吴兆波，邓 琰，黄焜安，齐 斌，劳静文，余 丰，曹 均

（宁波大学，浙江 宁波 315211）

0 引言

目前，我国主要的发电网布局以燃煤、水利和核电为主，并辅以风力和太阳能。在中部及北部地区采用以水力和燃煤发电为主，太阳能发电为辅。而在西北地区，由于缺乏水力资源，用电依靠中部地区输送，并辅助性地建造了风力和太阳能发电基站。在沿海地区，除燃煤和风力等传统发电系统外，亦采用核电。

鉴于国家大力提倡节能减排，倡导绿色低碳生活，而高成本、高污染、高能耗的燃煤发电与低碳生活的理念相悖。风力和太阳能发电等新能源虽然低碳环保，但受地区和季节影响显著，并且技术稳定性尚不成熟[1]。水利和核能发电造价高、投入大。这些问题很大程度上限制了这些发电技术在偏远和贫困地区的推广。

重力发电技术的发展能有效解决偏远和贫困地区的家居用电难题。1996 年德国科学家首次提出家居重力发电技术的概念。1997 年美国科学家对一种利用汽车重力发电的重力发电机进行路面实验，效果良好，但最终由于设备过大、成本较高及便携性低等各种缺陷停止使用。此后，不断有科学家利用不同的重力加载方式改进重力发电技术。2012 年英国伦敦设计师马丁路德福和吉姆里夫斯发明了一款实用的重力灯，是当时技术缺陷最少的重力发电机[2]。

迄今为止，已经有多种重力发电机问世。相对较为常见的是楼梯式人体重力发电系统[3]。该重力发电系统通过在楼梯上设计一条凸起的防滑条，当人们踩过时，带动楼梯下面的减速电机产生直流电通，将此电能收集并通过逆变器将产生的电能逆变成交流电，可供照明设施等小功率耗电设备使用。此外，还有利用重物下降产生的重力势能，借助杠杆使发电机驱动转轴转动的重力发电装置[4]，以及一种名为GravityLight 的二代重力发电灯，其通过提高发电装置配重高度，而后将获得的动力转换成电力。重力发电技术结合家居设计，可因地制宜地为每个家庭安装一台小型重力发电机，提供家居用电，这能在很大程度上满足偏远和贫困地区的用电需求。

本文主要介绍重力发电的基本原理，分析重力发电技术在日常家居供电的可行性，并且提出一种新的重力发电技术：一种借助于发条弹簧和手动牵拉的组合式重力发电技术，并阐明该重力发电技术在家居领域的应用前景。

1 重力发电原理介绍

目前，较为常见的重力发电方式主要包含水重力发电，踏板式重力发电和重物悬挂式发电。首先，水重力发电的基本原理是利用水位落差，配合水轮发电机产生电力，即将水的高位势能转为水轮的机械能，再以机械能推动发电机旋转而得到电力。其次，踏板式重力发电是利用物体对踏板的压力进行一系列齿轮传动最终使线圈转动实现发电。其工作原理类似于按动式手电筒，该发电方式在汽车领域应用较多，将汽车活动板和传动杆相连接，在汽车行驶时碾压活动版，利用汽车重力发电。最后，重物悬挂式发电多应用于重力灯，通过在装置上悬挂重物，重物带动挂钩缓慢下降进而带动机体内部线圈转动，线圈带动发电机旋转发电。

2 重力发电家居应用的可行性分析

目前，日常生活中应用较为广泛的重力发电系统有楼梯式重力发电和重力发电灯。

楼梯式重力发电系统[5]包含3 个部分：（1）重力收集转化部分，利用台阶上的防滑带作为采集能量的源头；（2）重力势能转化为电能部分，由多个串并联的电控单元实现能量转换；（3）电能储存部分，借助整流电路和储能装置实现对转化后电能的储存。

楼梯式重力发电系统通过收集人在上下楼梯时产生的重力势能，将其转化为电能。该系统可作为一种新的能源发电方式，应用在学校、商场等人流密集的地方，产生的电能可直接供该场所照明使用。这项技术低碳环保，且具有较大的创意性。然而，楼梯式重力发电方式并不适合于家居使用。主要原因如下：首先，缺乏能够提高人体重力势能的设施；其次，人流量不足，难以产生足够的电能实现照明；最后，设备造价成本较高，需建立一套独立的发电系统，包括传感器、电控单元以及发电机等设备。

重力发电灯[6]是一种以重力升降杆作为动力的驱动装置。该装置通过悬挂重物实现旋转式循环升降，而后借助升降杆带动变速齿轮机构的传动，进而带动发电机旋转发电。该重力发电灯结构简洁，可通过在装置上安装小功率灯泡作为移动照明用具，故能满足户外旅行或短时应急照明使用。然而，该重力发电装置只能通过重物的升降实现单次重力做功，不能持续发电。因此，该重力发电灯不能够实现稳定地为家居供电的需求。

鉴于楼梯式重力发电和重力发电灯在家居应用的不足，本文提出一种使用发条弹簧和手动牵拉的组合式重力发电技术。

3 发条弹簧组合式重力发电技术

3.1 发电技术原理

本文提出的重力发电技术可在发条弹簧重力发电和手动牵拉发电之间自由切换，如图1 所示。首先，应用发条弹簧重力发电时，通过力传感器判断所悬挂重物的质量大小，并匹配具有最优弹性限度的发条弹簧。然后，当重物下落时，借助第一动力传动轴、联轴器及第二动力传动轴向发条弹簧输入转动扭矩，使弹簧收缩。通过将重力势能转化为弹性势能储存于发条弹簧中。当需要发电时，收缩的发条弹簧将反向输出动力，通过传动轴带动发电机旋转发电。

其次当该发电装置用于手动牵拉发电时，可不经多级发条箱装置，直接通过安装在第二动力传动轴上的链轮链条机构，将手动牵拉转换为传动轴的旋转，直接带动发电机旋转发电。

图1 总装置平面结构图

此发电设备中，发条弹簧箱作为装置的势能转换箱以及动力输入箱，是整个重力装置的核心部件，如图2 所示。

图2 多级发条箱轴测投影

通过在发条弹簧上设置带电绝缘体，使每一级发条弹簧中相邻的两圈因带有相同电荷，存在斥力。当弹簧收缩时额外储存电势能，缩进相同距离能够储存更多的势能。所以发条弹簧在输出弹性势能的同时能够输出一部分电势能，提高了单位体积中的能量密度，可以缩小装置的占用空间，实用性强。

3.2 家居应用可行性分析

本文提出的重力发电技术借助多级发条弹簧以及力传感器，可根据重物的质量自动匹配最优弹性极限的弹簧，有效解决了因重物过载或者重物欠载等无法对发条输入转动力矩的问题，达到发电效率最大化。此外，本发电设备可结合手动循环牵拉发电的方式实现持续发电。

本重力发电技术集成了重力发电与手动发电的优势，有效解决了现有的重力发电机存在的悬挂重物质量被限制以及不能持续发电的问题。该技术结构机械化，操作简单，且发电效率高。此外，该技术借助于电发条及稳流装置，提高了能量密度，保证了输出电流的稳定性，发电时间长，能够为小功率用电器提供长时间的供电，实用性强。

在沿海地区当发生由台风、洪涝等极端灾害引起的区域性较长时间停电问题时，本装置结合重力发电和手动循环牵拉发电可以很好地解决照明以及一些小功率电器的用电需要。此外，本装置作为一种家居辅助供电方式可以在一定程度上缓解用电需求，作为一种新型发电方式，更加符合节能减排，低碳生活的理念。

4 结论

本文设计发明了一种借助发条弹簧和手动牵拉的组合式重力发电技术。对不同质量的重物，该设备可通过重力传感器匹配最优弹性限度的弹簧，最大效率地实现重力势能转化为电能，并可通过手动牵拉的发电方式实现持续发电。这些功能有效解决了传统重力发电机对悬挂重物质量的限制以及不能持续发电的问题。该设备可作为一种家居辅助供电设备，为小功率用电器提供电能；可应用于沿海地区作为应对台风等极端灾害天气带来的停电问题，以及在电网覆盖率较低的偏远地区，作为家居照明设备长时间使用，缓解用电需求。