踩压式发电节能灯.doc

东南大学能源与环境学院
节能减排实物设计竞赛
---------踩压式发电节能灯

小组负责人： 陶晶亮（03006547）
成员： 刘斌 （03006549）
刘玺 （03006548）

2009-5-13

目录
一． 设计说明书 3
1. 构思 3
2. 布局和结构 3
3. 功能 4
4. 创新特色 4
二． 设计图纸 5
1. 结构整体布置图 5
2. 主要构件详图 5
3. 方案效果图 7
三． 补充说明 9
（1） 自评 9
（2） 附带实物照片 9

一． 设计说明书
1. 构思
为了体现本次“节能减排”设计竞赛的宗旨，我小组决定制作一个装置能够收集和利用被人们所忽视的能量，这部分能量有的是由外部环境（如太阳能，风能，潮汐能等）产生的，也有的是由人本身所产生的，如人运动所产生的能量。后者就是我们本次设计的灵感所在。
众所周知，人由于重力会对其所压的物体产生压力，物体的表面会产生变形，变形就会产生位移，如果我们设计一个装置能够利用这个位移来发电照明，那么就能充分利用这部分被忽视的能量。此外如果我们能够把产生的电能加以存储，那么该装置就能提供持久而稳定的照明，该装置就真正具有了实用价值！最终确定该装置名称为：踩压式发电节能灯。

2. 布局和结构
本装置主要分为五大部分：杠杆位移放大部分、齿轮传动部分、皮带传动部分、发电蓄电部分、照明电路部分。
注：各部分结构可以参照下面的主要构件详图
（1）杠杆位移放大部分主要作用就是将该装置上表面因受压所产生的位移进行放大，因为我们是将此装置安装在地面，装置的上表面供人们踩压，为了不使装置上表面上下移动的位移过大而使人们容易跌倒，故我们要用一个杠杆将上表面的位移进行放大。放大后的位移才能带动后面的齿轮产生明显大角度的转动，也使得齿轮后的发电机能够有足够的转动圈数和转动速度，发电机若有足够的转速则能发出满足蓄电池存储要求的电能！本设计的杠杆的放大倍数为10倍，现在限制上表面的位移不能超过2mm（人们踩在上面不会有明显的地面下沉的感觉），则经杠杆放大后的位移为2cm，这样就足够让齿轮转动一个很大的角度。
（2）齿轮传动部分主要有两个作用。第一，将杠杆竖直位移转变成圆周运动，即将杠杆的一端和齿轮用一个连杆进行连接，这样只要杠杆上下运动就会带动齿轮做圆周运动，如果杠杆的一端上下的位移比较大，则可以使齿轮圆周运动的圈数和速度都得到提高；第二，利用棘轮效应将连续转动或往复运动转换成单向步进运动，由于杠杆的上下往复运动则会使得与杠杆所连接的齿轮做正反运动，如果直接用普通的齿轮带动发电机进行发电，则发电机发出的电是交流电，蓄电池则无法存储交变电流，为了使发电机发出直流电，我们使用了棘轮，这样棘轮做单向运动，同时带动发电机做单向转动，这就使得该装置能够存储电能，更加具有了实用价值！
（3）皮带传动部分的主要主用是将做单向转动的棘轮转动传送给发电机，使发电机发出直流电，为了提高发电机的转速，使之发出的电能够满足蓄电池存储的要求，我们提高了皮带的传动比，即使得棘轮和发电机轴轮的周长比较大。这样齿轮转动一定的角度，发电机会跟着转动数转，同时发电机的转速也得到了提高，发电机发出电的电压和电流会较大，能够存储到蓄电池里！
（4）发电蓄电部分就是将发电机发出的电能加以存储，然后存储的电提供照明之用，我们选择的发电机的发电参数是：12V，5.5W，将发电机安装在装置上进行测试之后发现，发电机在该情况下发出的电压不会高于6V，即发电机没有达到其额定的转速，但这并不影响发电机的工作 ，因此我们最终选择了一个6V4Ah的铅蓄电池，该蓄电池的最高充电电压为7.5伏，经过最终测试，如果使用该蓄电池则不会使充电电压超过该电池最高充电电压，而当充电电压低于6V时不会给蓄电池带来隐患。
（5）照明电路部分主要原理就是将蓄电池作为电源提供照明。为了体现节能的目的，我们最终选择使用发光二极管。由于发光二极管的功耗很低，利用铅蓄电池作为电源能够持续很长时间，同时不断地将发电机发出的电输入蓄电池，则会弥补照明电路的功耗损失。如果我们选用的合适的发电机，同时外界若有持续不断地踩压，则发电机会不断地转动发电，给蓄电池不断的补充，使蓄电池 “入能敷出”，该装置也就有了持续不间断供电的功能。

3. 功能
功能一：压力能和电能的转化。
收集人们对地表的压力，并将其转化为电能。人们走路产生的压力是一种被人们所忽视的能量，但这部分能量的数量是相当可观的，加以利用，特别是利用在一些特殊的地方很有经济价值！
功能二：储电功能。
利用蓄电池将发电机发出的直流电加以存储，这样就能够提供稳定而且持久的电源。该装置的实用性得到提高。
功能三：装置应用的场合比较广泛。
将该装置安装于人流量较大的地方，比如地铁站的站台和进出口通道的地面，商场或公共场所的进出口或电梯口等。在这样的地方安装该装置，由于人流量比较大，会连续不断地有人踩压到该装置的上表面 ，进而持续地给蓄电池充电。在这些地方的照明用电就能实现“自给自足”！
功能四：放大微小的形变（位移）。
由于装置的上表面必须和地面齐平，而且要当成普通的地表面供人们踩压，这样就要求当人们踩压在装置表面的时候不会出现太明显的下沉，如果下沉过大（即上面所说的位移）容易使踩在上面的人跌倒。这就必须设计一个位移放大环节，即上面所说的杠杆位移放大部分。经过测试我们限制上表面的下沉不会超过3mm，这样人们踩压在上面不会有明显的失去平衡的感觉。如果要求表面的下沉位移更小，为了使后面齿轮的转动不随位移减少而受到影响，则要求增加杠杆的传动比。

4. 创新特色
收集人产生的压力来产生电能并加以存储是本设计的主要特色。即使单次转化和存储的电能较少，但由于踩压连续不断，同时利用功耗较小LED二极管使得该发电装置真正具有了实用价值，即电源能够提供较长时间且稳定的电压！
该装置安装于地面或地表层供人们踩压，可用在人流量较大的地方来提供不间断的照明。如地铁站的站台和进出口通道的地面，商场或公共场所的进出口或电梯口等。同时该装置的设计制造成本不高，充分体现了节能减排的设计理念，因此可以初步肯定该设计会有广泛的应用前景！

二． 设计图纸
1. 结构整体布置图

主要原理说明：人踩压在上表面上时，上表面下沉，产生一个较小的位移，同时引起与之相连的竖直杆向下运动，因而会带动杠杆的动力臂向下产生一个较小的位移，后经过杠杆的放大，使得杠杆的另一端运动的位移得到放大；放大后的位移会带动齿轮以一个较快的速度转动，且转动的角度也得到放大；由于与上表面相连接的竖直杆安装了弹簧，该杆能够上下运动，使得上表面在压力撤销后能够自动恢复原来的高度，这样为了不使发电机由于竖直杆的来回运动而产生正反转，故我们利用一棘轮机构，来将往复运动转换成单向步进运动，进而能够发出直流电；最后发出的直流电存储到一个铅蓄电池，供照明之用。

2. 主要构件详图
注：详细原理请参考上述设计说明书布局和结构部分
（1） 杠杆位移放大部分：

说明：杠杆的位移放大倍数要求较大（本装置设计的放大倍数为10倍）。
（2） 齿轮传动部分：

说明：如图一所示：右边的齿轮为一普通的齿轮，其跟随杠杆的上下运动而作正反转动；左边的为棘轮结构，其不随右边齿轮做正反运动，而是最终输出单向运动。
（3） 皮带传动部分：

（4） 发电蓄电部分：

说明：发电机发出的直流电输入蓄电池。
（5） 照明电路部分：

3. 方案效果图
（1） 主要构件的爆炸图：

（2） 效果图：
正视图

俯视图

左视图

三． 补充说明
（1） 自评
我小组完成了本设计既定的目标，作品预期的要求基本完成，但由于自身水平和加工条件的限制，使得我们在零件加工质量和精度上存在一定的缺陷，这或多或少会影响整个装置的工作地质量，此外由于时间较紧和资金的原因，使得我们最终在材料和配件的选择上没有达到精益求精。我想如果在各方面条件都很成熟的情况下，我们会选择更加匹配的器件，加工质量和精度更高的零部件，寻找相关专业的导师，以使本设计变得更加完美！
（2） 附带实物照片
整体图

局部图