雷宇 周廣義

摘 要：能源是人類社會(huì)生存、國(guó)民經(jīng)濟(jì)發(fā)展的必備資源和重要的戰(zhàn)略物資。能源緊缺以及由于能源消費(fèi)而產(chǎn)生的生態(tài)環(huán)境惡化，促使著我們尋求更有效的能源利用手段。隨著科技的發(fā)展和社會(huì)的進(jìn)步，人們對(duì)自己的生活追求也越來(lái)越高，健身已經(jīng)成為現(xiàn)代人們生活中的一部分，大大促進(jìn)了健身器材的不斷改進(jìn)和創(chuàng)新。而傳統(tǒng)健身器材并沒(méi)有能量回收，現(xiàn)設(shè)計(jì)一套基于健身器材的綠色發(fā)電系統(tǒng)，達(dá)到健身器材和發(fā)電裝置一體化的效果，使運(yùn)動(dòng)的同時(shí)可以將機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電能，以綠色發(fā)電的方式節(jié)約經(jīng)營(yíng)的成本同時(shí)減少環(huán)境的污染。

關(guān)鍵詞：健身；綠色發(fā)電；設(shè)計(jì)

中圖分類號(hào)：TM61 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：2095-2945（2018）13-0048-03

Abstract： Energy is an essential resource and an important strategic material for the survival of human society and the development of national economy. The shortage of energy and the deterioration of ecological environment caused by energy consumption urge us to seek more effective means of energy use. With the development of science and technology and the progress of society， people's pursuit of their own life is becoming higher and higher. Fitness has become a part of modern people's life， greatly promoting the continuous improvement and innovation of fitness equipment. But the traditional fitness equipment does not have the energy recovery， now designs a set of green power generation system based on the fitness equipment， achieves the fitness equipment and the power generation device integration effect， causes the movement simultaneously to be able to convert the mechanical energy to the electric energy， reduce the cost of operation and reduce environmental pollution by green power generation.

Keywords： fitness； green power generation； design

1 概述

隨著科技的發(fā)展和社會(huì)的進(jìn)步，人們的生活水平也在不斷提升，手機(jī)電腦等高科技產(chǎn)品的使用，使越來(lái)越多的人身體處于亞健康狀態(tài)，人們意識(shí)到運(yùn)動(dòng)能給人們帶來(lái)諸多益處。然而，由于外界空氣污染日益嚴(yán)重，為了保持良好的身體機(jī)能，人們大多愿意選擇在室內(nèi)健身房進(jìn)行鍛煉，但是根據(jù)調(diào)查顯示，在健身房鍛煉的人群主要是利用跑步機(jī)、力量器械、有氧操、瑜珈等常規(guī)的項(xiàng)目進(jìn)行鍛煉，多數(shù)人偏愛(ài)于跑步機(jī)與力量器械。如果我們能夠設(shè)計(jì)一套裝置，以消耗卡路里轉(zhuǎn)化為機(jī)械能再轉(zhuǎn)化為電能的方式將人體生物能源利用起來(lái)，將產(chǎn)生更多的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益?，F(xiàn)階段火力發(fā)電仍然是我國(guó)的主導(dǎo)，節(jié)約所使用的電能也就是減少了二氧化碳的排放。

2 綠色發(fā)電系統(tǒng)市場(chǎng)需求分析

2.1 健身產(chǎn)業(yè)發(fā)展趨勢(shì)[6]

2014年針對(duì)20-69歲人群的調(diào)研發(fā)現(xiàn)，我國(guó)經(jīng)常參加體育鍛煉的人群有51%，比2013年提高1.5個(gè)百分點(diǎn)。自2009年起，我國(guó)經(jīng)常參加體育鍛煉的人數(shù)逐年增加，2014年已達(dá)到3.83億人，中國(guó)的健身行業(yè)相較鄰國(guó)日本、韓國(guó)等對(duì)比來(lái)說(shuō)還有至少四倍的增長(zhǎng)空間。健身房本身面對(duì)的就是老少皆宜的廣大群眾，而龐大的健身人口為健身行業(yè)帶來(lái)巨大的需求，健身房的數(shù)量也隨之急劇增長(zhǎng)，因此未來(lái)我們項(xiàng)目的市場(chǎng)非常巨大，可行性極高。

2.2 健身房能耗分析

在健身房逐漸被人們所認(rèn)同的道路上，健身房對(duì)電能的消耗量也是不容小覷的。一般跑步機(jī)的功率是2.5～2.8P的功率，也就是1800～2100W，兩小時(shí)的耗電量在3.6～4.2度區(qū)間。普通市區(qū)的一個(gè)健身房一般至少有15臺(tái)左右的跑步機(jī)，工作10小時(shí)的耗電量為270～315度電左右，可見(jiàn)其耗電量之高。在跑步機(jī)上慢走每半小時(shí)消耗熱量75卡，假設(shè)人重60KG，速度為1m/s，則動(dòng)能為30J輸出的功約每秒鐘做功30J。如果將運(yùn)動(dòng)10小時(shí)的能量（利用率約40%）收入利用起來(lái)將能夠供給大約24臺(tái)跑步機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)10小時(shí)。

2.3 綠色發(fā)電優(yōu)勢(shì)

本裝置能夠有效利用人體運(yùn)動(dòng)多余的生物質(zhì)能，使其產(chǎn)生的電能不僅僅適用于用電健身器材，還能用于照明或小功率用電設(shè)備，使健身愛(ài)好者有新的健身體驗(yàn)，激發(fā)顧客的環(huán)保意識(shí)。可將機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電能作儲(chǔ)存處理，提高利用率。自由安裝拆卸，不影響健身器材的觀賞性。

本裝置能量來(lái)源于人體運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的機(jī)械能，在人體的健身過(guò)程中，將人體消耗的生物能進(jìn)行有效的收集和利用，并對(duì)產(chǎn)生的機(jī)械能進(jìn)行轉(zhuǎn)換，維護(hù)簡(jiǎn)單，無(wú)任何附加成本。

與傳統(tǒng)健身器材相比較，利用該裝置設(shè)備，可使其產(chǎn)生的電能不僅僅適用于用電健身器材，還能用于照明或小功率用電設(shè)備。人們?cè)诮∩淼耐瑫r(shí)又為設(shè)備提供了電力，達(dá)到了良性循環(huán)。

在用戶體驗(yàn)的方面上，綠色發(fā)電裝置[1]產(chǎn)生電量的多少與健身者鍛煉的強(qiáng)度和鍛煉的時(shí)間有關(guān)，可以直觀的看出自己運(yùn)動(dòng)量的多少，提高他們的積極性，令健身愛(ài)好者有新的健身體驗(yàn)，同時(shí)減少能源的消耗和不必要的環(huán)境污染，符合國(guó)家保護(hù)環(huán)境的方針。既能做到節(jié)能減排又能做到耗能回收，還能幫助人們強(qiáng)健體魄。

將機(jī)械能轉(zhuǎn)換為電能儲(chǔ)存起來(lái)，相比傳統(tǒng)水力發(fā)電機(jī)、火力發(fā)電機(jī)，本裝置省卻了中間的機(jī)械能轉(zhuǎn)換過(guò)程，提高了能量的利用率。經(jīng)過(guò)反復(fù)試驗(yàn)，人體正常的健身工作的一小時(shí)，可用于日常小功率照明7～8小時(shí)。

本裝置屬于插件，即可以隨時(shí)對(duì)健身器進(jìn)行安裝拆卸，而不會(huì)對(duì)健身器材本身造成任何傷損。其次，該裝置體積不大，不會(huì)影響健身器材本身的美觀。

3 基于健身器材的綠色發(fā)電系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.1 系統(tǒng)構(gòu)成

為了能將發(fā)電裝置產(chǎn)生的電能儲(chǔ)存起來(lái)，讓運(yùn)動(dòng)消耗的一部分能量能夠?yàn)檎彰骰蛐」β视秒娫O(shè)備提供能源，本裝置通過(guò)傳動(dòng)裝置、永磁發(fā)電機(jī)、二極管、24V的蓄電池等一系列設(shè)備進(jìn)行儲(chǔ)電處理。

由于人們使用健身器械時(shí)的齒輪轉(zhuǎn)速較低，此產(chǎn)品通過(guò)減速器傳動(dòng)裝置，將低轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)變?yōu)楦咿D(zhuǎn)速，轉(zhuǎn)速提高到一定的倍數(shù)并帶動(dòng)永磁發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)，此時(shí)發(fā)電機(jī)輸出具有一定電壓、頻率脈動(dòng)的交流電，再經(jīng)過(guò)二極管整流橋整流使之變?yōu)殡妷好}動(dòng)的直流電，電壓脈動(dòng)的直流電再經(jīng)過(guò)濾波裝置和穩(wěn)壓裝置，得以輸出穩(wěn)定幅值的直流電壓，再接于24V的蓄電池將電能存儲(chǔ)起來(lái)；當(dāng)用電設(shè)備接入運(yùn)行時(shí)，控制板發(fā)出控制信號(hào)，蓄電池向負(fù)載進(jìn)行放電。

3.2 控制模塊設(shè)計(jì)

由于發(fā)電機(jī)[1]提供的電源頻率波形并不是理想的正弦波，電壓波動(dòng)、頻率波動(dòng)、波形畸形和瞬時(shí)停電等情況都可能使對(duì)電流敏感的設(shè)備停止運(yùn)行，同時(shí)電壓尖脈沖極可能會(huì)損壞設(shè)備中的原件。因此需要中斷控制電路對(duì)其進(jìn)行控制，本裝置利用Arduino單片機(jī)控制電路主芯片對(duì)電流的有無(wú)進(jìn)行高低電平的設(shè)置，最終得以實(shí)現(xiàn)電路的通斷控制。當(dāng)外設(shè)判斷到發(fā)電設(shè)備停止運(yùn)作時(shí)，告知中斷控制器，切斷電路，以保證當(dāng)設(shè)備因停止運(yùn)作而斷電時(shí)，使整個(gè)電路斷開(kāi)，防止蓄電池電流的回流，以保證蓄電池工作的獨(dú)立性。

3.3 整流穩(wěn)壓模[3]設(shè)計(jì)

整流濾波電路的作用是將交流電變換為直流電，設(shè)計(jì)了如圖2的電路。

采用橋式整流濾波電路[2]，其優(yōu)點(diǎn)是電容電路簡(jiǎn)單，可輸出較高電壓，紋波電壓較小，管子所承受的最大反向電壓較低。

穩(wěn)壓斬波電路[5]的作用是將電壓幅值在一定范圍內(nèi)變化的直流電通過(guò)周期性的斬波變?yōu)榉倒潭妷旱闹绷麟?。在圖3的電路中的電容器C可減少輸出電壓中的紋波。C的儲(chǔ)能能力越大，對(duì)減少紋波和維持供電越有利。

3.4 傳遞裝置設(shè)計(jì)

3.4.1 傳動(dòng)裝置對(duì)比分析

本文在傳統(tǒng)的皮帶傳動(dòng)、鏈傳動(dòng)和齒輪變速裝置[4]基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了綠色發(fā)電系統(tǒng)。傳統(tǒng)的帶傳動(dòng)有很多缺點(diǎn)，在傳動(dòng)過(guò)載時(shí)會(huì)出現(xiàn)嚴(yán)重的打滑現(xiàn)象，引起帶的過(guò)熱甚至變形，同時(shí)設(shè)備外形輪廓尺寸較大，帶的壽命較短。相反鏈傳動(dòng)解決了這些問(wèn)題，可以保證在兩軸中心相距較遠(yuǎn)的情況下傳遞運(yùn)動(dòng)和動(dòng)力；可以在低速、重載、高溫和塵土飛揚(yáng)等各種不良環(huán)境下仍保證準(zhǔn)確的平均傳動(dòng)比，效率可達(dá)0.95～0.97，且作用在軸和軸承上的力較小。

3.4.2 鏈條的選擇

根據(jù)對(duì)健身房健身設(shè)施的實(shí)地測(cè)量，選擇合適的滾子鏈，參考我國(guó)滾子鏈規(guī)格和主要參數(shù)，選擇08A型滾子單排鏈，得節(jié)距12.7，滾子直徑7.92。

3.4.3 鏈齒數(shù)及傳動(dòng)比的選擇

由于該裝置屬于低速傳動(dòng)，根據(jù)市場(chǎng)調(diào)研和查閱資料，假設(shè)選取小鏈輪齒數(shù)Z=14，選擇節(jié)距P=12.70mm，發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速n=180r/min，則小鏈輪的角速度：

所以所選鏈條的線速度：

小鏈輪齒數(shù)為保證精度和剛度根據(jù)鏈速選擇，可根據(jù)表2進(jìn)行選擇：

由于設(shè)計(jì)的鏈速小于表1中的最小鏈速0.6m/s，因此可以選擇小齒數(shù)Z=14。

根據(jù)發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速確定傳動(dòng)比：

所以大齒輪齒數(shù)：Z0=z×i=45.808，因此選取大鏈輪齒數(shù)Z0=46。

利用公式計(jì)算齒輪分度圓的直徑：

d=p/sin（180°/z）

小齒輪分度圓直徑為57.07mm，圓整為58mm，則大齒輪分度圓直徑為186.1mm，圓整為187mm。

4 結(jié)束語(yǔ)

綠色發(fā)電裝置是指人體的運(yùn)動(dòng)過(guò)程中，將做工的機(jī)械能轉(zhuǎn)換為電能儲(chǔ)存起來(lái)，供人們?nèi)粘Ｋ栌兄鴾p少二氧化碳排放的功效。將人體消耗的生物質(zhì)能進(jìn)行有效的收集和利用，既提高了健身房的管理形象，使其在競(jìng)爭(zhēng)中處于領(lǐng)先地位，又響應(yīng)了國(guó)家綠色環(huán)保的號(hào)召，節(jié)約能源，達(dá)到了循環(huán)再利用。這也是我們現(xiàn)代社會(huì)發(fā)展非常提倡和鼓勵(lì)的節(jié)約方式。

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