一種基于上下往復(fù)式健身設(shè)備的分布式發(fā)電系統(tǒng)設(shè)計(jì)

張宇，張行，史良宵，林灝凡，郝美娟，耿江華，季志遠(yuǎn)

(華北電力大學(xué) a.電力與電子工程學(xué)院;b.能源動(dòng)力與機(jī)械工程學(xué)院;c.控制與計(jì)算機(jī)工程學(xué)院，河北 保定 071000)

0 引言

目前，全民健身已經(jīng)成為一種潮流，各種各樣的健身設(shè)備應(yīng)運(yùn)而生，如果把健身的能量儲(chǔ)存起來是非?？捎^的。國內(nèi)、外已有一些公司研制出了可發(fā)電的健身設(shè)備，但目前這種技術(shù)僅僅是把健身設(shè)備與發(fā)電設(shè)備結(jié)合起來做成一個(gè)整體，其成本非常高，普通的以盈利為目的的健身房難以接受，而且將現(xiàn)有健身設(shè)備更換為這些新型可發(fā)電健身設(shè)備需要很長的周期。從技術(shù)上說，這些發(fā)電裝置都是在圓周運(yùn)動(dòng)的健身設(shè)備上進(jìn)行改進(jìn)，比如有氧自行車、橢圓機(jī)等，而更具普遍性的健身設(shè)備是利用重物的重量進(jìn)行上下往復(fù)運(yùn)動(dòng)，現(xiàn)在尚沒有發(fā)電裝置可以利用這類健身設(shè)備發(fā)電。目前，大多數(shù)健身房都已初具規(guī)模，原來投入的健身設(shè)備很多，將其全部更新為新型可發(fā)電設(shè)備會(huì)造成原有設(shè)備的巨大浪費(fèi)。如果能夠開發(fā)一種健身房專用的發(fā)電裝置，在不影響原有健身設(shè)備正常工作的前提下，利用人們健身的能量來發(fā)電，必能在節(jié)省投資的同時(shí)，有效減少能源的浪費(fèi)。本文介紹的分布式發(fā)電裝置突破了這一技術(shù)難關(guān)，利用上下往復(fù)式健身設(shè)備發(fā)電并使健身設(shè)備與發(fā)電設(shè)備相互獨(dú)立。

1 可行性分析

(1)該裝置獨(dú)立于原有健身設(shè)備，不會(huì)影響其正常工作，只要將其中一個(gè)靠近地面的定滑輪換為箱體外面的定滑輪即可。

(2)利用健身設(shè)備發(fā)電，符合節(jié)能減排的要求，發(fā)出的電可供健身房照明或用于其他用途。

(3)機(jī)械傳動(dòng)裝置零件標(biāo)準(zhǔn)化，箱體設(shè)計(jì)專業(yè)化，利于大規(guī)模生產(chǎn)，可大大降低成本。

(4)裝置成本低，成本回收周期短，健身房樂于接受。

(5)符合GB 50189—2005《公共建筑節(jié)能設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》，通用性強(qiáng)。

(6)降低健身房成本，為健身房贏取更多利潤。

2 設(shè)計(jì)方案

總體設(shè)計(jì)方案如圖1所示。

圖1 總體設(shè)計(jì)方案圖

2.1 機(jī)械傳動(dòng)部分

機(jī)械傳動(dòng)機(jī)構(gòu)包括:3個(gè)棘輪齒輪①，⑤，④;2個(gè)棘輪皮帶輪⑧，⑩;1個(gè)定滑輪⑨;4根軸;1個(gè)永磁交流發(fā)電機(jī);8個(gè)軸承;箱體;皮帶輪⑦;3個(gè)齒輪②，③，⑥。圖2為機(jī)械傳動(dòng)圖。

假設(shè)滑輪順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)，此時(shí)只有棘輪齒輪①轉(zhuǎn)動(dòng)，而棘輪齒輪⑤不轉(zhuǎn)，齒輪②逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)，齒輪③逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)，齒輪④順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)，帶動(dòng)軸順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)，而棘輪皮帶輪⑧不轉(zhuǎn)，軸帶動(dòng)棘輪皮帶輪⑩順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)，帶動(dòng)發(fā)電機(jī)順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng);當(dāng)滑輪逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，棘輪齒輪⑤轉(zhuǎn)動(dòng)，而棘輪齒輪①不轉(zhuǎn)，此時(shí)齒輪⑥順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)，皮帶輪⑦順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)，帶動(dòng)棘輪皮帶輪⑧順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)，帶動(dòng)軸順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)，棘輪齒輪④不轉(zhuǎn)，軸帶動(dòng)棘輪皮帶輪⑩順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)，帶動(dòng)發(fā)電機(jī)順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)。

圖2 機(jī)械傳動(dòng)圖

2.2 設(shè)計(jì)原理

圖中各齒輪的模數(shù)取相同的值，所以，傳動(dòng)比就是分度圓直徑之比;同理，各皮帶輪計(jì)算時(shí)取有效直徑，在計(jì)算力的過程中，則統(tǒng)一采用這些直徑對應(yīng)的半徑來計(jì)算。設(shè)圖中各輪的有效半徑分別為r1，r2，r3，r4，r5，r6，r7，r8，r9，r10，r11，考慮到實(shí)際情況，設(shè)計(jì)舒張過程中和拉伸過程中的傳動(dòng)比不相同，設(shè)舒張時(shí)發(fā)電機(jī)的穩(wěn)定轉(zhuǎn)速為n，拉伸過程中發(fā)電機(jī)的穩(wěn)定轉(zhuǎn)速為nN。以下各計(jì)算均以強(qiáng)臂機(jī)為例。

(1)所需最小重物質(zhì)量的計(jì)算。最小重物質(zhì)量mmin的定義:在不違反人們健身習(xí)慣的情況下，保證人的手臂從收縮狀態(tài)能夠以正常的速度回到舒展?fàn)顟B(tài)所需重物的最小質(zhì)量。此最小重物需要克服返回過程中電機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩以及摩擦阻力，穩(wěn)定時(shí)重物保持一定速度下降

通過上式可以計(jì)算出最小重物的質(zhì)量，并且可以根據(jù)實(shí)際情況校驗(yàn)上述假設(shè)轉(zhuǎn)速n是否合理，從而選擇合適的傳動(dòng)比。

(2)人所需最大拉力的計(jì)算(帶正常重物m時(shí))

式中:TM為拉伸過程中轉(zhuǎn)速穩(wěn)定時(shí)的電磁制動(dòng)轉(zhuǎn)矩;FW為發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速穩(wěn)定時(shí)人的拉力。

設(shè)計(jì)過程中應(yīng)選擇合適的半徑，并且選擇質(zhì)輕的材料制作滑輪，盡量使變速箱有合適的傳動(dòng)比，不至于開始時(shí)用的力和穩(wěn)定時(shí)用的力相差太大;應(yīng)根據(jù)實(shí)際力量的大小選擇額定功率合適的發(fā)電機(jī)，變速箱制作過程中盡量使各部分的摩擦力降到最小，使上述變速箱有較高的工作效率。

3 電氣控制

3.1 發(fā)電機(jī)的選擇

由于該發(fā)電裝置并不是每時(shí)每刻都在工作，故采用類似大型發(fā)電廠的傳統(tǒng)電流勵(lì)磁方式，需要額外的勵(lì)磁電流，并且對其控制也很復(fù)雜?？紤]到該裝置發(fā)電功率并不是很大，容量較小，最終選用了小容量永磁式單相交流發(fā)電機(jī)。這樣一來，一方面可以不用關(guān)注發(fā)電機(jī)內(nèi)部建立磁場的情況;另一方面，對于發(fā)電機(jī)輸出的單相交流電也容易控制。

3.2 整流穩(wěn)壓部分原理

由于永磁式單相交流發(fā)電機(jī)輸出的電壓電流波形與發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速緊密相連，而轉(zhuǎn)速在一定范圍內(nèi)波動(dòng)，因此，電壓和電流的幅值和頻率的變化都是不規(guī)律的。鑒于此，可采用整流、穩(wěn)壓效果非常好的高精細(xì)復(fù)合管整流穩(wěn)壓電路。在穩(wěn)壓電路中，負(fù)載電流Ifz要流過調(diào)整管，輸出大電流的電源必須使用大功率的調(diào)整管，這就要求有足夠大的電流供給調(diào)整管的基極，而一般的比較放大電路輸出的電流達(dá)不到此值;另一方面，調(diào)整管需要有較高的電流放大倍數(shù)才能有效地提高穩(wěn)壓性能，但大功率管電流放大倍數(shù)一般都不高。解決辦法是給原有的調(diào)整管再配上一個(gè)或幾個(gè)管，組成復(fù)合管，穩(wěn)壓電源電路如圖3所示。

圖3 整流穩(wěn)壓電路

圖3中，用復(fù)合管做調(diào)整管時(shí)，BG2的反向電流Iceo2將被放大，尤其是采用大功率管時(shí)，反向截止電流Icbo比較大并隨溫度增高按指數(shù)增加，很容易造成高溫空載時(shí)穩(wěn)壓電源的失控，使輸出電壓Uo增大。誤差信號ΔUo經(jīng)放大加到BG2的基極來減少Iceo2，可能迫使BG2截止。為了使調(diào)整管在不同溫度下都工作在放大區(qū)，常在BG1的基極上加電阻R7，接到電源的正極或負(fù)極上。當(dāng)溫度或負(fù)載變化不大或全用硅管時(shí)，可不加這個(gè)電阻。R7的阻值可近似由下式?jīng)Q定:

接負(fù)極時(shí)

接正極時(shí)

式中:Usc為電路的輸出電壓;Ube1為1管基極和發(fā)射極間的電壓;Icbo1為指定的1管的反向截止電流。

發(fā)電機(jī)發(fā)的是幅值和頻率均變化的交流電，經(jīng)過如圖3所示的電路中的單相橋后整流為直流電。直流電經(jīng)過電感L和電容C濾波之后得到較為平穩(wěn)的電壓波形，再經(jīng)過調(diào)整管BG1，BG2進(jìn)行兩級放大后，經(jīng)由穩(wěn)壓管DW實(shí)現(xiàn)穩(wěn)壓的目的，其整流穩(wěn)壓過程如圖4所示。

3.3 充電電路

3.3.1 電路原理

充電電路原理圖如圖5所示，當(dāng)輸出端按正確極性接入設(shè)定的充電瓶后，若輸出電壓超過電瓶的輸出電壓，則可控硅SCR經(jīng)可調(diào)節(jié)晶體管Q的集電極電流觸發(fā)導(dǎo)通，電流經(jīng)可控硅給電瓶充電。當(dāng)電壓接近電瓶電壓時(shí)，可控硅關(guān)斷，停止充電。調(diào)節(jié)R4，可調(diào)節(jié)晶體管Q的導(dǎo)通電壓，一般可將R4由大到小調(diào)整到Q導(dǎo)通能觸發(fā)可控硅(導(dǎo)通)即可。圖中發(fā)光管D1用作電源指示，而D2用作充電指示。

3.3.2 元件選擇

可控硅可用10A/100V金封單向可控硅。觸發(fā)三極管Q的參數(shù)為Uceo≥60 V，最大穩(wěn)定工作電流IM=1 A，可選用 2SB536，B564，B1008，B1015 或2SA684，A720等管子。R6用作限流保護(hù)，若變壓器次級輸出電壓合適，充電電流(平均值)不超過1.5 A，該電阻亦可省去不用。

該充電器若用于其他電壓的蓄電池充電(如24 V等)，則可適當(dāng)增加R2和R5的阻值，也可用波段開關(guān)控制阻值轉(zhuǎn)換，使該充電器有更大的使用范圍。

3.4 蓄電池

節(jié)能減排的宗旨就是要節(jié)約物質(zhì)資源和能量資源，減少廢棄物和環(huán)境有害物(包括三廢和噪聲)的排放;狹義而言，節(jié)能減排是指節(jié)約能源和減少環(huán)境有害物排放。因此，當(dāng)選用蓄電池的時(shí)，也盡量從這個(gè)角度出發(fā)。

圖5 充電電路原理圖

蓄電池的種類主要有鉛酸蓄電池、膠體蓄電池、鎳氫蓄電池、鋰離子蓄電池、鎳鎘電池、鈉硫蓄電池、鎳鋅蓄電池和鋅空氣蓄電池。其中，鉛酸蓄電池可靠性好、原材料易得、價(jià)格便宜，是應(yīng)用程度最高的蓄電池之一，但它的比能量低、質(zhì)量和體積太大、一次充電行程較短、使用壽命短、使用成本過高。膠體蓄電池是對普通鉛酸蓄電池的改進(jìn)，用膠體電解液代換了硫酸電解液，在安全性、蓄電量、放電性能和使用壽命等方面較普通鉛酸電池有所改善;另外，膠體蓄電池具有承受長時(shí)間放電能力、循環(huán)放電能力、深度放電及大電流放電能力、過充電及過放電自我保護(hù)能力等優(yōu)點(diǎn)，維護(hù)量小、性價(jià)比高，適用于供電不穩(wěn)定的環(huán)境，是最理想的用于循環(huán)使用的電池。從節(jié)約能源的角度出發(fā)，它比一般蓄電池的蓄電量大;從減少環(huán)境有害物排放的角度出發(fā)，它不會(huì)出現(xiàn)漏液、滲液等現(xiàn)象，逸氣量小，對環(huán)境危害很小;從經(jīng)濟(jì)角度考慮，其性價(jià)比相對較高，成本回收周期較短。所以，經(jīng)過長時(shí)間的調(diào)查研究，決定選用膠體蓄電池作為該裝置的蓄電設(shè)備。

4 試驗(yàn)數(shù)據(jù)

本文以強(qiáng)臂機(jī)為例，對該裝置進(jìn)行試驗(yàn)。選定強(qiáng)臂機(jī)上一定滑輪，用裝置上的定滑輪⑨替換它，將箱體的位置擺放好，人為拉動(dòng)強(qiáng)臂機(jī)進(jìn)行鍛煉。

圖4 整流穩(wěn)壓圖

4.1 最小重物的試驗(yàn)數(shù)據(jù)

在健身設(shè)備上按5 kg的質(zhì)量梯度加以試驗(yàn)，直到找到能使設(shè)備可靠返回的最小質(zhì)量為35.00 kg。按理論計(jì)算式計(jì)算的最小重物質(zhì)量為31.56 kg，與試驗(yàn)值很接近。該最小重物的質(zhì)量對于健身者來說完全可以勝任，說明該裝置具有可行性。

4.2 電氣部分試驗(yàn)數(shù)據(jù)

在發(fā)電機(jī)機(jī)端并聯(lián)直流電壓表，在發(fā)電機(jī)與蓄電池的回路中串聯(lián)直流電流表。當(dāng)人健身時(shí)，讀取電壓表和電流表的數(shù)值，這2個(gè)值會(huì)分別在某一值的附近波動(dòng)，但波動(dòng)范圍不是很大，記錄人運(yùn)動(dòng)1個(gè)周期的數(shù)據(jù)，見表1。

表1 運(yùn)動(dòng)1個(gè)周期的數(shù)據(jù)

考慮到人手臂收縮和舒張的時(shí)間都很短(大約1.5 s)，而且兩者的差異不是很大，近似認(rèn)為其時(shí)間是相等的。因此，運(yùn)動(dòng)1個(gè)周期的平均功率為(252.18+163.73)/2=207.96(W)。計(jì)及電能從存儲(chǔ)進(jìn)蓄電池到蓄電池釋放電能過程中的損耗，本文取平均功率為200 W。

5 效益分析

5.1 經(jīng)濟(jì)效益分析

假設(shè)在一個(gè)有10臺(tái)上下力量訓(xùn)練器的小型健身房安裝該裝置，健身房每天運(yùn)營時(shí)間為12 h，每臺(tái)裝置平均每天的使用時(shí)間為10 h且每天均處于額定運(yùn)行狀態(tài)，節(jié)電數(shù)據(jù)見表2。

表2 節(jié)電數(shù)據(jù)

對于擁有10臺(tái)上下訓(xùn)練器的健身房，年發(fā)電量基本可實(shí)現(xiàn)自供電照明，成為“綠色健身房”。每臺(tái)裝置的成本見表3，由表3可知，成本回收周期為738/(2×0.6)=615(d)，合1.68年。

5.2 工業(yè)效益分析

相對于火力發(fā)電廠，該裝置發(fā)電無污染物產(chǎn)生，為綠色發(fā)電。下面將以火電廠為例，介紹該裝置所帶來的工業(yè)效益。

表3 裝置成本

根據(jù)有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，發(fā)1 kW·h的電需要消耗300 g標(biāo)準(zhǔn)煤，那么對于擁有10臺(tái)上下訓(xùn)練器的健身房，每年可節(jié)約煤耗2.19 t，這部分煤用于發(fā)電所產(chǎn)生污染物的數(shù)據(jù)見表4。

表4 2.19 t煤用于發(fā)電所產(chǎn)生的污染物 t

該發(fā)電裝置不產(chǎn)生任何有害物質(zhì)，一定程度上減少了電廠污染物的排放。

6 結(jié)論

該裝置的典型特征是能夠?qū)㈦p向輸入轉(zhuǎn)化為單向輸出，不論選定的定滑輪替代品做正方向或反方向轉(zhuǎn)動(dòng)，都能夠通過棘輪機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)向一致的終端輸出，并通過齒輪組的提速使終端輸出高轉(zhuǎn)速，進(jìn)而帶動(dòng)發(fā)電機(jī)發(fā)電，最終達(dá)到了利用往復(fù)式運(yùn)動(dòng)健身設(shè)備來發(fā)電的目的，符合節(jié)能減排的要求。通過試驗(yàn)數(shù)據(jù)的分析，最小重物的質(zhì)量對于健身者來說完全可以勝任，說明裝置有很強(qiáng)的可行性。發(fā)電機(jī)平均發(fā)電功率為200 W，每臺(tái)設(shè)備的投資收回周期為1.68年。從工業(yè)效益上分析，有效減少了煤燃燒時(shí)污染物的排放，能夠滿足節(jié)能減排的要求。

該裝置突破相關(guān)領(lǐng)域的技術(shù)難關(guān)，使利用健身房中的大多數(shù)設(shè)備進(jìn)行發(fā)電的夢想成為可能，有利于建設(shè)資源節(jié)約型、環(huán)境友好型社會(huì)，踐行科學(xué)發(fā)展觀，符合節(jié)能減排的要求，應(yīng)用前景十分廣闊。

［1］陳乃力.理論力學(xué)［M］.4版.北京:高等教育出版社，2009.

［2］成大先.機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(第1卷)［M］.5版.北京:化學(xué)工業(yè)出版社，2008.

［3］張學(xué)義.永磁發(fā)電機(jī)三相半控橋式整流穩(wěn)壓器的研制［J］.電機(jī)與控制應(yīng)用，2006，33(4):59 －60.