重力發(fā)電應(yīng)用技術(shù)研究綜述

吳兆波，鄧 琰，黃焜安，齊 斌，勞靜文，余 豐，曹 均

（寧波大學(xué)，浙江 寧波 315211）

0 引言

目前，我國(guó)主要的發(fā)電網(wǎng)布局以燃煤、水利和核電為主，并輔以風(fēng)力和太陽(yáng)能。在中部及北部地區(qū)采用以水力和燃煤發(fā)電為主，太陽(yáng)能發(fā)電為輔。而在西北地區(qū)，由于缺乏水力資源，用電依靠中部地區(qū)輸送，并輔助性地建造了風(fēng)力和太陽(yáng)能發(fā)電基站。在沿海地區(qū)，除燃煤和風(fēng)力等傳統(tǒng)發(fā)電系統(tǒng)外，亦采用核電。

鑒于國(guó)家大力提倡節(jié)能減排，倡導(dǎo)綠色低碳生活，而高成本、高污染、高能耗的燃煤發(fā)電與低碳生活的理念相悖。風(fēng)力和太陽(yáng)能發(fā)電等新能源雖然低碳環(huán)保，但受地區(qū)和季節(jié)影響顯著，并且技術(shù)穩(wěn)定性尚不成熟[1]。水利和核能發(fā)電造價(jià)高、投入大。這些問(wèn)題很大程度上限制了這些發(fā)電技術(shù)在偏遠(yuǎn)和貧困地區(qū)的推廣。

重力發(fā)電技術(shù)的發(fā)展能有效解決偏遠(yuǎn)和貧困地區(qū)的家居用電難題。1996 年德國(guó)科學(xué)家首次提出家居重力發(fā)電技術(shù)的概念。1997 年美國(guó)科學(xué)家對(duì)一種利用汽車(chē)重力發(fā)電的重力發(fā)電機(jī)進(jìn)行路面實(shí)驗(yàn)，效果良好，但最終由于設(shè)備過(guò)大、成本較高及便攜性低等各種缺陷停止使用。此后，不斷有科學(xué)家利用不同的重力加載方式改進(jìn)重力發(fā)電技術(shù)。2012 年英國(guó)倫敦設(shè)計(jì)師馬丁路德福和吉姆里夫斯發(fā)明了一款實(shí)用的重力燈，是當(dāng)時(shí)技術(shù)缺陷最少的重力發(fā)電機(jī)[2]。

迄今為止，已經(jīng)有多種重力發(fā)電機(jī)問(wèn)世。相對(duì)較為常見(jiàn)的是樓梯式人體重力發(fā)電系統(tǒng)[3]。該重力發(fā)電系統(tǒng)通過(guò)在樓梯上設(shè)計(jì)一條凸起的防滑條，當(dāng)人們踩過(guò)時(shí)，帶動(dòng)樓梯下面的減速電機(jī)產(chǎn)生直流電通，將此電能收集并通過(guò)逆變器將產(chǎn)生的電能逆變成交流電，可供照明設(shè)施等小功率耗電設(shè)備使用。此外，還有利用重物下降產(chǎn)生的重力勢(shì)能，借助杠桿使發(fā)電機(jī)驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)動(dòng)的重力發(fā)電裝置[4]，以及一種名為GravityLight 的二代重力發(fā)電燈，其通過(guò)提高發(fā)電裝置配重高度，而后將獲得的動(dòng)力轉(zhuǎn)換成電力。重力發(fā)電技術(shù)結(jié)合家居設(shè)計(jì)，可因地制宜地為每個(gè)家庭安裝一臺(tái)小型重力發(fā)電機(jī)，提供家居用電，這能在很大程度上滿(mǎn)足偏遠(yuǎn)和貧困地區(qū)的用電需求。

本文主要介紹重力發(fā)電的基本原理，分析重力發(fā)電技術(shù)在日常家居供電的可行性，并且提出一種新的重力發(fā)電技術(shù)：一種借助于發(fā)條彈簧和手動(dòng)牽拉的組合式重力發(fā)電技術(shù)，并闡明該重力發(fā)電技術(shù)在家居領(lǐng)域的應(yīng)用前景。

1 重力發(fā)電原理介紹

目前，較為常見(jiàn)的重力發(fā)電方式主要包含水重力發(fā)電，踏板式重力發(fā)電和重物懸掛式發(fā)電。首先，水重力發(fā)電的基本原理是利用水位落差，配合水輪發(fā)電機(jī)產(chǎn)生電力，即將水的高位勢(shì)能轉(zhuǎn)為水輪的機(jī)械能，再以機(jī)械能推動(dòng)發(fā)電機(jī)旋轉(zhuǎn)而得到電力。其次，踏板式重力發(fā)電是利用物體對(duì)踏板的壓力進(jìn)行一系列齒輪傳動(dòng)最終使線(xiàn)圈轉(zhuǎn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)發(fā)電。其工作原理類(lèi)似于按動(dòng)式手電筒，該發(fā)電方式在汽車(chē)領(lǐng)域應(yīng)用較多，將汽車(chē)活動(dòng)板和傳動(dòng)桿相連接，在汽車(chē)行駛時(shí)碾壓活動(dòng)版，利用汽車(chē)重力發(fā)電。最后，重物懸掛式發(fā)電多應(yīng)用于重力燈，通過(guò)在裝置上懸掛重物，重物帶動(dòng)掛鉤緩慢下降進(jìn)而帶動(dòng)機(jī)體內(nèi)部線(xiàn)圈轉(zhuǎn)動(dòng)，線(xiàn)圈帶動(dòng)發(fā)電機(jī)旋轉(zhuǎn)發(fā)電。

2 重力發(fā)電家居應(yīng)用的可行性分析

目前，日常生活中應(yīng)用較為廣泛的重力發(fā)電系統(tǒng)有樓梯式重力發(fā)電和重力發(fā)電燈。

樓梯式重力發(fā)電系統(tǒng)[5]包含3 個(gè)部分：（1）重力收集轉(zhuǎn)化部分，利用臺(tái)階上的防滑帶作為采集能量的源頭；（2）重力勢(shì)能轉(zhuǎn)化為電能部分，由多個(gè)串并聯(lián)的電控單元實(shí)現(xiàn)能量轉(zhuǎn)換；（3）電能儲(chǔ)存部分，借助整流電路和儲(chǔ)能裝置實(shí)現(xiàn)對(duì)轉(zhuǎn)化后電能的儲(chǔ)存。

樓梯式重力發(fā)電系統(tǒng)通過(guò)收集人在上下樓梯時(shí)產(chǎn)生的重力勢(shì)能，將其轉(zhuǎn)化為電能。該系統(tǒng)可作為一種新的能源發(fā)電方式，應(yīng)用在學(xué)校、商場(chǎng)等人流密集的地方，產(chǎn)生的電能可直接供該場(chǎng)所照明使用。這項(xiàng)技術(shù)低碳環(huán)保，且具有較大的創(chuàng)意性。然而，樓梯式重力發(fā)電方式并不適合于家居使用。主要原因如下：首先，缺乏能夠提高人體重力勢(shì)能的設(shè)施；其次，人流量不足，難以產(chǎn)生足夠的電能實(shí)現(xiàn)照明；最后，設(shè)備造價(jià)成本較高，需建立一套獨(dú)立的發(fā)電系統(tǒng)，包括傳感器、電控單元以及發(fā)電機(jī)等設(shè)備。

重力發(fā)電燈[6]是一種以重力升降桿作為動(dòng)力的驅(qū)動(dòng)裝置。該裝置通過(guò)懸掛重物實(shí)現(xiàn)旋轉(zhuǎn)式循環(huán)升降，而后借助升降桿帶動(dòng)變速齒輪機(jī)構(gòu)的傳動(dòng)，進(jìn)而帶動(dòng)發(fā)電機(jī)旋轉(zhuǎn)發(fā)電。該重力發(fā)電燈結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)潔，可通過(guò)在裝置上安裝小功率燈泡作為移動(dòng)照明用具，故能滿(mǎn)足戶(hù)外旅行或短時(shí)應(yīng)急照明使用。然而，該重力發(fā)電裝置只能通過(guò)重物的升降實(shí)現(xiàn)單次重力做功，不能持續(xù)發(fā)電。因此，該重力發(fā)電燈不能夠?qū)崿F(xiàn)穩(wěn)定地為家居供電的需求。

鑒于樓梯式重力發(fā)電和重力發(fā)電燈在家居應(yīng)用的不足，本文提出一種使用發(fā)條彈簧和手動(dòng)牽拉的組合式重力發(fā)電技術(shù)。

3 發(fā)條彈簧組合式重力發(fā)電技術(shù)

3.1 發(fā)電技術(shù)原理

本文提出的重力發(fā)電技術(shù)可在發(fā)條彈簧重力發(fā)電和手動(dòng)牽拉發(fā)電之間自由切換，如圖1 所示。首先，應(yīng)用發(fā)條彈簧重力發(fā)電時(shí)，通過(guò)力傳感器判斷所懸掛重物的質(zhì)量大小，并匹配具有最優(yōu)彈性限度的發(fā)條彈簧。然后，當(dāng)重物下落時(shí)，借助第一動(dòng)力傳動(dòng)軸、聯(lián)軸器及第二動(dòng)力傳動(dòng)軸向發(fā)條彈簧輸入轉(zhuǎn)動(dòng)扭矩，使彈簧收縮。通過(guò)將重力勢(shì)能轉(zhuǎn)化為彈性勢(shì)能儲(chǔ)存于發(fā)條彈簧中。當(dāng)需要發(fā)電時(shí)，收縮的發(fā)條彈簧將反向輸出動(dòng)力，通過(guò)傳動(dòng)軸帶動(dòng)發(fā)電機(jī)旋轉(zhuǎn)發(fā)電。

其次當(dāng)該發(fā)電裝置用于手動(dòng)牽拉發(fā)電時(shí)，可不經(jīng)多級(jí)發(fā)條箱裝置，直接通過(guò)安裝在第二動(dòng)力傳動(dòng)軸上的鏈輪鏈條機(jī)構(gòu)，將手動(dòng)牽拉轉(zhuǎn)換為傳動(dòng)軸的旋轉(zhuǎn)，直接帶動(dòng)發(fā)電機(jī)旋轉(zhuǎn)發(fā)電。

圖1 總裝置平面結(jié)構(gòu)圖

此發(fā)電設(shè)備中，發(fā)條彈簧箱作為裝置的勢(shì)能轉(zhuǎn)換箱以及動(dòng)力輸入箱，是整個(gè)重力裝置的核心部件，如圖2 所示。

圖2 多級(jí)發(fā)條箱軸測(cè)投影

通過(guò)在發(fā)條彈簧上設(shè)置帶電絕緣體，使每一級(jí)發(fā)條彈簧中相鄰的兩圈因帶有相同電荷，存在斥力。當(dāng)彈簧收縮時(shí)額外儲(chǔ)存電勢(shì)能，縮進(jìn)相同距離能夠儲(chǔ)存更多的勢(shì)能。所以發(fā)條彈簧在輸出彈性勢(shì)能的同時(shí)能夠輸出一部分電勢(shì)能，提高了單位體積中的能量密度，可以縮小裝置的占用空間，實(shí)用性強(qiáng)。

3.2 家居應(yīng)用可行性分析

本文提出的重力發(fā)電技術(shù)借助多級(jí)發(fā)條彈簧以及力傳感器，可根據(jù)重物的質(zhì)量自動(dòng)匹配最優(yōu)彈性極限的彈簧，有效解決了因重物過(guò)載或者重物欠載等無(wú)法對(duì)發(fā)條輸入轉(zhuǎn)動(dòng)力矩的問(wèn)題，達(dá)到發(fā)電效率最大化。此外，本發(fā)電設(shè)備可結(jié)合手動(dòng)循環(huán)牽拉發(fā)電的方式實(shí)現(xiàn)持續(xù)發(fā)電。

本重力發(fā)電技術(shù)集成了重力發(fā)電與手動(dòng)發(fā)電的優(yōu)勢(shì)，有效解決了現(xiàn)有的重力發(fā)電機(jī)存在的懸掛重物質(zhì)量被限制以及不能持續(xù)發(fā)電的問(wèn)題。該技術(shù)結(jié)構(gòu)機(jī)械化，操作簡(jiǎn)單，且發(fā)電效率高。此外，該技術(shù)借助于電發(fā)條及穩(wěn)流裝置，提高了能量密度，保證了輸出電流的穩(wěn)定性，發(fā)電時(shí)間長(zhǎng)，能夠?yàn)樾」β视秒娖魈峁╅L(zhǎng)時(shí)間的供電，實(shí)用性強(qiáng)。

在沿海地區(qū)當(dāng)發(fā)生由臺(tái)風(fēng)、洪澇等極端災(zāi)害引起的區(qū)域性較長(zhǎng)時(shí)間停電問(wèn)題時(shí)，本裝置結(jié)合重力發(fā)電和手動(dòng)循環(huán)牽拉發(fā)電可以很好地解決照明以及一些小功率電器的用電需要。此外，本裝置作為一種家居輔助供電方式可以在一定程度上緩解用電需求，作為一種新型發(fā)電方式，更加符合節(jié)能減排，低碳生活的理念。

4 結(jié)論

本文設(shè)計(jì)發(fā)明了一種借助發(fā)條彈簧和手動(dòng)牽拉的組合式重力發(fā)電技術(shù)。對(duì)不同質(zhì)量的重物，該設(shè)備可通過(guò)重力傳感器匹配最優(yōu)彈性限度的彈簧，最大效率地實(shí)現(xiàn)重力勢(shì)能轉(zhuǎn)化為電能，并可通過(guò)手動(dòng)牽拉的發(fā)電方式實(shí)現(xiàn)持續(xù)發(fā)電。這些功能有效解決了傳統(tǒng)重力發(fā)電機(jī)對(duì)懸掛重物質(zhì)量的限制以及不能持續(xù)發(fā)電的問(wèn)題。該設(shè)備可作為一種家居輔助供電設(shè)備，為小功率用電器提供電能；可應(yīng)用于沿海地區(qū)作為應(yīng)對(duì)臺(tái)風(fēng)等極端災(zāi)害天氣帶來(lái)的停電問(wèn)題，以及在電網(wǎng)覆蓋率較低的偏遠(yuǎn)地區(qū)，作為家居照明設(shè)備長(zhǎng)時(shí)間使用，緩解用電需求。