一種橋式氣囊足部發(fā)電裝置的制造方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種橋式氣囊足部發(fā)電裝置，該裝置包括多個彈性支撐柱、兩個氣囊、整流氣路和穩(wěn)壓儲能模塊；多個彈性支撐柱置于鞋體的底部，兩個分別位于鞋體的底部的前腳掌和后腳跟位置，且兩個氣囊氣囊的出氣口分別與整流氣路的另一條對角線的出口連接，所述發(fā)電機(jī)的輸出端口與穩(wěn)壓儲能模塊輸入端口通過導(dǎo)線對應(yīng)連接，所述穩(wěn)壓儲能模塊設(shè)有USB端口，穩(wěn)壓儲能模塊的穩(wěn)壓整流電路將發(fā)電機(jī)輸出的交流電能變?yōu)橹绷麟娔軆Υ嬖趦δ苣K中，并通過USB端口穩(wěn)壓輸出；本發(fā)明不僅能夠?qū)C(jī)械能轉(zhuǎn)換電能，還能夠保證發(fā)電機(jī)的風(fēng)葉能夠持續(xù)正向轉(zhuǎn)動。
【專利說明】
一種橋式氣囊足部發(fā)電裝置
技術(shù)領(lǐng)域
[0001]本發(fā)明屬于生活用品節(jié)能技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種橋式氣囊足部發(fā)電裝置。
【背景技術(shù)】
[0002]利用人體行走時的足部機(jī)械能發(fā)電，相比于傳統(tǒng)的火力發(fā)電，具有清潔無污染、節(jié)約能源、工作無噪聲、適用環(huán)境廣泛、便攜式發(fā)電、被動式發(fā)電等優(yōu)點，是一種綠色，新型的能源收集裝置發(fā)電方式。這種新型發(fā)電方式，可以廣泛利用在各種環(huán)境，收集人類行走時未被利用的機(jī)械能，對環(huán)境更加友好，應(yīng)用更加廣泛，并節(jié)約能源與空間。
[0003]現(xiàn)在已經(jīng)有很多種類型吸收足部機(jī)械能來發(fā)電的裝置，一般來說這些裝置的發(fā)電原理主要分為三種:機(jī)械齒輪傳動式、壓電式和電磁式。氣囊式的發(fā)電裝置屬于新式的發(fā)電方法，通過踩壓鞋底氣囊，帶動風(fēng)葉，產(chǎn)生電力。在已知的氣囊發(fā)電裝置中，多數(shù)氣囊發(fā)電裝置處于半封閉狀態(tài)，利用與大氣相通的通風(fēng)口，踩壓時吹動電機(jī)，產(chǎn)生電能。這種方式不利于鞋底氣囊的保護(hù)，易于損壞，同時在氣囊氣壓小于大氣壓時，進(jìn)氣使得電機(jī)減速，浪費了電機(jī)的發(fā)電功率。少數(shù)雙向發(fā)電裝置，并沒有合理的整合氣流，采用電機(jī)雙向轉(zhuǎn)動的方式發(fā)電，同樣浪費了部分的發(fā)電功率。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]有鑒于此，本發(fā)明提供了一種橋式氣囊人體足部機(jī)械能發(fā)電裝置，不僅能夠?qū)C(jī)械能轉(zhuǎn)換電能，還能夠保證發(fā)電機(jī)的風(fēng)葉能夠持續(xù)正向轉(zhuǎn)動。
[0005]實現(xiàn)本發(fā)明的具體實施方案為:
[0006]本發(fā)明提供了一種橋式氣囊足部發(fā)電裝置，該裝置包括多個彈性支撐柱2、兩個氣囊3、整流氣路4和穩(wěn)壓儲能模塊12;
[0007]所述整流氣路4由四個整流管路I首尾連通組成的四邊形結(jié)構(gòu)，所述四邊形結(jié)構(gòu)的對邊的兩條整流管路I內(nèi)分別設(shè)有一個正向單向閥5，另一對邊的兩條整流管路I內(nèi)分別設(shè)有一個反向單向閥5，所述四邊形結(jié)構(gòu)一條對角線上設(shè)有一個整流管路II，所述整流管路II與四個整流管路I連通，所述整流管路II內(nèi)設(shè)有一個發(fā)電機(jī)6;
[0008]穩(wěn)壓儲能模塊12由穩(wěn)壓整流電路和儲能單元組成；
[0009]多個彈性支撐柱2置于鞋體I的底部，兩個氣囊3分別位于鞋體I的底部的前腳掌和后腳跟位置，且兩個氣囊3的出氣口分別與整流氣路4的另一條對角線上設(shè)置的出口連接，所述發(fā)電機(jī)的輸出端口與穩(wěn)壓儲能模塊12輸入端口通過導(dǎo)線對應(yīng)連接，所述穩(wěn)壓儲能模塊12設(shè)有USB端口，穩(wěn)壓儲能模塊12的穩(wěn)壓整流電路將發(fā)電機(jī)6輸出的交流電能變?yōu)橹绷麟娔軆Υ嬖趦δ苣K中，并通過USB端口穩(wěn)壓輸出。
[00?0]進(jìn)一步地，所述氣囊3的材料為橡膠。
[0011]進(jìn)一步地，所述彈性支撐柱2為橡膠氣柱或彈簧。
[0012]進(jìn)一步地，所述整流管路I和整流管路II的材質(zhì)為硬質(zhì)塑料。
[0013]進(jìn)一步地，儲能模塊為超級電容器。
[0014]進(jìn)一步地，所述超級電容器為超級柔性電容器。
[0015]進(jìn)一步地，發(fā)電機(jī)為小型風(fēng)力發(fā)電機(jī)。
[0016]有益效果:
[0017](I)本發(fā)明采用的氣囊和整流氣路結(jié)構(gòu)，可將人體足部運動時產(chǎn)生的垂直動量轉(zhuǎn)變?yōu)闅怏w的氣平動量，對人行走起到緩沖作用和減震作用。
[0018](2)本發(fā)明采用的整流氣路結(jié)構(gòu)，使氣體單向通過電機(jī)，減少了電機(jī)啟動，制動等過程，大幅增加電機(jī)發(fā)電效率，同時使電流連續(xù)，保證后續(xù)整流儲能電路可行性。
[0019](3)本發(fā)明提供的一種橋式氣囊人體足部機(jī)械能發(fā)電裝置，不僅結(jié)構(gòu)簡單、成本較低，材料易獲取，而且鞋底氣囊處于全封閉的狀態(tài)，不易被損壞。
[0020](4)本發(fā)明提供的一種橋式氣囊人體足部機(jī)械能發(fā)電裝置，儲能模塊采用的超級柔性電容器，不僅增加了電能轉(zhuǎn)換效率，而且使設(shè)備更加符合人體穿戴特點，舒適且無副作用。
【附圖說明】
[0021 ]圖1為一種橋式氣囊人體足部機(jī)械能發(fā)電裝置整體示意圖。
[0022]圖2為一種橋式氣囊人體足部機(jī)械能發(fā)電裝置的局部放大示意圖。
[0023]圖3為風(fēng)力發(fā)電機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖。
[0024]圖4為單向閥示意圖。
[0025]圖5為發(fā)電機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖。
[0026]1-鞋體;2-支撐柱;3-氣囊;4-整流氣路;5-單向閥；6_發(fā)電機(jī);7_葉片;8_外殼體；9-磁鐵組;10-線圈組;11-葉片軸;12-穩(wěn)壓儲能模塊;13-導(dǎo)線；
【具體實施方式】
[0027]下面結(jié)合附圖并舉實施例，對本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)描述。
[0028]本發(fā)明提供了一種橋式氣囊足部發(fā)電裝置，如圖1所示，該裝置包括多個彈性支撐柱2、兩個氣囊3、整流氣路4和穩(wěn)壓儲能模塊12;
[0029]所述整流氣路4由四個整流管路I首尾連通組成的四邊形結(jié)構(gòu)，所述四邊形結(jié)構(gòu)的對邊的兩條整流管路I內(nèi)分別設(shè)有一個正向單向閥5，另一對邊的兩條整流管路I內(nèi)分別設(shè)有一個反向單向閥5，所述四邊形結(jié)構(gòu)一條對角線上設(shè)有一個整流管路II，所述整流管路II與四個整流管路I連通，所述整流管路II內(nèi)設(shè)有一個發(fā)電機(jī)6;
[0030]穩(wěn)壓儲能模塊12由穩(wěn)壓整流電路和儲能單元組成；
[0031]多個彈性支撐柱2置于鞋體I的底部，兩個氣囊3分別位于鞋體I的底部的前腳掌和后腳跟位置，且兩個氣囊3的出氣口分別與整流氣路4的另一條對角線上設(shè)置的出口連接，所述發(fā)電機(jī)的輸出端口與穩(wěn)壓儲能模塊12輸入端口通過導(dǎo)線對應(yīng)連接，所述穩(wěn)壓儲能模塊12設(shè)有USB端口，穩(wěn)壓儲能模塊12的穩(wěn)壓整流電路將發(fā)電機(jī)6輸出的交流電能變?yōu)橹绷麟娔軆Υ嬖趦δ苣K中，并通過USB端口穩(wěn)壓輸出。
[0032]本發(fā)明利用氣囊3將人體行走時的踩踏能量轉(zhuǎn)換為氣流動能，氣囊3內(nèi)氣體通過整流氣路4單向帶動電機(jī)6，氣體動能轉(zhuǎn)化為發(fā)電機(jī)葉輪的轉(zhuǎn)動動量，葉輪轉(zhuǎn)動帶動電機(jī)的磁體組和線圈組產(chǎn)生相對旋轉(zhuǎn)，改變線圈組中磁通量的大小，將葉輪的機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電能，產(chǎn)生的電能可以為各種低功耗的用電設(shè)備供電。
[0033]在鞋體I底部設(shè)置的氣囊發(fā)電裝置，由彈性支撐柱2保證了鞋底結(jié)構(gòu)支撐，同時固定氣囊發(fā)電裝置。其中，支撐柱2為封閉式橡膠氣柱，內(nèi)部存儲有氣體，具有良好彈性，當(dāng)受壓時變形壓縮氣體，壓力減小時恢復(fù)原樣，保證鞋體底部結(jié)構(gòu)支撐。其中，兩個氣囊3具有一定的韌性和彈性，分別位于鞋底的前腳掌和后腳跟位置，內(nèi)存儲有氣體，在外部作用力擠壓下變形，排出內(nèi)部氣體，將人體足部踩踏運動轉(zhuǎn)化為氣體的動能。人體足部踩踏運動具有位移小、沖量大的特性，直接利用這種運動的機(jī)械能來進(jìn)行發(fā)電難度較大，本發(fā)明采用氣囊的形式，將垂直方向的足部機(jī)械運動轉(zhuǎn)換為在管道中流動的易于收集的氣體的動能，轉(zhuǎn)化效率高，可充分利用人體踩踏產(chǎn)生的能量。氣囊3可選擇橡膠材料，其具備一定的彈性和強(qiáng)度，價格低廉，且鞋底環(huán)境不會受到陽光的照射以及腐蝕作用，對耐腐蝕性要求不高?？梢愿鶕?jù)人體行進(jìn)時的受力特點，將氣囊3設(shè)計為橢球體，便于氣體在擠壓下的流動，提高氣體流動速率，進(jìn)而提尚發(fā)電效率。
[0034]人體行進(jìn)過程中，兩個氣囊3被交替擠壓，氣囊3中的氣體在外力的驅(qū)動下不斷地擠出和流回，而通常所用的氣體發(fā)電機(jī)是單向的，對于這種往復(fù)運動氣體的動能會產(chǎn)生正反雙向轉(zhuǎn)動，使得電機(jī)長時間處于啟動與制動狀態(tài)，減小了發(fā)電效率，所以對于系統(tǒng)規(guī)模較小的本發(fā)明裝置來說，如圖2所示，選擇一種類似橋式整流電路的整流氣路，保證氣流始終單向通過電機(jī)，保證電機(jī)在額定功率下發(fā)電。盡可能地提高發(fā)電機(jī)線圈組中磁通量以及運動過程中的線圈組中的磁通變化率，對于提高發(fā)電功率與發(fā)電效率十分重要。
[0035]具體實現(xiàn)方式如下:
[0036]當(dāng)人體后腳掌先落地時，擠壓后腳掌氣囊。后腳掌氣囊內(nèi)氣壓大于前腳掌氣囊，氣體通過氣口進(jìn)入整流氣流管。在整流氣流管的四個回路內(nèi)都固定有單向閥。如圖4所示，單向閥由圓環(huán)體和圓片體組成。當(dāng)氣流從圓環(huán)通過，吹起圓片體，使氣流通過。而當(dāng)氣流從圓環(huán)體吹過時，由于圓環(huán)體內(nèi)徑小于圓片體外徑，使圓片體保持不動，阻止氣流通過。單向閥保證前后腳掌氣囊的氣流只能選擇單一橋路通過，不會從兩條橋路同時向另一氣囊通氣。如圖2所示，當(dāng)氣囊A受壓，由于橋路2單向閥阻止氣體流通，氣體由氣囊A進(jìn)入第一個整流管路I，由于第四個整流管路I單向閥阻止氣體流通，使氣體正向通過整流管路II，使發(fā)電機(jī)正向發(fā)電。然后由于氣囊A受壓，由于第三個整流管路I氣壓遠(yuǎn)小于第二個整流管路I，同時整流氣進(jìn)入第三個整流管路I，最后通過氣口進(jìn)入氣囊B ο當(dāng)人體行走抬腳，前腳掌氣囊受壓。后腳掌離地，氣囊不受壓時。同理氣囊B出氣，通過第四個整流管路I，正向通過整流管路II，然后通過第二個整流管路I進(jìn)入氣囊A。
[0037]為保證整流氣路正常工作，應(yīng)是氣囊受壓時整流氣路存在氣壓壓差，同時使氣體盡量多地通過電機(jī)。因此整流氣路應(yīng)選擇非彈性材質(zhì)。同時整流氣路在鞋底行走時會受到縱向應(yīng)力和豎直方向的壓力，因此應(yīng)選在材質(zhì)堅硬，非塑性材料。所以，整流氣路選擇強(qiáng)度高，非彈性，非塑性材料，如硬質(zhì)塑料。
[0038]如圖3所示，由于該小型發(fā)電機(jī)安裝于鞋底內(nèi)，正常工作的過程中會承受一定的壓力，而其內(nèi)部安裝有葉輪軸、線圈、磁體等部件，所以需要外殼結(jié)構(gòu)以足夠的強(qiáng)度來保護(hù)內(nèi)部的零件。發(fā)電機(jī)的葉片7為阻風(fēng)型葉片，這種葉片對于固定風(fēng)速可以保證最大效率發(fā)電。外殼體8的內(nèi)部固定兩片異磁極磁鐵9，實現(xiàn)恒通磁場。在氣體通過時葉片7帶動葉片軸11，使線圈1切割磁感線，改變線圈內(nèi)部磁通量進(jìn)行發(fā)電。
[0039]其中，外殼體8主要起保護(hù)內(nèi)部元件和結(jié)構(gòu)的功能，需要強(qiáng)度較大能防止踩踏的沖擊力作用在發(fā)電結(jié)構(gòu)內(nèi)部的零件上，又由于外殼要安裝在鞋內(nèi)，所以裝置外殼的重量不宜過重影響人體運動，并且外殼體I不能導(dǎo)電，因此，外殼體I應(yīng)該是由一種強(qiáng)度高、重量輕的不導(dǎo)電材料制成，例如硬質(zhì)塑料。
[0040]葉磁體組10的磁鐵為產(chǎn)生磁通的來源，磁鐵的磁力越強(qiáng)，那么磁通的變化率就越大；同時，磁鐵體積要比較小，這樣才能組成陣列放入鞋中。目前的磁鐵材料主要有鐵氧體、釹鐵硼、釤鈷和鋁鎳鈷。其中鐵氧體的性能低和中，價格最低，溫度特性良，耐腐蝕，性能價格比好;欽鐵棚性能最尚，價格中，強(qiáng)度好，不耐尚溫和腐蝕;衫鉆的性能尚，價格最尚，脆，溫度特性優(yōu)，耐腐蝕;鋁鎳鈷性能低，價格中，溫度特性優(yōu)，耐腐蝕、耐干擾性差?？紤]到在鞋內(nèi)的應(yīng)用，對溫度性能和耐腐蝕性能并沒有很高的要求，而要求性能較好，因此選用釹鐵硼這一材料的磁鐵。
[0041 ]穩(wěn)壓儲能模塊位于鞋的腳踝處，如圖1所示，包括整流穩(wěn)壓電路和儲能模塊;輸出電極引出的導(dǎo)線在鞋子內(nèi)部延伸至整流穩(wěn)壓電路的輸入端，整流穩(wěn)壓電路的輸出端通過導(dǎo)線13分別連接至儲能模塊的正負(fù)極。
[0042]如圖5所示，由于發(fā)電機(jī)所產(chǎn)生的電流是交流電，所以需要一個整流穩(wěn)壓模塊對所產(chǎn)生的電能進(jìn)行整流、穩(wěn)壓，本應(yīng)用實例采用的是一個單相全橋整流電路，采用四個二極管搭建一個橋式整流電路對產(chǎn)生的電能進(jìn)行整流。單相橋式整流電路的輸出端，采用開關(guān)管穩(wěn)壓方式的來保證電壓輸出的穩(wěn)定，開關(guān)管穩(wěn)壓是采用調(diào)節(jié)PWM脈沖信號的占空比來控制輸出功率的大小，通過對輸出電壓的采樣，結(jié)合簡單的控制算法，使輸出電壓的靈活性較好，并且對輸入電壓的要求不高。
[0043]由于人在行走時，足部對氣囊的擠壓并不是連貫的，所以足部機(jī)械能發(fā)電所產(chǎn)生的能量并不均勻。因此必須對每一次腳踩踏的脈動的微小的能量進(jìn)行收集，并且需要利用儲能裝置對該機(jī)械能發(fā)電裝置在每一步所產(chǎn)生的能量進(jìn)行持續(xù)的存儲。同時放置于腳踝處的儲能設(shè)備，應(yīng)與穿戴設(shè)備有良好結(jié)合，具有一定柔韌性與舒適性。因此在本發(fā)明中選用超級柔性電容器作為存儲模塊。超級柔性電容器適用性較強(qiáng)，對電路的要求較低，而且不需要設(shè)置特殊的充電控制電路和放電控制電路。由于它擁有充電速度快，功率密度大，使用壽命長，使用時間不會受到過充電、過放電的影響等特點。同時相比較普通超級電容器，更加柔韌舒適，無毒害性，可以貼身放置，質(zhì)感與普通布料相同。
[0044]本發(fā)明的人體足部環(huán)境下的機(jī)械能發(fā)電工作原理及實現(xiàn)方式如下:
[0045]當(dāng)行走時，足跟部或腳掌部落地，擠壓足根部或腳掌部的氣囊3，將氣體通過氣口進(jìn)入橋式整流氣管，正向通過電機(jī)葉片7，帶動葉輪軸和線圈10組產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)，使線圈10組在運動過程中切割磁鐵9組的磁感線，因其線圈10組中產(chǎn)生交流電，該電流通過導(dǎo)線導(dǎo)入電能變換模塊中，經(jīng)過整流后變?yōu)橹绷麟?，在?jīng)過穩(wěn)壓后連接至儲能模塊的正、負(fù)極，成為直接應(yīng)用與人們?nèi)粘Ｉ钏玫牡蛪褐绷麟姟?br>[0046]綜上所述，以上僅為本發(fā)明的較佳實施例而已，并非用于限定本發(fā)明的保護(hù)范圍。凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)，所作的任何修改、等同替換、改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。
【主權(quán)項】
1.一種橋式氣囊足部發(fā)電裝置，其特征在于，該裝置包括多個彈性支撐柱(2)、兩個氣囊(3)、整流氣路(4)和穩(wěn)壓儲能模塊(12); 所述整流氣路(4)由四個整流管路I首尾連通組成的四邊形結(jié)構(gòu)，所述四邊形結(jié)構(gòu)的對邊的兩條整流管路I內(nèi)分別設(shè)有一個正向單向閥(5)，另一對邊的兩條整流管路I內(nèi)分別設(shè)有一個反向單向閥(5)，所述四邊形結(jié)構(gòu)一條對角線上設(shè)有一個整流管路II，所述整流管路II與四個整流管路I連通，所述整流管路II內(nèi)設(shè)有一個發(fā)電機(jī)(6); 穩(wěn)壓儲能模塊(12)由穩(wěn)壓整流電路和儲能單元組成； 多個彈性支撐柱(2)置于鞋體(I)的底部，兩個氣囊(3)分別位于鞋體(I)的底部的前腳掌和后腳跟位置，且兩個氣囊(3)的出氣口分別與整流氣路(4)的另一條對角線上設(shè)置的出口連接，所述發(fā)電機(jī)的輸出端口與穩(wěn)壓儲能模塊(12)輸入端口通過導(dǎo)線對應(yīng)連接，所述穩(wěn)壓儲能模塊(12)設(shè)有USB端口，穩(wěn)壓儲能模塊(12)的穩(wěn)壓整流電路將發(fā)電機(jī)(6)輸出的交流電能變?yōu)橹绷麟娔軆Υ嬖趦δ苣K中，并通過USB端口穩(wěn)壓輸出。2.如權(quán)利要求1所述的一種橋式氣囊足部發(fā)電裝置，其特征在于，所述氣囊(3)的材料為橡膠。3.如權(quán)利要求1所述的一種橋式氣囊足部發(fā)電裝置，其特征在于，所述彈性支撐柱(2)為橡膠氣柱或彈簧。4.如權(quán)利要求1所述的一種橋式氣囊足部發(fā)電裝置，其特征在于，所述整流管路I和整流管路II的材質(zhì)為硬質(zhì)塑料。5.如權(quán)利要求1所述的一種橋式氣囊足部發(fā)電裝置，其特征在于，儲能模塊為超級電容器。6.如權(quán)利要求5所述的一種橋式氣囊足部發(fā)電裝置，其特征在于，所述超級電容器為超級柔性電容器。7.如權(quán)利要求5所述的一種橋式氣囊足部發(fā)電裝置，其特征在于，發(fā)電機(jī)為小型風(fēng)力發(fā)電機(jī)。
【文檔編號】A43B13/20GK105852302SQ201610268265
【公開日】2016年8月17日
【申請日】2016年4月27日
【發(fā)明人】鄧方, 郝群, 陳杰, 桂鵬
【申請人】北京理工大學(xué)