УСТРОЙСТВО ГЕНЕРИРОВАНИЯ ЭНЕРГИИ

Полезная модель относится к обувной отрасли и предназначена для генерирования и аккумулирования энергии для зарядки/подзарядки переносных устройств, например, мобильных телефонов, смартфонов, фотоаппаратов, плееров, навигаторов, DVD-проигрывателей, переносных компьютеров, или для подогрева обуви людей работающих или находящихся длительное время вне помещений при низкой температуре окружающей среды, например, ремонтников дорог, путешественников, туристов, МЧС, грибники, рыбаков, строителей, газовиков и нефтяников, работающих в холодный период времени года, интернет-зависимых, курьеров, охотников, лесничих, greenpeace-овцов и любителей гаджетов и т.п.
Из уровня техники зарядное устройство типа обуви, содержащее привод, шестерню, группу генерирования энергии и емкость. Шестерня вращаются, собрание катушки перемещается вверх и вниз, чтобы сократить магнитную линию индукции и произвести микропоток (CN 101483355, 15.07.2009).
Известна обувь с генератором, в которой в стельке или подошве расположены соединенные с друг с другом камеры с жидкостью. При ходьбе за счет давления, вызванное нажатием на камеры пяткой или носком стопы ноги, поток жидкости, перетекая из камеры в камеру по каналу, вращает расположенную в середине канала турбину/маховое колесо за счет чего происходит генерирование энергии (US 6255799, 03.07.2001; US 6201314, 13.03.2001; US 6239501, 29.05.2001).
Известны устройства генерирования энергии, содержащие резервуары с жидкость, размещенные в обуви и соединенные друг с другом посредством канала, внутри которого размещена турбина. Один из резервуаров расположен в области пятки ноги, а другой в области пальцев ноги. Турбина вращается за счет жидкого потока, и вращение передано на генератор для генерирования энергии. Поток импульсного типа накапливается в хранящем электричество элементе (JP 2007330034, 20.12.2007; JP 2008141934, 19.06.2008; JP 2007309228, 29.11.2007; JP 2007325836, 20.12.2007).
Недостатками данных конструкций является то, что турбина может преобразовать только до 60% энергии потока, миниатюрные турбины с приемлемым КПД очень дороги в производстве, а также для работы турбины необходимо достаточное количество жидкости, что ухудшает весовые характеристики.
Задача, на решение которой направлена предложенная полезная модель, заключается в создании такой конструкции устройства генерирования и аккумулирования энергии, которая исключала бы указанные выше недостатки.
Технический результат, достигаемый при реализации данной полезной модели, заключается в обеспечении регулирования при проектировании длительности и величины передаваемого импульса на «сборку редуктор + генератор», чтобы добиться максимального КПД при зарядке различных аккумуляторов/устройств, минимизировании геометрических и массовых параметров устройств генерирования и аккумулирования энергии.
Указанный технический результат достигается в устройстве для генерирования энергии, содержащем выполненные с возможностью размещения в обуви резервуары с жидкостью или газом, соединенные между собой трубопроводом, в котором размещен с возможностью возвратно-поступательного движения под действием усилий развиваемых движением жидкости или газа элемент, на поверхности которого выполнены зубья и взаимодействующий с ведомым зубчатым колесом, передающим крутящий момент на вал редуктора, соединенного с генератором, выполненным с возможностью передачи выработанной энергии в блок электроники.
Трубопровод между резервуарами может иметь прямую или криволинейную по длине форму.
Элемент представляет собой двухсторонний поршень, выполненный в виде плотно примыкающего к стенкам трубопровода стержня с зубьями. Двухсторонний поршень выполнен с возможностью преобразования собственного возвратно-поступательного движения во вращательное движение ведомого колеса. Двухсторонний поршень выполнен в виде червяка или рейки. Двухсторонний поршень выполнен с прямым или косым профилем зубьев.
Блок электроники имеет провод micro USB и/или соединен с термоэлементом, размещенным в стельке обуви. Блок электроники представляет собой преобразователь электроэнергии на основе диодных мостов, емкостных и/или индукционных элементов. Блок электроники расположен под стопой и/или на лодыжке.
Редуктор выполнен или с маховиком, или с храповым механизмом, или с комбинацией из маховика и храпового механизма.
Резервуары заполнены незамерзающей жидкостью или газом.
Устройство для генерирования энергии встроено в подошву или стельку обуви.
Генератор выполнен в виде генератора постоянного тока, или генератора переменного тока, или генератора на постоянных магнитах, или шагового двигателя.
Генератор выполнен одно- или многофазным.
Элемент представляет собой двухсторонний поршень, выполненный в виде зубчатой рейки, торцевые концы которой имеют профиль плотно перекрывающий поперечное сечение трубопровода.
Редуктор имеет корпус.
Сущность полезной модели поясняется чертежами, на фиг.1 и 2 изображен общий вид устройства для генерирования и аккумулирования энергии.
Устройство для генерирования энергии встроено в подошву или стельку 10 обуви и представляет собой гидро/газомеханический привод для выработки электроэнергии при ходьбе человека или для выработки электроэнергии при движении ступней человека, содержащий размещенные в обуви два резервуара 1 с незамерзающей жидкостью или газом, соединенные между собой трубопроводом 2, в котором размещен с возможностью возвратно-поступательного движения под действием усилий развиваемых движением жидкости или газа элемент 3, на поверхности которого выполнены зубья и взаимодействующий с ведомым зубчатым колесом 4, передающим крутящий момент на вал редуктора 5, соединенного с генератором 6, выполненным с возможностью передачи выработанной энергии в блок электроники 7, провода для подключения потребителей (microUSB) 8 и/или термоэлемента 9, размещенного в стельке 10 обуви.
Элемент 3 представляет собой двухсторонний поршень, выполненный в виде плотно примыкающего к стенкам трубопровода стержня с зубьями и с возможностью преобразования собственного возвратно-поступательного движения во вращательное движение ведомого колеса. Двухсторонний поршень выполнен в виде червяка или рейки и с прямым или косым профилем зубьев.
В другом варианте воплощения элемент 3 может представлять собой двухсторонний поршень, выполненный в виде зубчатой рейки, торцевые концы которой имеют профиль, плотно перекрывающий поперечное сечение трубопровода.
Блок электроники 7 представляет собой преобразователь электроэнергии на основе диодных мостов, емкостных и/или индукционных элементов, и расположен под стопой и/или на лодыжке.
Редуктор 5 выполнен или с маховиком, или с храповым механизмом, или с комбинацией из маховика и храпового механизма, и размещен в корпусе.
Генератор 6 выполнен в виде генератора постоянного тока, или генератора переменного тока, или генератора на постоянных магнитах, или шагового двигателя, при этом он может быть выполнен одно- или многофазным.
Во время ходьбы, вес человека последовательно переносится с пятки на переднюю часть ступни. Именно на этом основан принцип работы устройства для генерирования энергии - гидро/газомеханического привода.
Под пяткой располагается первый/пяточный резервуар (гидро/газосфера). При ходьбе, человек сначала наступает на пятку, тем самым наступая/нажимая на «пяточный» резервуар (гидро/газосферу). Из-за изменения объема в резервуаре жидкость/газ начинает движение.
Движущаяся жидкость/газ поступает в трубопровод (корпус/цилиндр) и приводит в движение элемент с зубьями, который передает полученное усилие на ведомое зубчатое колесо, заставляя его вращаться. Зубчатое колесо передает возникший крутящий момент на входной вал редуктора, а выходной вал редуктора вращает генератор электрического тока.
Выработанный генератором электрический ток поступает в блок электроники, который преобразует напряжение и силу тока до требуемых величин и направляет выработанное электричество потребителям: аккумулятор и/или термоэлемент.
Давление пятки на первый/пяточный резервуар ослабевает, т.к. человек начинает переносить свой вес на пальцы ноги. Движение жидкости/газа в трубопроводе замедляется и останавливается. Как следствие, за этим останавливается вся цепочка из: элемент с зубьями - зубчатое колесо - редуктор - генератор.
Вес человека переносится на пальцы ног. Под пальцами ног располагается второй/передний/носочный резервуар (гидро/газосфера). Человек нажимает на второй/передний/носочный резервуар (гидро/газосфера). Из-за изменения объема в резервуаре жидкость/газ начинает движение.
Движущаяся жидкость/газ поступает в трубопровод и приводит в движение элемент с зубьями в противоположном направлении, который передает полученное усилие на ведомое зубчатое колесо, заставляя его вращаться. Зубчатое колесо передает возникший крутящий момент на редуктор, где изменяется передаточное отношение. Редуктор вращает генератор электрического тока. Выработанный генератором электрический ток поступает в блок электроники, который преобразует напряжение и силу тока до требуемых величин и направляет выработанное электричество потребителям: аккумулятор и/или термоэлемент.
Нога человека поднимается. Вес человека перестает действовать на устройство. Движение жидкости/газа останавливается. Как следствие, останавливается вся цепочка из: элемент с зубьями - зубчатое колесо - редуктор - генератор.
Устройство для генерирования энергии приведено в исходное положение и готов к повтору вышеперечисленного цикла при следующем шаге.
Устройство для генерирования энергии можно выполнять в виде стельки или встраивать в подошву обуви в один из ботинков или обоих ботинках.
Элемент с зубьями может быть выполнен гибким, чтобы преобразовывать поступательное движение во вращательное методом частичного или полного огибания «колеса».
Преимущества устройства для генерирования энергии:
- Движение элемента с зубьями является полезными/«рабочими» в обоих направлениях (от «пяточного» резервуара и обратном направлении от «переднего» резервуара).
- Выбирая (подбирая/проектируя) площади поперечного сечения сообщающихся резервуаров (сосудов), можно регулировать величину передаваемого усилия.
- Можно выбирать (подбирать/проектировать) форму, размер и материалы сообщающихся резервуаров, для эргономичности, экологичности устройства.
- Выбирая (подбирая/проектируя) длину/форму/кривизну трубопровода можно изменять длину «рабочего хода» зубчатой рейки, что влияет на величину передаваемой мощности.
- Выбирая (подбирая/проектируя) материалы и размеры элемента с зубьями: зубчатого колеса/вала/шкива, можно изменять величину крутящего момента и передаточное отношение.
- Выбирая (подбирая/проектируя) редуктор можно изменять частоту вращения и величину крутящего момента (передаваемых на генератор) с целью повышения КПД. Тип применяемого редуктора, его материалы и характеристики могут варьироваться в зависимости от планируемого потребителя. Например, но не ограничиваясь приведенным списком: зубчатая передача, червячная передача, ШВП (шариковинтовая передача), волновой механизм, пара трения, магнитная передача - являются возможными разновидностями механизма преобразования поступательного движения элемента с зубьями: штока/поршня/зубчатой рейки, во вращательное.
- Выбор (подбор/проектирование) генератора электрического тока производится исходя из планируемых потребителей. В заявленном устройстве генератором электрического тока может быть (не ограничиваясь приведенным списком): генератор постоянного тока, генератор переменного тока, динамо-машина, генератор на постоянных магнитах, одно или многофазным, актуатор, шаговый двигатель.
- Электронный блок позволяет накапливать и регулировать вырабатываемое генератором напряжение и силу тока до необходимых величин и перенаправлять его потребителям (аккумуляторы и/или термоэлемент(ы), приборы).
- Можно использовать жидкость-незамерзайку или газ, в том числе вакуум.
- Абсолютно не важно, какой интенсивности и какая часть стопы будет воздействовать на резервуары с жидкостью или газом, в любом случае крутящий момент будет передан на генератор (только в чуть большей или меньшей степени).
- Работоспособность при ходьбе, прыжках, покачивании, перекатывании с носка на пятку, танцах.
- Управляющая электроника - электронный блок, может располагаться в любом удобном месте и позволяет заряжать потребителей независимо от направления вращения генеротора, что упрощает механическую часть заявленной полезной модели.
- Предпочтительное месторасположение заряжаемого аккумулятора на лодыжке (в кармашке на липучке).
- Предпочтительный разъем для зарядки аккумуляторов = microUSB.
- В случае если нет необходимости заряжать аккумуляторы, то можно подключить потребитель-термоэлемент для нагрева/охлаждения ноги в зоне пальцев (или всей ступни).
- Элемент с зубьями и ведомое зубчатое колесо могут быть заменены парой трения (ремни, вариаторы и т.п.), магнитной передачей и прочими известными методами передачи механической энергии.
Таким образом, заявленная полезная модель позволяет при проектировании устройства регулировать длительность и величину передаваемого импульса на «сборку редуктор+генератор», чтобы добиться максимального КПД при зарядке различных аккумуляторов/устройств, а также позволяет минимизировать геометрические и массовые параметры разработки. Данный гидро/газомеханический привод позволяет при компактных размерах передавать большие усилия, изменять величину и длительность импульса, менять пространственное направление усилия.
Заявленное устройство генерирования энергии выгодно отличается от гидро/газотурбинных устройств более высоким КПД и гораздо меньшей стоимостью, поскольку возможный предел преобразование энергии турбиной ~60% (физический закон Жуковского). На практике турбина работает в узком диапазоне оборотов с КПД около 40%. Таким образом, практически достижимый КПД гидро/газотурбинных аналогов составляет до 24%. У заявленного устройства генерирования энергии практически достижимый КПД преобразования механической энергии составляет 90-95%. Кроме того отличается геометрическими/массовыми размерами, эргономикой и простотой вывода на рынок. Движение зубчатой рейки в устройстве генерирования энергии является полезными/«рабочими» в обоих направлениях.