一種利用重力控制發(fā)電補充飛輪電池能量的裝置制造方法
【專利摘要】本實用新型涉及一種利用重力控制發(fā)電補充飛輪電池能量的裝置。其特別之處是本實用新型設(shè)有重力離合裝置和動力單元，重力離合裝置是根據(jù)自行車行駛的狀況自動控制是否給飛輪電池補充能量。動力單元是利用自行車后輪的動力發(fā)電，發(fā)出的電驅(qū)動飛輪電池的飛輪儲存能量。有益之處是在無電源場合，可以用自行車給飛輪電池補充動能。利用自然力的重力和自鎖機構(gòu)自動控制給飛輪電池補充能量，以減輕人力負載。即當自行車下坡時，裝置與自行車自動結(jié)合，向飛輪提供動能。當自行車上坡或平地行駛時，裝置與自行車自動分離，以減輕人力負載。
【專利說明】 一種利用重力控制發(fā)電補充飛輪電池能量的裝置

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本實用新型是關(guān)于飛輪電池(或稱飛輪儲能裝置)領(lǐng)域，特別是涉及一種飛輪電池補充能量的裝置。

【背景技術(shù)】
[0002]在眾多儲能裝置中，飛輪電池突破了化學電池的局限，用物理方法實現(xiàn)儲能。當飛輪以一定角速度旋轉(zhuǎn)時，就具有一定的動能，飛輪電池以其動能轉(zhuǎn)換成電能。飛輪電池與化學電池相比，以其高效率，充電時間短、相對尺寸小、清潔無污染等突出優(yōu)勢有望成為最具前景的儲能電池。
[0003]飛輪電池的工作原理:飛輪電池中有一個電機(電動/發(fā)電一體機),充電時,該電機以電動機形式運轉(zhuǎn)，將外界輸入的電能通過電動機轉(zhuǎn)化為飛輪的動能儲存起來，即飛輪電池“充電”；當外界需要電能時，該電機以發(fā)電機形式轉(zhuǎn)動，通過發(fā)電機將飛輪的動能轉(zhuǎn)化為電能，輸出給外部負載，即飛輪電池“放電”。為了減少風阻損耗，摩擦等能量損失，飛輪電池設(shè)置在真空盒內(nèi)，并使用磁懸浮軸承支撐轉(zhuǎn)動部件。
[0004]飛輪電池的儲能密度大、相對尺寸小的特點，目前正在向更小型化、低廉化方向發(fā)展，甚至將有可能出現(xiàn)設(shè)置在手機中的飛輪電池。由于其儲能密度大的特點，尤其適合攜帶于野外無電源場合，特別是對于騎自行車旅行的車友，在野外宿營時，非常需要有一個能給手提電腦、收音機，照明支持電力的飛輪電池。然而，飛輪電池目前只能用通電的方式帶動真空盒內(nèi)的電機帶動飛輪轉(zhuǎn)動，使飛輪儲存動能，而在野外卻沒有可以給飛輪電池充電的電源。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本實用新型的目的是提供一種在自行車行駛中，利用自行車輪的轉(zhuǎn)動發(fā)電給飛輪電池補充動能的裝置。
[0006]本實用新型主要技術(shù)思路:
[0007]1、為減少人力負載，裝置是在自行車下坡時自動給飛輪電池補充能量。而在上坡時，裝置自動與自行車分離。該自動離合機構(gòu)為非耗電機構(gòu)。
[0008]2、飛輪電池必須是在真空盒內(nèi)運作，可以用自行車發(fā)的電輸入到飛輪電池真空盒內(nèi)的電機，用電機帶動飛輪轉(zhuǎn)動儲存動能。
[0009]本實用新型的具體技術(shù)方案:包括自行車及其后架和后輪、飛輪電池的真空盒和真空盒內(nèi)的飛輪及電機，其特征在于，還包括:
[0010]重力離合裝置:其包括安裝架及夾子、自鎖機構(gòu)、頂桿和重錘桿；所述安裝架通過夾子與自行車的后架固連；自鎖機構(gòu)設(shè)置在安裝架的楔槽中，其包括滑塊、鋼球和彈簧；所述頂桿的一端與自鎖機構(gòu)的鋼球間斷性接觸，頂桿的另一端與重錘桿間斷性接觸；所述重錘桿與安裝架上的第二支軸鉸接；
[0011]動力單元:其包括支架、外驅(qū)動裝置和飛輪電池單元；
[0012]其中，所述支架上部與安裝架中的第一支軸鉸接；支架下部設(shè)置外驅(qū)動裝置和飛輪電池單元；支架還通過自鎖機構(gòu)的滑塊與自鎖機構(gòu)連接；
[0013]其中，所述外驅(qū)動裝置包括摩擦輪和發(fā)電機，摩擦輪與自行車的后輪間斷性接觸；摩擦輪與發(fā)電機連接；發(fā)電機通過導(dǎo)線與飛輪電池單元中的電力電子變換器連接，為飛輪電池提供電力；
[0014]其中，所述飛輪電池單元包括一飛輪電池，一控制電路；所述飛輪電池包括真空盒和真空盒內(nèi)的飛輪及電機，真空盒與發(fā)電機的外殼固連；所述控制電路包括單片機及鈕扣電池電源、電力電子變換器，電力電子變換器通過導(dǎo)線與發(fā)電機連接，電力電子變換器還分另IJ與飛輪電池、單片機連接，單片機分別與鈕扣電池電源、電力電子變換器連接；該飛輪電池單元為外部負載提供電力；
[0015]上述裝置的使用方法:
[0016]第一步驟:當自行車進行上坡行駛期間，動力單元在重力作用下，其支架繞第一支軸轉(zhuǎn)動到自由垂直狀態(tài)，支架與安裝架的夾子的夾角大于90°，其摩擦輪與自行車的后輪處于分離狀態(tài)；
[0017]第二步驟:當自行車進行下坡行駛期間，動力單元在重力作用下，其支架繞第一支軸轉(zhuǎn)動，支架與安裝架的夾子的夾角小于90 °，摩擦輪與自行車的后輪接觸，并被自行車的后輪帶動；當自行車的后輪行駛中產(chǎn)生抖動時，與支架連接的自鎖機構(gòu)自動鎖住支架，阻止摩擦輪與自行車的后輪分離；轉(zhuǎn)動的摩擦輪帶動發(fā)電機轉(zhuǎn)動發(fā)電，發(fā)電機發(fā)出的電通過電力電子變換器輸入到飛輪電池的真空盒內(nèi)的電機，使電機加速帶動飛輪轉(zhuǎn)動，儲存機械動倉泛;
[0018]第三步驟:當自行車進行平地行駛時，重錘桿在重力作用下，繞第二支軸朝后輪的相反方向轉(zhuǎn)動，重錘桿與安裝架的夾子的夾角呈直角狀，重錘桿的上部推動頂桿，頂桿推動自鎖機構(gòu)的鋼球，使自鎖機構(gòu)釋放支架，于是支架在重力作用下，繞第一支軸朝后輪的相反方向轉(zhuǎn)動，支架與安裝架的夾子的夾角呈直角狀，摩擦輪與自行車的后輪分離；發(fā)電機停止發(fā)電；飛輪依靠儲存的動能繼續(xù)在真空盒內(nèi)轉(zhuǎn)動；
[0019]重復(fù)步驟1、步驟2和步驟3，也就是摩擦輪帶動的發(fā)電機不斷地間斷性供電給飛輪電池，使飛輪不斷加快，直至飛輪獲得可以供電的轉(zhuǎn)速；
[0020]此后，當外部負載需要電力時，操作單片機通電發(fā)訊給電力電子變換器和飛輪電池，飛輪作為原動機拖動電機發(fā)電，通過電力電子變換器輸出交流電，經(jīng)過單片機給外部負載提供電力。
[0021]本實用新型與現(xiàn)有技術(shù)相比的特點是:
[0022]一、在無電源場合，可以用自行車給飛輪電池補充動能。
[0023]二、利用自然力的重力和自鎖機構(gòu)自動控制給飛輪電池補充能量，以減輕人力負載。即當自行車下坡時，裝置與自行車自動結(jié)合，向飛輪提供動能。當自行車上坡或平地行駛時，裝置與自行車自動分離，以減輕人力負載。
[0024]三、在野外休息時，如遇飛輪電池儲存的電力不夠用時，可以轉(zhuǎn)動自行車的后輪，繼續(xù)給飛輪電池補充能量。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0025]圖1是本實用新型的立體示意圖。
[0026]圖2是圖1另一個角度的立體示意圖。
[0027]圖3是圖2的部分零件的分解圖。
[0028]圖4是本實用新型上坡時的示意圖。
[0029]圖5是圖4的A部放大視圖。
[0030]圖6是本實用新型下坡時的示意圖。
[0031]圖7是圖6中B部放大視圖。
[0032]圖8是圖4中的D-D剖視圖。
[0033]圖9是本實用新型在平地時的示意圖。
[0034]圖10是圖9中的C部放大視圖。
[0035]圖11是另一實施方法的示意圖。
[0036]圖12是電路示意圖。
[0037]圖13是飛輪電池的結(jié)構(gòu)示意圖。

【具體實施方式】
[0038]下面結(jié)合附圖和【具體實施方式】對本實用新型作進一步說明:
[0039]重力離合裝置:(參見圖1至圖6)該裝置主要是根據(jù)自行車行駛的狀況自動控制是否給飛輪電池補充能量。其包括安裝架11及夾子111、自鎖機構(gòu)12、頂桿13和重錘桿14 ;安裝架11通過夾子111與自行車的后架71固連；
[0040]自鎖機構(gòu)12設(shè)置在安裝架的楔槽129內(nèi)(參見圖6和圖7);該自鎖機構(gòu)包括滑塊121、鋼球122和彈簧123。鋼球122分別與滑塊121的下邊、彈簧123的一端、楔槽129的下邊接觸?；瑝K121的下邊與鋼球122接觸，滑塊121的上邊與楔槽129的上邊接觸。彈簧123的一端與鋼球122接觸，另一端頂在楔槽129的一端。圖7所示狀態(tài)，滑塊121只能向左移動，這是由于鋼球122被彈簧123頂著，將滑塊121壓緊在楔槽129上，所以滑塊121不能向右移動，從而形成了自鎖狀態(tài)。但如果頂桿13的一端將鋼球朝彈簧123方向推動，鋼球122就不再壓緊滑塊121，滑塊121才可以向右移動。而頂桿13的移動是由重錘桿14控制的。重錘桿14鉸接于安裝架11上的第二支軸19，重錘桿14上部與頂桿13有間斷性接觸。
[0041]參見圖1、圖3、圖8和圖12，動力單元2包括支架21、外驅(qū)動裝置4和飛輪電池單元(飛輪電池單元包含飛輪電池3和控制電路5)。
[0042]外驅(qū)動裝置4包括摩擦輪41和發(fā)電機43，摩擦輪41與自行車的后輪72間斷性接觸；摩擦輪41與發(fā)電機43連接；發(fā)電機43通過導(dǎo)線與飛輪電池單元中的電力電子變換器51連接，為飛輪電池3提供電力；
[0043]設(shè)計外驅(qū)動裝置4中的摩擦輪41和發(fā)電機43的參考示例:通常情況下，自行車的平均時速為每小時20公里，因此自行車車輪行進中的線速度為333 m/min。假如摩擦輪41設(shè)計為直徑70毫米，則摩擦輪41在自行車后輪72的帶動下，具有約1500r/min轉(zhuǎn)速。如果摩擦輪41直接與發(fā)電機43的轉(zhuǎn)子連接,則根據(jù)同步電機的轉(zhuǎn)速公式n=60f/p (η是發(fā)電機的轉(zhuǎn)速，f是交流電的頻率，即50Hz，P是定子勵磁的極對數(shù))設(shè)計發(fā)電機:發(fā)電機定子勵磁極對數(shù)是2，50Hz，轉(zhuǎn)速是1500r/min。發(fā)電機43發(fā)出的電通過導(dǎo)線，經(jīng)控制電路5的電力電子變換器51輸入到真空盒內(nèi)的電機34，電機34帶動飛輪31轉(zhuǎn)動，儲存機械動能；另一種方法可以讓發(fā)電機43具有3000r/min轉(zhuǎn)速:方法是在摩擦輪與發(fā)電機43之間設(shè)置調(diào)速器42 (見圖8)，也就是利用調(diào)速器42把摩擦輪41的轉(zhuǎn)速調(diào)高一倍，調(diào)速器42與發(fā)電機43連接的輸出軸轉(zhuǎn)速達到3000r/min ;這種狀況的發(fā)電機定子勵磁極對數(shù)是l，50Hz，轉(zhuǎn)速是3000r/min。但缺點是增加調(diào)速器42會增加本發(fā)明裝置的重量。
[0044]動力單元2的支架21上部與安裝架11上的第一支軸28鉸接(參見圖1、圖2、圖3和圖8);支架21下部的一部分與外驅(qū)動裝置的調(diào)速器42的外殼固連(如果不設(shè)置調(diào)速器42，則支架21下部的一部分與外驅(qū)動裝置的發(fā)電機43的外殼固連)，支架21下部另一部分與飛輪電池的真空盒33固連；發(fā)電機43的外殼與真空盒33固連?？刂齐娐?的電氣件可以設(shè)置在真空盒33外的電氣盒內(nèi)(未畫出)；也就是動力單元2的零部件均安裝在支架21上，當支架21繞安裝架11上的第一支軸28轉(zhuǎn)動，動力單元2也隨之轉(zhuǎn)動。
[0045]支架21還通過滑塊121與自鎖機構(gòu)12連接(見圖2、圖3)。支架21上設(shè)置一滑槽211，自鎖機構(gòu)12的滑塊121設(shè)有一圓銷1211，圓銷1211位于滑槽211內(nèi)。當支架21轉(zhuǎn)動時，通過圓銷1211帶動滑塊121移動?；蛘?，滑塊121固定時，控制支架21不轉(zhuǎn)動。這樣，自鎖機構(gòu)12就可以通過控制支架21，進而控制動力單元2的運動。
[0046]飛輪電池單元:其包括一飛輪電池3 (參見圖13)，一控制電路5 (參見圖12);所述控制電路5包括單片機53及鈕扣電池電源52、電力電子變換器51，電力電子變換器51通過導(dǎo)線與發(fā)電機43連接，電力電子變換器51還分別與飛輪電池3、單片機53連接，單片機53分別與鈕扣電池電源52和電力電子變換器51連接，外部負載可以與單片機53連接，以獲得電力；
[0047]公知典型的飛輪電池3參見圖13，其由飛輪電池的飛輪31、軸承32、飛輪電池的電機34和真空室33四個主要組件構(gòu)成。飛輪電池的電機34和飛輪電池的飛輪31都使用具有磁性的軸承32，使其懸浮，以減少機械摩擦，同時將飛輪電池的飛輪31和飛輪電池的電機34放置在真空盒33中，以減少空氣摩擦。這樣的飛輪電池的輸入輸出凈效率可達95%左右。所述飛輪電池的電機34是電動發(fā)電互逆式雙向電機。
[0048]電力電子變換器51是現(xiàn)有技術(shù)飛輪電池的能量轉(zhuǎn)換控制部件，它控制飛輪電池中的電機34，實現(xiàn)電能與機械能的相互轉(zhuǎn)換，并且具有變頻、逆變、整流等功能。發(fā)電機43發(fā)出的電經(jīng)過電力電子變換器51變換后供給電機34，輸出電能也是經(jīng)過電力電子變換器51變換后獲得要求的電力。電力電子變換器51中含有整流器、變頻器、逆變器(未畫出，因是現(xiàn)有技術(shù)，不作詳細描述)。本實用新型的摩擦輪41帶動的發(fā)電機43供電時，電力電子變換器51的整流器把發(fā)電機43發(fā)出的交流電轉(zhuǎn)換成直流電，通過電力電子變換器51的變頻器驅(qū)動電機34加速轉(zhuǎn)動,帶動飛輪31旋轉(zhuǎn),儲存機械動能,實現(xiàn)電能向機械能的轉(zhuǎn)換，即飛輪電池單元的充電過程；發(fā)電機43供電中斷時，飛輪31作為原動機拖動電機34空轉(zhuǎn)；摩擦輪41帶動的發(fā)電機43不斷地間斷性通過電力電子變換器51供電給飛輪電池3，電力電子變換器51的變頻器使電機34轉(zhuǎn)速不斷加快，從而飛輪31的轉(zhuǎn)速也不斷加快。當飛輪31獲得可以供電的轉(zhuǎn)速后(比如lOOOOr/min)，就可以開始向外部負載開始供電。當外部負載需要電力時，操作單片機53通電發(fā)訊給電力電子變換器51和飛輪電池3，飛輪31作為原動機拖動電機34發(fā)電，通過電力電子變換器51的逆變器輸出交流電，經(jīng)過單片機53給外部負載提供電力，完成機械能向電能的轉(zhuǎn)換，即飛輪電池3的放電過程。其中圖12中的鈕扣電池電源52給單片機53提供電力。上述飛輪電池3和控制電路5均是所屬【技術(shù)領(lǐng)域】的技術(shù)人員所熟識的，不再詳細累述。
[0049]由于自行車是人力帶動，長途騎行，所以安裝在自行車上的本實用新型的補充飛輪電池能量的裝置的總重量應(yīng)按照騎行者各自的體力進行設(shè)計，力求輕型。實際使用的飛輪電池中，飛輪是整個飛輪電池的核心部件，它直接決定了整個飛輪電池的儲能多少，它儲存的能量由公式E=j?2 (式中2是平方)決定。式中j為飛輪的轉(zhuǎn)動慣量，與飛輪的形狀和重量有關(guān)；ω為飛輪的旋轉(zhuǎn)角速度。飛輪電池的儲能密度一般在150W.h/kg，功率密度為5000-10000W/kg。在設(shè)計中可以按照上述公式以及飛輪電池的儲能密度和功率密度，并結(jié)合實際需要的用電量，估算本實用新型的裝置實際重量。
[0050]上述裝置的使用方法:
[0051]步驟1:參見圖2、圖4、圖5，當自行車進行上坡行駛期間，安裝在支架21上的動力單元2和重錘桿14在重力作用下自由垂直，動力單元的支架21與安裝架的夾子111的夾角大于90°，其摩擦輪41與自行車的后輪72處于分離狀態(tài)；
[0052]步驟2:參見圖6、圖7，當自行車進行下坡行駛期間，安裝在支架21上的動力單元2在重力作用下，繞第一支軸28轉(zhuǎn)動(到達圖6所示狀態(tài))，支架21和重錘桿14與安裝架的夾子111的夾角小于90°，摩擦輪41與自行車的后輪72接觸，并被自行車的后輪72帶動(摩擦輪優(yōu)先采用橡膠材料，因其具有較好的彈性和較大的摩擦系數(shù))；當自行車的后輪72行駛中產(chǎn)生震動時，摩擦輪41就有離開后輪72的傾向。這時候自鎖機構(gòu)12就會阻止摩擦輪41與后輪72分離，也就是在震動時，支架21通過圓銷1211要撥動滑塊121向右移動，但由于滑塊121被鋼球122壓緊在楔槽129中，從而鎖住支架21不能轉(zhuǎn)動，這樣，摩擦輪41繼續(xù)保持與后輪72接觸，被后輪72帶動。摩擦輪41帶動發(fā)電機43 (或通過調(diào)速器42帶動發(fā)電機43 )發(fā)電，發(fā)出的交流電通過電力電子變換器51的整流器轉(zhuǎn)換成直流電，又通過電力電子變換器51的變頻器驅(qū)動電機34加速轉(zhuǎn)動，帶動飛輪31旋轉(zhuǎn)，儲存機械動能。
[0053]步驟3:參見圖9、圖10當自行車進行平地行駛時，重錘桿14在重力作用下，繞第二支軸19朝后輪72的相反方向轉(zhuǎn)動(到達圖9所示狀態(tài))，重錘桿14與安裝架的夾子111的夾角呈直角狀，重錘桿14的上部推動頂桿13，頂桿13推動自鎖機構(gòu)12中的鋼球122，使楔槽129中的滑塊121不再被壓緊，滑塊121和支架21 —起被釋放，于是支架21在重力作用下，繞第一支軸28朝后輪72的相反方向轉(zhuǎn)動(到達圖9所示狀態(tài))，支架21與安裝架的夾子111的夾角呈直角狀，摩擦輪41與后輪72分離，這樣，發(fā)電機43停止發(fā)電。于是，真空盒內(nèi)的電機34停止帶動飛輪31。飛輪31依靠儲存的動能繼續(xù)真空盒內(nèi)轉(zhuǎn)動；
[0054]重復(fù)步驟1、步驟2和步驟3，也就是摩擦輪41帶動的發(fā)電機43不斷地間斷性供電給飛輪電池3，使電機34和飛輪31不斷加速轉(zhuǎn)動，直至飛輪31獲得可以供電的轉(zhuǎn)速。此后，當外部負載需要電力時，操作單片機53通電發(fā)訊給電力電子變換器51和飛輪電池3，飛輪31作為原動機拖動電機34發(fā)電，發(fā)出的電通過電力電子變換器51的逆變器輸出交流電，經(jīng)過單片機53給外部負載提供電力。
[0055]另一實施方法:對于體力好的騎者，在平地行駛時，也可以利用本實用新型對飛輪電池實施補充能量。方法是在平地上(見圖11)，將摩擦輪41調(diào)整到與后輪72接觸，然后將夾子111固定在后架71上。這樣，自行車在下坡和平地行駛時，都可以給飛輪電池補充能量。而在上坡時，摩擦輪41與后輪72是分離的，不再消耗騎者的體力。
[0056]另外，當在野外休息時，如遇飛輪電池儲存的電力不夠用時，可以轉(zhuǎn)動自行車的后輪，繼續(xù)給飛輪電池補充能量。
【權(quán)利要求】
1.一種利用重力控制發(fā)電補充飛輪電池能量的裝置，包括自行車及其后架和后輪、飛輪電池的真空盒和真空盒內(nèi)的飛輪及電機，其特征在于，還包括: 重力離合裝置:其包括安裝架及夾子、自鎖機構(gòu)、頂桿和重錘桿；所述安裝架通過夾子與自行車的后架固連；自鎖機構(gòu)設(shè)置在安裝架的楔槽中，其包括滑塊、鋼球和彈簧；所述頂桿的一端與自鎖機構(gòu)的鋼球間斷性接觸，頂桿的另一端與重錘桿間斷性接觸；所述重錘桿與安裝架上的第二支軸鉸接； 動力單元:其包括支架、外驅(qū)動裝置和飛輪電池單元； 其中，所述支架上部與安裝架中的第一支軸鉸接；支架下部設(shè)置外驅(qū)動裝置和飛輪電池單元；支架還通過自鎖機構(gòu)的滑塊與自鎖機構(gòu)連接； 其中，所述外驅(qū)動裝置包括摩擦輪和發(fā)電機，摩擦輪與自行車的后輪間斷性接觸；摩擦輪與發(fā)電機連接；發(fā)電機通過導(dǎo)線與飛輪電池單元中的電力電子變換器連接，為飛輪電池提供電力； 其中，所述飛輪電池單元包括一飛輪電池，一控制電路；所述飛輪電池包括真空盒和真空盒內(nèi)的飛輪及電機，真空盒與發(fā)電機的外殼固連；所述控制電路包括單片機及鈕扣電池電源、電力電子變換器，電力電子變換器通過導(dǎo)線與發(fā)電機連接，電力電子變換器還分別與飛輪電池、單片機連接，單片機分別與鈕扣電池電源、電力電子變換器連接；該飛輪電池單元為外部負載提供電力。
【文檔編號】B60L11/18GK203995740SQ201420432989
【公開日】2014年12月10日 申請日期:2014年8月4日 優(yōu)先權(quán)日:2013年9月18日
【發(fā)明者】杜文娟 申請人:杜文娟