一种具有风力发电功能的电动自行车 |
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| 申请号 | CN201710515545.X | 申请日 | 2017-06-29 | 公开(公告)号 | CN107323597A | 公开(公告)日 | 2017-11-07 |
| 申请人 | 王子豫; | 发明人 | 王子豫; | ||||
| 摘要 | 本 发明 公开了一种具有 风 力 发电功能的电动 自行车 ，所述具有 风力 发电功能的 电动自行车 包括：车梯； 叶片 ，其与 车轮 平面的夹 角 可调节；风向采集设备，其实时 感知 当前的风向；车轮调向设备，其根据风向采集设备感知的当前风向，通过旋转车轮控制车轮平面的转角，并使车轮平面垂直当前风向；叶片调向设备，其控制叶片与车轮平面的夹角位于预设范围内；发 电机 ，其输入端以 齿轮 啮合 的方式连接到花鼓一端的输出齿轮，发电机在车轮由于叶片在风力作用下旋转时产生 能量 ；充电设备，其对车载 蓄 电池 充电。本发明能够根据当前风向适配性地调整车轮平面的转角及叶片相对于车轮平面的夹角，使车轮平面和叶片始终保持在迎风状态，为尽可能多地收集 风能 提供有利条件。 | ||||||
| 权利要求 | 1.一种具有风力发电功能的电动自行车，其特征在于，包括： |
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| 说明书全文 | 一种具有风力发电功能的电动自行车技术领域背景技术[0002] 当前，自行车上搭载的用电设备越来越多，比如车灯、码表、GPS和手机等，而且电助力自行车也逐渐兴起，从而使自行车供电得到广泛关注与研究。绝大多数自行车采用蓄电池对车载设备进行供电，蓄电池的充电方式种类较多，最普遍的做法是利用电源对蓄电 池进行充电，也有人在骑行过程中将人力转化为电力进行充电。鉴于自行车大多数时间处 于闲置状态，尤其在野外这种特殊的环境下，采用电源充电几乎不可能，因此实现利用停车休息时间对蓄电池的充电意义重大。 发明内容[0004] 为实现上述目的，本发明提供一种具有风力发电功能的电动自行车，具有风力发电功能的电动自行车包括：车梯，其安装在车轮，将所述车轮支设于地面上，以使所述车轮处于悬空状态且可通过花鼓绕轮轴转动；叶片，其安装在所述车轮的辐条上，且与所述车轮平面的夹角可调节；风向采集设备，其用于实时感知当前的风向；车轮调向设备，其连接所述风向采集设备和车轮，其根据所述风向采集设备感知的当前风向，通过旋转所述车轮控 制所述车轮平面的转角，并使所述车轮平面垂直所述当前风向，所述车轮调向设备按照如 下公式对所述车轮平面的转角β调整： [0005] [0006] 上述公式中，F为所述车轮相对于所述初始位置所能够转动的最大角度，且F小于90°，所述车轮平面的初始位置为车架所在平面；所述车轮平面的转角β的角度范围为[0,F]∪[360-F,360]；W(t0)为所述风向采集设备感知的当前风向；叶片调向设备，其连接所述叶片，用于根据当前风向W(t0)和所述车轮平面的转角β，控制所述叶片与所述车轮平面的夹角位于预设范围内，使所述叶片在风力作用下以受拉状态来承受风力；发电机，其输入端以齿轮啮合的方式连接到所述花鼓一端的输出齿轮，所述发电机在所述车轮由于一个或多个 所述叶片在风力作用下旋转时产生能量；和充电设备，其与所述发电机电连接，并用于将发电机输出的交流电转化为直流电，对车载蓄电池充电。 [0007] 进一步地，自行车驻车状态下，所述叶片与所述车轮平面的夹角为-45°或45°；自行车骑行状态下，所述叶片与所述车轮平面的夹角为0°。 [0008] 进一步地，所述当前风向W(t0)的计算方法具体包括：以T为周期，记录周期内的风向角数据，并求取风向角平均值W(t0)作为当前的风向角，若当前风向角与上一周期的风向角相差大于10°，则更新风向角，所述风向角为风向矢量与y轴正向的夹角，所述y轴平行于车架所在平面，自行车的前方为y轴正向。 [0009] 进一步地，所述具有风力发电功能的电动自行车还包括调向控制器和导电轴承；所述花鼓套装在所述轮轴外，所述导电轴承设在所述花鼓和所述轮轴之间，所述导电轴承 的内圈相对于所述轮轴固定设置，所述导电轴承的外圈相对于所述花鼓固定设置，使所述 花鼓可相对于所述轮轴转动；所述叶片调向设备包括数量与所述辐条相同的叶片调向舵 机，各所述叶片调向舵机设在所述花鼓外周壁，围绕所述花鼓的中心轴线周向隔开布置，且紧邻对应的所述辐条设置，以控制相对应的所述辐条上的叶片与所述车轮平面的夹角；所 述花鼓上每一所述叶片调向舵机所在的位置设有第一过线孔；所述轮轴形成有轴向中空 腔，并贯通所述轮轴的一端；所述轮轴的周壁设置有与所述第一过线孔相对应的第二过线 孔，各所述第二过线孔均与所述中空腔相贯通；所述第一过线孔与其相对应的所述第二过 线孔之间设所述导电轴承并由所述导电轴承封堵，以使每一所述叶片调向舵机的输出线的 第一部分能够穿过所述第一过线孔与相应的所述导电轴承电连接，所述导电轴承再电连接 所述输出线的第二部分，所述输出线的第二部分依次穿过对应的所述第二过线孔和所述轮 轴的轴向中空腔，与所述调向控制器电连接。 [0010] 进一步地，所述输出线分别为电源正线、信号线和地线；所述第一过线孔的数量为三个，沿所述花鼓的轴向设置，分别供所述电源正线、信号线和地线的第一部分穿过；相应地，所述第二过线孔的数量为三个，沿所述轮轴的周壁轴向设置，分别供所述电源正线、信号线和地线的第二部分穿过。 [0012] 进一步地，所述具有风力发电功能的电动自行车还包括增速器，所述增速器与所述发电机固定在与所述花鼓上的输出齿轮位于同侧的所述车梯上，所述发电机的机体固定 在所述车梯的外侧，且所述发电机的输入轴贯穿所述车梯，与所述增速器的输出齿轮啮合。 [0013] 进一步地，所述充电设备包括整流器，所述发电机产生交流电，输入所述整流器中整形成直流电，向所述车载蓄电池充电。 [0015] 图1是本发明所提供的具有风力发电功能的电动自行车一实施例的原理性结构示意图。 [0016] 图2是本发明所提供的具有风力发电功能的电动自行车在自行车车体上的安装示意图。 [0017] 图3是图2中的花鼓上的输出齿轮和叶片调向舵机的安装示意图。 [0018] 图4是图3中的花鼓上的输出齿轮的结构示意图。 [0019] 图5是图3中的花鼓和轮轴的剖面示意图，其中还示出了叶片调向舵机的输出线与导电轴承的电连接关系。 [0020] 图6a和图6b是图2中的叶片与辐条连接示意图。 [0021] 图7是图2中的花鼓、增速器和发电机与车梯的连接关系示意图。 [0022] 图8是图1中的充电电路与发电机和车载蓄电池的电连接关系示意图。 [0023] 图9是本发明中为定义风向角所建立的直角坐标系。 [0024] 图10是本发明中叶片与车轮平面的夹角为最大时的状态示意图。 [0025] 附图标记： [0026]1 车梯 2 车轮 3 轮轴 4 叶片 5 辐条 6 风向采集设备 7 车轮调向设备 8 车架 9 叶片调向设备 10 花鼓 11 发电机 12 充电设备 13 车载蓄电池 14 花鼓上的输出齿轮 15 调向控制器 16 导电轴承 17 增速器 18 整流器 19 转向轴 20 供电模块 21 太阳能电池板 2a 车轮平面 3a 轮轴的轴向中空腔 3b 第二过线孔 9a 叶片调向舵机 9b 电源正线 9c 信号线 9d 地线 10a 第一过线孔 14a 输出齿轮的外圈齿轮 14b 输出齿轮的内圈齿轮 14c 输出齿轮的棘轮机构 具体实施方式[0027] 在附图中，使用相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面结合附图对本发明的实施例进行详细说明。 [0028] 在本发明的描述中，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明保护范围的限制。 [0029] 如图1和图2所示，本实施例所提供的具有风力发电功能的电动自行车包括车轮组件、风向采集设备6、车轮调向设备7、发电机11、充电设备12和车载蓄电池13，其中： [0030] 所述车轮组件包括车梯1、车轮2、轮轴3、辐条5、花鼓10和叶片调向设备9，车轮2、辐条5、轮轴3和花鼓10之间的连接关系为现有技术，在此不再赘述。下面仅对车轮组件中存在结构改进的部件进行说明。 [0031] 本实施例中的车轮2选用的是前轮，为了使自行车处于驻车状态时，前轮2可绕轮轴3旋转，因此需要通过新增设的车梯1。车梯1大致为呈矩形的支架结构，以可绕转轴3转动的方式连接在轮轴3的两端，矩形平面与前轮转向轴19平行。车梯1可以将车轮2支设于地面上，这样使车轮2处于悬空状态，且可在风力作用下通过花鼓10绕轮轴3转动。因此，无论风向如何变化，在车轮2悬空状态下，都可以将车轮平面2a调整到与风向垂直，为收集更多的风能创造有利条件。 [0032] 为了使风力更容易带动车轮2旋转，车轮组件，即车轮2和安装在车轮2上的其它各部件尽量选择轻质材料，降低整体重量。车轮2的内、外胎的总重不超过400g，车轮2的车圈的重量不超过400g，辐条5的总重量不超过250g，花鼓3的重量不超过400g等。 [0033] 叶片4安装在辐条5上，叶片4与车轮平面2a的夹角能够被调节。为了尽可能多地收集风能，本实施例是通过调整叶片4与车轮平面2a的夹角，来调整叶片5的受力面与当前风 向保持在预设角度。也可以在每一根辐条5上安装一个叶片4，通过增加叶片5的数量尽可能多地收集风能。还可以通过改变叶片4的平面面积和/或面积，使形状、面积与车轮2的各参数相匹配，从而为进一步增大叶片承受风力提供条件。叶片4装配到辐条5上的方式可以参 考图6a和图6b示出的装配方式，叶片4为呈直角梯形形状的平板，其直角边通过卡环固定在辐条上，卡环内侧有凸起(图中未示出)，从而实现叶片4的姿态固定。 [0035] 车轮调向设备7连接风向采集设备6和车轮2，车轮调向设备7根据风向采集设备6感知的当前风向，通过旋转车轮2控制车轮平面2a的转角，并使车轮平面2a垂直所述当前风向，即使车轮平面2a尽量迎风，以充分收集风能。 [0036] 如图9所示，图9中示出的是定义风向角所建立的直角坐标系。该直角坐标系具体为：所述风向角为风向矢量与y轴正向的夹角，所述风向角的单位为度，范围为0°～360°。当风向矢量与y轴方向重合时所述风向角为0°，风向矢量按顺时针从0°变化至360°。y轴平行 于车架8所在平面，自行车的前方为y轴正向，可以视为自行车的纵向；x轴垂直于车架8，可以视为自行车的横向。 [0037] 车轮调向设备7按照如下公式对车轮平面2a的转角β调整： [0038] [0039] 上述公式中，F为车轮2相对于所述初始位置所能够转动的最大角度，且F小于90°，车轮平面2a的初始位置为车架8所在平面；车轮平面2a的转角β的角度范围为[0,F]∪[360-F,360]；W(t0)为风向采集设备6感知的当前风向。 [0040] 优选地，车轮调向设备7采用的是前轮调向舵机，在车身8的横梁上靠近前轮转向轴19的位置安装前轮调向舵机，通过齿轮传动实现前轮调向舵机对前轮平面2a的转角的控 制。根据车轮平面2a的转角，已知前轮调向舵机与前轮转轴间的传动比η，可得舵机转角δ如下式： [0041] [0042] 其中，“-”表示舵机逆时针旋转。 [0043] 叶片调向设备9连接叶片4，用于根据当前风向W(t0)和所述车轮平面2a的转角β，控制叶片4与车轮平面2a的夹角位于预设范围内，使叶片4在风力作用下以受拉状态来承受 风力。 [0044] 发电机11的输入端以齿轮啮合的方式连接到花鼓10一端的输出齿轮14，发电机11在车轮2由于一个或多个叶片4在风力作用下旋转时产生能量。 [0045] 充电设备12与发电机11电连接，并用于将发电机11输出的交流电转化为直流电，对车载蓄电池13充电。 [0046] 本实施例能够根据当前风向适配性地调整车轮平面的转角及叶片相对于车轮平面的夹角，使车轮平面和叶片始终保持在迎风状态，为尽可能多地收集风能提供有利条件。 [0047] 在一个实施例中，由于发电机11的输入轴按固定方向旋转才能实现顺利发电，故要求车轮2旋转的方向固定。但由于风向多变，可能从车轮2的两侧吹来，故将叶片4与车轮平面2a的夹角设定为两个固定值，分别为45°和-45°。如图10所示，叶片4绕辐条5向左侧旋转与轮胎平面2a的夹角为45°，向右侧旋转与轮胎平面2a所成角度定为-45°。也就是说，自行车驻车状态下，叶片4与车轮平面2a的夹角范围设置为-45°或45°；自行车骑行状态下，叶片4与车轮平面2a的夹角为0°，降低风阻。这样可以根据车轮转角和当前风向实时调整叶片与车轮平面2a的夹角，使车轮2可按规定方向旋转。 [0048] 在一个实施例中，所述当前风向W(t0)的计算方法具体包括：以T为周期，记录周期内的风向角数据，并求取风向角平均值W(t0)作为当前的风向角，若当前风向角与上一周期的风向角相差大于10°，则更新风向角。 [0049] 如图3和图5所示，在一个实施例中，所述具有风力发电功能的电动自行车还包括调向控制器15和导电轴承16。其中， [0050] 调向控制器15的输入端电连接风向采集设备6，调向控制器15的输出端电连接车轮调向设备7和叶片调向设备9，调向控制器15接收风向采集设备6实时感知当前的风向，确定车轮平面2a的转角和叶片4相对于车轮平面2a的夹角。确定车轮平面2a的转角和叶片4相 对于车轮平面2a的夹角的方法如上述实施例所给出的方法，在此不再展开描述。需要说明 的是，调向控制器15根据确定好的车轮平面2a的转角和叶片4相对于车轮平面2a的夹角，分别向车轮调向设备7和叶片调向设备9输出控制指令。 [0051] 导电轴承16可以从市面直接购置的到，能够实现电流导通。花鼓10套装在轮轴3外，导电轴承16设在花鼓10和轮轴3之间，导电轴承16的内圈相对于轮轴3固定设置，导电轴承16的外圈相对于花鼓10固定设置，使花鼓10可相对于轮轴3转动。 [0052] 叶片调向设备9包括数量与辐条5相同的叶片调向舵机9a，各叶片调向舵机9a设在花鼓10外周壁，围绕花鼓10的中心轴线周向隔开布置，且紧邻对应的辐条5设置，以控制相对应的辐条5上的叶片4与所述车轮平面2a的夹角。如图2和图3所示示出了六个叶片4，对应有六台叶片调向舵机9a，这六台叶片调向舵机9a在花鼓10的轴向中间位置围绕花鼓10的中 心轴线隔开布置，相邻的两台叶片调向舵机9a的夹角为60°。在叶片调向舵机9a的带动下，叶片4相对于车轮平面2a的角度可调。 [0053] 花鼓10上每一叶片调向舵机9a所在的位置设有第一过线孔10a。轮轴3形成有轴向中空腔3a，并贯通轮轴3的一端。轮轴3的周壁设置有与第一过线孔10a相对应的第二过线孔 3b，各第二过线孔3b均与中空腔3a相贯通。 [0054] 第一过线孔10a与其相对应的第二过线孔3b之间设导电轴承16并由导电轴承16封堵，以使每一叶片调向舵机9a的输出线的第一部分能够穿过第一过线孔10a与相应的导电 轴承16电连接，导电轴承16再电连接所述输出线的第二部分，所述输出线的第二部分依次 穿过对应的第二过线孔3b和轮轴3的轴向中空腔3a，与调向控制器15电连接，这样可以保证叶片调向舵机9a的输出线不受车轮2转动的影响。 [0055] 在一个实施例中，所述输出线分别为电源正线9b、信号线9c和地线9d。第一过线孔10a的数量为三个，沿花鼓10的轴向设置，分别供电源正线9b、信号线9c和地线9d的第一部分穿过；相应地，第二过线孔3b的数量为三个，沿轮轴3的周壁轴向设置，分别供电源正线 9b、信号线9c和地线9d的第二部分穿过。这样可以保证叶片调向舵机9a的输出线不受车轮2转动的影响，各叶片调向舵机9a的电源正线9b、信号线9c和地线9d与调向控制器15的针对 叶片调向舵机的电源正线、信号线和地线时刻导通。 [0056] 如图4所示，在一个实施例中，花鼓10上的输出齿轮14由外圈齿轮14a和内圈齿轮14b构成，内圈齿轮14b通过棘轮机构14c与外圈齿轮14a啮合，当车轮2的旋转方向为预设方向一致时，内圈齿轮14b能带动外圈齿轮14a旋转。在花鼓10上增加与输出齿轮14，当车轮2的旋转方向与发电机11可发电的旋转方向一致时，车轮2才能带动此输出齿轮旋转，进而防止车轮2旋转方向错误导致发电机11的输入齿轮反转。 [0057] 如图7所示，在一个实施例中，为了提高发电效率，所述具有风力发电功能的电动自行车还包括增速器17，以提高发电机11的输入转速。为了节省空间，将增速器17与发电机 11固定在与花鼓10上的输出齿轮14位于同侧的所述车梯1上，发电机11的机体固定在车梯1 的外侧，且所述发电机11的输入轴贯穿车梯1，与增速器17的输出齿轮啮合。 [0058] 在一个实施例中，发电机11输出线接入充电设备12，实现对车载蓄电池13的充电。如图1和图8所示，所述充电设备包括整流器18，发电机11产生交流电，需要输入整流器18中整形成直流电，才可向车载蓄电池13充电，也可防止在外界风力很低的情况下车载蓄电池 13对发电机11的反向供电。本实施例采用的是适用于小功率发电系统的不可控型整流器， 该整流器突出特点为体积小成本低。 [0059] 如图1所示，在一个实施例中，为了在不占用由风力转化而来的电能，调向控制器所需的电能由安装在自行车前筐的太阳能电池板21而来，太阳能电池板21与供电模块20相 联，供电模块20由保护电路、充电电路以及蓄电池构成，用于储存太阳能转化而来的电能，并与调向控制器15连接，从而实现对调向控制器15、风向采集设备6、车轮调向设备7和叶片调向设备9的供电。 [0060] 需要说明的是，以上各个实施例都是将风力发电装置设置在前轮，而实际上，也可以根据事实需求将风力发电装置设置在后轮。 [0061] 本发明通过对自行车车轮部分进行创新性设计，在自行车户外闲置情况下实现了风能向电能的转化，为自行车蓄电池充电提供了新的方式，可有效解决自行车车载电子设 备在野外不便供电的问题。 [0062] 最后需要指出的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制。本领域的普通技术人员应当理解：可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本 发明各实施例技术方案的精神和范围。 |
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