基于健身器材的綠色發(fā)電系統(tǒng)

雷宇 周廣義

摘 要：能源是人類社會生存、國民經(jīng)濟發(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)展和社會的進步，人們對自己的生活追求也越來越高，健身已經(jīng)成為現(xiàn)代人們生活中的一部分，大大促進了健身器材的不斷改進和創(chuàng)新。而傳統(tǒng)健身器材并沒有能量回收，現(xiàn)設(shè)計一套基于健身器材的綠色發(fā)電系統(tǒng)，達到健身器材和發(fā)電裝置一體化的效果，使運動的同時可以將機械能轉(zhuǎn)化為電能，以綠色發(fā)電的方式節(jié)約經(jīng)營的成本同時減少環(huán)境的污染。

關(guān)鍵詞：健身；綠色發(fā)電；設(shè)計

中圖分類號：TM61 文獻標志碼：A 文章編號：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)展和社會的進步，人們的生活水平也在不斷提升，手機電腦等高科技產(chǎn)品的使用，使越來越多的人身體處于亞健康狀態(tài)，人們意識到運動能給人們帶來諸多益處。然而，由于外界空氣污染日益嚴重，為了保持良好的身體機能，人們大多愿意選擇在室內(nèi)健身房進行鍛煉，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、力量器械、有氧操、瑜珈等常規(guī)的項目進行鍛煉，多數(shù)人偏愛于跑步機與力量器械。如果我們能夠設(shè)計一套裝置，以消耗卡路里轉(zhuǎn)化為機械能再轉(zhuǎn)化為電能的方式將人體生物能源利用起來，將產(chǎn)生更多的經(jīng)濟效益和社會效益?，F(xiàn)階段火力發(fā)電仍然是我國的主導，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)市場需求分析

2.1 健身產(chǎn)業(yè)發(fā)展趨勢[6]

2014年針對20-69歲人群的調(diào)研發(fā)現(xiàn)，我國經(jīng)常參加體育鍛煉的人群有51%，比2013年提高1.5個百分點。自2009年起，我國經(jīng)常參加體育鍛煉的人數(shù)逐年增加，2014年已達到3.83億人，中國的健身行業(yè)相較鄰國日本、韓國等對比來說還有至少四倍的增長空間。健身房本身面對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)帶來巨大的需求，健身房的數(shù)量也隨之急劇增長，因此未來我們項目的市場非常巨大，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同的道路上，健身房對電能的消耗量也是不容小覷的。一般跑步機的功率是2.5～2.8P的功率，也就是1800～2100W，兩小時的耗電量在3.6～4.2度區(qū)間。普通市區(qū)的一個健身房一般至少有15臺左右的跑步機，工作10小時的耗電量為270～315度電左右，可見其耗電量之高。在跑步機上慢走每半小時消耗熱量75卡，假設(shè)人重60KG，速度為1m/s，則動能為30J輸出的功約每秒鐘做功30J。如果將運動10小時的能量（利用率約40%）收入利用起來將能夠供給大約24臺跑步機運轉(zhuǎn)10小時。

2.3 綠色發(fā)電優(yōu)勢

本裝置能夠有效利用人體運動多余的生物質(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，使健身愛好者有新的健身體驗，激發(fā)顧客的環(huán)保意識?？蓪C械能轉(zhuǎn)化為電能作儲存處理，提高利用率。自由安裝拆卸，不影響健身器材的觀賞性。

本裝置能量來源于人體運動產(chǎn)生的機械能，在人體的健身過程中，將人體消耗的生物能進行有效的收集和利用，并對產(chǎn)生的機械能進行轉(zhuǎn)換，維護簡單，無任何附加成本。

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。人們在健身的同時又為設(shè)備提供了電力，達到了良性循環(huán)。

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

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

本裝置屬于插件，即可以隨時對健身器進行安裝拆卸，而不會對健身器材本身造成任何傷損。其次，該裝置體積不大，不會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

3.1 系統(tǒng)構(gòu)成

為了能將發(fā)電裝置產(chǎn)生的電能儲存起來，讓運動消耗的一部分能量能夠為照明或小功率用電設(shè)備提供能源，本裝置通過傳動裝置、永磁發(fā)電機、二極管、24V的蓄電池等一系列設(shè)備進行儲電處理。

由于人們使用健身器械時的齒輪轉(zhuǎn)速較低，此產(chǎn)品通過減速器傳動裝置，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)并帶動永磁發(fā)電機的轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動，此時發(fā)電機輸出具有一定電壓、頻率脈動的交流電，再經(jīng)過二極管整流橋整流使之變?yōu)殡妷好}動的直流電，電壓脈動的直流電再經(jīng)過濾波裝置和穩(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起來；當用電設(shè)備接入運行時，控制板發(fā)出控制信號，蓄電池向負載進行放電。

3.2 控制模塊設(shè)計

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

3.3 整流穩(wěn)壓模[3]設(shè)計

整流濾波電路的作用是將交流電變換為直流電，設(shè)計了如圖2的電路。

采用橋式整流濾波電路[2]，其優(yōu)點是電容電路簡單，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的儲能能力越大，對減少紋波和維持供電越有利。

3.4 傳遞裝置設(shè)計

3.4.1 傳動裝置對比分析

本文在傳統(tǒng)的皮帶傳動、鏈傳動和齒輪變速裝置[4]基礎(chǔ)上，設(shè)計了綠色發(fā)電系統(tǒng)。傳統(tǒng)的帶傳動有很多缺點，在傳動過載時會出現(xiàn)嚴重的打滑現(xiàn)象，引起帶的過熱甚至變形，同時設(shè)備外形輪廓尺寸較大，帶的壽命較短。相反鏈傳動解決了這些問題，可以保證在兩軸中心相距較遠的情況下傳遞運動和動力；可以在低速、重載、高溫和塵土飛揚等各種不良環(huán)境下仍保證準確的平均傳動比，效率可達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)對健身房健身設(shè)施的實地測量，選擇合適的滾子鏈，參考我國滾子鏈規(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)及傳動比的選擇

由于該裝置屬于低速傳動，根據(jù)市場調(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進行選擇：

由于設(shè)計的鏈速小于表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)電機轉(zhuǎn)速確定傳動比：

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

綠色發(fā)電裝置是指人體的運動過程中，將做工的機械能轉(zhuǎn)換為電能儲存起來，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，使其在競爭中處于領(lǐng)先地位，又響應(yīng)了國家綠色環(huán)保的號召，節(jié)約能源，達到了循環(huán)再利用。這也是我們現(xiàn)代社會發(fā)展非常提倡和鼓勵的節(jié)約方式。

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