学与工程学院，沈阳110004）摘要：动能是一种随处可见的能源，是清洁可再生能源发电的一种模式。本文提出了一类具5有自动往复式功能的踩踏式动能发电装置的设计理念，研究并实现了自动往复踩踏式发电装置，提出了动能采集及发电控制策略，设计了控制器，并对电能存储及管理进行了较为深入的研究。实际系统运行效果表明，本装置具有结构简单、易于生产、造价低廉、不受地域时间限制等特点，一旦投入使用，将有效地提高对动能的利用效率，从而加快新能源社会的建设速度，为新能源开发利用提供了一个可借鉴的思路。10关键词：动能发电；发电装置；踩踏式机构中图分类号：TM761Designandimplementationofthereciprocatingpedal-poweredelectricitygeneratingdevice15BaiWeinan,XuLin,RuJingyu,ChenYaqiang,ZhangXijian,MuXiqing(NortheasternUniversity,ShenYang110004)Abstract:Thekineticenergy,theenergywhichcanbefoundeverywhere,isregardedasonekindofcleanandrenewableenergysourceforelectricitygeneration.Thisprojectisintendedtodesignonekindofautomaticallyreciprocatingpedal-poweredelectricitygenerator(ARPPEG)in20conjunctionwiththemanagementandcontroloverharvestingthekineticenergy,electricitygeneration,theelectricitystorageandtheoutputofelectricity.Accordingtotheoperationtestingresults,thissystemhasbeenprovedtoeffectiveinpowergeneration.Inviewofthesimplestructureandlow-costsofthissystemwithoutterritoryandtimelimits,theapplicationofARPPEGdesignedbyuscouldopenanewpathtosavingtheenergyandhelpingbuildanew25energysociety.Keywords:Kineticenergy;electricitygeneration;pedal0引言当前，世界各国已着手为后金融危机时代谋篇布局，全球气候变暖对人类生存和发展的30挑战日益严峻，以低能耗、低污染、低排放为基础的低碳经济模式应运而生，以新能源技术、绿色产业经济为核心的低碳经济已成为当前人类发展的新模式，走低碳之路已是未来发展必然趋势，也是实现“绿色复苏”和可持续发展的战略选择[1-5]。因此，发展低碳能源对于优化能源结构、增加能源供应、保障能源安全、保护生态环境、促进我国经济社会可持续发展等，具有十分重要的意义。目前，我国的低碳能源主要来源于风光发电，其他种类的能源还在不35断的探索中。动能发电是将人类活动所产生的动能收集起来并转换为电能，无穷无尽，这会极大的减缓能源危机所带来的一系列困扰，是今后能源发展的主流方向之一。虽然动能在生活中随处可见，可世界范围内对于动能发电的研究还不是很成熟，因为该能源分散，不利于收集。本文设计了一类具有自动往复功能的踩踏式动能发电装置和相应控制器的控制策略，为40可再生能源和清洁能源的综合利用提供了可借鉴的思路。给出了系统总体的结构图，从图中可以看出，本装置主要由往复踩踏式动能发电装置、控制器及蓄电池三个部分组成。本装置利用往复式踩踏发电机构产生动能，然后采用DC/DC转换器对其进行升压处理并转化为电能，通过控制器对电能使用进行管理、分配与45控制，其中一部分电能直接向负载供电，另一部分存入蓄电池中，以便间接地对负载进行供电。同时，控制器将采集的发电数据上传于上位机，实现对系统运行状态、电能质量、电能使用等情况的管理，实现系统的最优化管理。本系统这样设计可大大提高电能的利用率，防止不必要的能源损失。50图1自动往复踩踏式动能发电装置图2往复踩踏式动能发电装置往复踩踏式动能发电装置结构如图2所示，在踩踏时可以进行往复发电，提高发电效率，利用杠杆原理，提高发电的能量收集率，方便踩踏，结构简单，通过可变变速齿轮组合实现55对于不同载荷的高发电效率。本装置工作机理：在对踩踏板进行踩踏的时候，踩踏板下压，带动齿轮转动（2），经过变速器（6）后，传动到超越离合器（8），带动一侧的发电机（9）进行发电，同时踏板在下压的过程中压缩踏板两侧的弹簧（10），进行能量存储。在踩踏停止，停止施力的时候，弹簧通过弹性形变返回原样，同时带动踏板上升。踏板在上升的过程中，带动齿轮反转，经60过变速器后，再次传动到超越离合器，带动另一侧发电机进行发电。用这样的方式，达到往复双向发电的目的。同时对传统的踏板进行改造，使其一侧与底座（1）进行轴连固定，另一端连接传动齿轮，两侧放置弹簧，使踏板与水平方向呈20°夹角，方便人类踩踏，且提高踩踏时能量的收集效率。本装置踏板的角度可以根据作用力时间的变化而变化，其具体实现是靠改变支撑在踏板65下的弹簧的种类实现的。在作用力时间较短的场合，使用较小的角度；在作用力时间较长的场合，则可使用较大角度。—底板；2—1:3齿轮组；3—挡板；4—传动轴；5—1:3齿轮组；6—1:3齿轮组；7—1:1齿轮70组；8—超越离合器；9—发电机;10—弹簧图2踩踏式发电机构的机械结构3控制器设计75控制器可以管理蓄电池的充电和电力使用，当蓄电池充满电后，控制器要实现蓄电池不被过充电。当蓄电池所储存的电能放完时，控制器要确保蓄电池不被过放电，从而实现对蓄电池的保护。同时，由于蓄电池只能承受一定的充电电流和浮充电压，过电流和过电压充器可以实时检测蓄电池的充电电压和充电电流，并通过控制风机充电电流、光伏充电电流和动能充电电流来限制蓄电池的充电电压和充电电流，确保蓄电池既可以充满，又不会损坏。从80而确保了蓄电池的使用寿命。3.1控制策略控制器充电时采用先恒流、再恒压、最后浮充充电的控制方法。在控制策略中加入蓄电池电流反馈，以实现恒流、恒压充电控制的转换。在初始充电时，通过调整斩波电路的输出电压，控制蓄电池充电的电流，实现恒流充电。充电电流降低到一定值时，转入恒压充电状85态。最后，进行浮充充电。蓄电池的放电控制主要是进行过放保护，当蓄电池电压低于规定值时，停止放电。充放电过程中，要根据温度不断调整浮充电压等参数。另外，该控制器还具有完善的保护功能（过电压自动保护等）。给出了控制器结构。控制器主要由stc12c2052单片机、信号采集电路及Ms232串90口通讯模块等组成。当发电装置所发电压过低时，若直接将发出的电传到蓄电池，将导致充电效率低下，所以这里使用双向DC/DC变换器，对其进行升压处理。这种双向DC/DC变换器的最大优点是提高本发电系统的运行效率,对能量的智能管理以及承担系统的能量传递工作[4]。图4给出了控制器工作流程。95图3控制器结构图4控制器工作流程1004电能储存与管理踩踏发电是本装置的核心。在真实环境之中，由于踩踏事件不会连续进行，因此本发电系统的输出功率和能量随时在波动，使得负载无法获得连续而稳定的电能供应。而在本发电系统中配备蓄电池之后，通过蓄电池组对电能进行采集和储存将极大地改善系统的供电质量。蓄电池将人们活动高峰期时系统发出的多余电能贮存起来，保留在人们活动较少时使用，105中国科技论文在线这解决了发电与用电不同步的问题。影响蓄电池寿命的主要因素包括环境温度、浮充电压、深度放电等。由于动能发电模块的电压比较不稳定，这会影响蓄电池的正常工作，因此针对蓄电池可能出现的问题，采取了如图5所示的稳压模块来进行处理。从图5中可以看出，该模块利用电容以及二极管进行稳压滤波，以输出平稳的电压。110图5稳压装置电路图图6是测得的踩踏装置在没有任何处理下输出电压的情况，图7是用稳压模块处理后整115流滤波后输出电压情况。比较后发现，经过稳压模块处理后，抵消了其离散型，使电压维持在某个数值上，且波动不是很大，同时，由于电容的存在使电机在往复发电时两次所产生的电压相差减小，这样将更加有利于对往复发电进行整体控制。120图6未经处理的输出电压图7经过稳压模块处理后的电压1255结论本装置实现了动能的采集、优化、管理与应用，技术新颖，可推广性强。动能是一种随处可见的清洁可再生能源，但生活中的动能却比较分散，难于收集。本发电装置对于这种分散的能量可以进行有效地收集利用，并且还对这些能量按照一定控制策略加以管理，使能量可以被充分利用。本装置结构简单、易于生产、造价低廉。本装置还不受地域时间限制，例130中国科技论文在线如：可在各个街道以及停车场等人员和车辆频繁通过的地区使用。因此，本装置具有很强的实用性，一旦投入使用，将大大提高对于我们身边动能的利用效率，从而加快新能源社会的建设速度，最终为国家节能减排战略的实现提供强大的助力，更为今后其它新能源的发展开辟了一条新的途径。135[参考文献](References)[1]都志杰主编．可再生能源离网独立发电技术与应用[M].化学工业出版社,2009[2]GEOFFWALKER.EvalutingMPPTconvertertopologiesusingaMATLABPVmodel[J].JournalofElectrical&ElectronicsEngineering,2001.21(1):49-56.[3]翟秀静，刘奎仁，韩庆主编．新能源技术[M].化学工业出版社,2010140[4]李少林，姚国兴.一种风光互补发电系统中双向DC/DC变换器研究[M],电气传动,2010,(3)[5]EFRICHIOS-KOUTROULIS,KOSTAS-KALAITZAKIS,NICHOLASC,etal.Developmentofamicrocontroller-Based,PhotovoltaicMaximumPowerPointTrackingControlSystem[J].IEEETransactionOnPowerElectronics,2001,16(1):46-54.145