道路压力发电系统的设计与研究

金皖东

(义乌工商职业技术学院，浙江 义乌 322000)

0 引 言

在人们的日常生活中，存在着大量未被利用的绿色环保能源，如行驶车辆及行人产生的压力能，这些能量大量存在于公路、步行街等场景中。至2019年末，我国公路总里程达501.25万公里，机动车年平均日交通量为14852辆[1]，居世界前列，可见我国的交通运输是国家能量消耗大户，若将这些道路用压电转换等方式进行发电，所产生的电能将十分巨大，具备良好的经济效益，道路发电技术应运而生。

目前，道路发电主要有两种技术。一是压电技术，将经过车辆的振动能量通过铺设于路面下的压电传感器进行电能转换与收集。以色列的Innowattech公司[2]研发出一种在普通路面的沥青中植入大量的压电晶体进行发电的技术，于2008年开发出可以收集路面振动能量的压电能量收集系统。但该技术的路面改造费用约为65万美元/千米，成本过高，且该技术目前仍未成熟，处于保密阶段，没有更多详细资料可供参考。

二是太阳能发电技术，利用交通路面上方的超大空间来架设太阳能电池板进行发电。德国太阳能技术专家理森[3]提出“太阳能高速公路”方案，目的是把“高速公路变成一个太阳能发电厂”。他认为，如果给1.255万公里的德国高速公路盖上太阳能顶棚，将获得相当于德国所有发电厂16倍的电能。但是此种技术比较先进，若大规模制造生产相关设备则成本过于昂贵，短时间内不能用于商业批量生产，无法普及。

因而，国内的科研人员正在研究造价更低廉的道路发电技术，主要集中在机械发电和磁力发电方向，其中机械发电由于其成本低廉、使用寿命长、设备维护简单等备受技术人员青睐。但是，目前国内的相关技术主要存在以下问题：①能量利用率不高；②设备稳定性不高，如齿条齿轮的配合安装，若齿条安装位置不佳，易造成齿条脱齿，影响传动的稳定性；③维护困难，维护成本高。

针对上述问题，本文提出一种道路压力发电系统设计方法，探讨解决目前相关技术存在的问题。

1 压力发电系统的结构设计

压力发电系统由三部分组成：承重机构、传动机构、加速及发电储电机构。系统整体结构如图1所示。

图1 系统整体结构图注：①推杆；②承重板；③螺帽；④复位弹簧；机箱体；机箱盖；⑥连杆；⑦超越离合器；⑧传动轴；⑨大齿轮；⑩小齿轮；发电装置

1.1 承重机构设计

承重机构的结构如图2所示，包括推杆、承重板、螺帽、复位弹簧及机箱。推杆竖直放置，其上制有轴肩，一端制有螺纹，另一端制有通孔及槽；承重板制有一大一小两圆孔，其架于推杆的轴肩上；螺帽与推杆的端部螺纹啮合，其位于承重板的大圆孔内，用于固定承重板，限制承重板在推杆上的轴向位移；复位弹簧套于推杆上，其位于推杆的轴肩与机箱盖之间；机箱包括机箱体、机箱盖，机箱盖上均布设有多个通孔，每个通孔上都对应置有一推杆及其上的承重板、螺帽和复位弹簧；机箱盖与机箱体的连接通过螺栓连接。

承重板接收车辆及行人的踩压动能，传导至推杆，复位弹簧在外力释放后使承重板回到初始位置，以接收下一次的动作。

注：①推杆；②承重板；③螺帽；④复位弹簧；机箱体；机箱盖图2 承重机构结构图

1.2 传动机构设计

传动机构的结构如图3所示，包括连杆、超越离合器及传动轴。传动轴上均布有多个超越离合器；超越离合器的外圈与连杆一端铰接，内圈与传动轴通过键连接；连杆的另一端置于推杆的槽内，与推杆通过销轴铰接。

承重板被踩压时，连杆带动超越离合器的外圈转动，外圈带动内圈及传动轴转动；随后承重板复位过程中，连杆带动外圈向相反方向转动，内圈基于超越离合器的特性不受外圈转动的影响。

注：①推杆；⑥连杆；⑦超越离合器；⑧传动轴图3 传动机构结构图

1.3 加速及发电储电机构设计

加速及发电储电机构的结构如图4所示，包括高传动比的齿轮对、发电装置、蓄电池。大齿轮安装于传动轴的一端，小齿轮安装于发电装置的输入轴上，大小齿轮啮合传动，以一定传动比加速驱动发电装置进行发电；发电装置紧靠机箱体底面和侧面安装；蓄电池与发电装置导线连接，安装于机箱体内。

加速及发电储电机构通过一对高传动比的齿轮实现对传动轴转速的加速，带动发电装置发电，最终将产生的电量储存于蓄电池中。

注：⑧传动轴；⑨大齿轮；⑩小齿轮；发电装置；蓄电池图4 加速及发电储电机构结构图

2 压力发电系统的工作原理设计与分析

承重板在车辆行驶其上或行人行走其上时向下运动，推动推杆向下运动，复位弹簧压缩，此时，推杆的向下运动带动连杆动作，连杆的动作带动超越离合器外圈向某一方向转动，超越离合器外圈的转动带动其内圈转动，进而带动传动轴转动，此时系统的加速机构开始运作，驱动发电装置发电，最终将电量储存于蓄电池中。

当车辆或行人离开承重板时，在复位弹簧的作用下，承重板连同推杆向上运动，此时，推杆的向上运动带动连杆动作，连杆的动作带动超越离合器外圈向与之前相反的方向转动，由于超越离合器的特性，此时超越离合器外圈的转动并不能带动内圈转动，不会影响到传动轴，最终承重板将归位到最初不受外力时的位置。

以上两阶段为一个工作流程。

由于超越离合器的特性，各块承重板具有各自独立的工作流程，即各块承重板的工作流程之间互不影响。各块承重板可独立驱动传动轴的转动。

在正常情况下，若同一根传动轴上相应的多块承重板被依次先后压下，如行人通过或车辆驶过，则可持续驱动传动轴转动，从而实现持续发电。

3 压力发电系统设计的创新点分析

在设计方面的创新点可总结为以下几个方面：

(1)适应实际场景，灵活性高。系统采用了超越离合器，基于超越离合器的特性，各块承重板具有各自独立的工作流程，适应各种不同的生活场景，如有人驻足，有人快速通过等，系统均可正常工作。

(2)能量利用率高。各块承重板可独立驱动传动轴转动，如有人行走通过，依次踩压承重板，每次踩压承重板就会传递给传动轴一个驱动力，从而持续驱动传动轴转动，实现持续发电。

(3)设备稳定性高。采用连杆铰接的方式进行传动，保证了传动的稳定性。

(4)设备维护方便。承重板的安装方式允许方便地拆卸及更换承重板，便于设备的后期维护。也可更换不同形状样式的承重板，起到一些特殊作用，如充当盲道等。采用箭头样式承重板的系统示意图如图5所示。

图5 采用箭头样式承重板的系统示意图

4 结 论

本文提出了一种道路压力发电系统设计方法，设计了承重机构、传动机构、加速及发电储电机构，研究分析了道路压力发电系统的工作原理，阐述了该系统在设计方面的创新点。本文设计与研究的道路压力发电系统有效解决了能量利用率不高、设备稳定性不高、设备维护困难等问题，与目前国内相关的道路发电技术相比，有效保证了道路发电的效率，具备良好的市场前景。