一種基于健身運(yùn)動(dòng)能量轉(zhuǎn)換的水能供電裝置設(shè)計(jì)

劉小妮，董跟緯，王 茜，張楊楊，吳嘯骎，周 婷

(安徽農(nóng)業(yè)大學(xué) 水利工程系，安徽 合肥 230036)

1 引言

隨著經(jīng)濟(jì)社會(huì)的快速發(fā)展，人們對(duì)能源的需求日益增加。目前，煤炭、水能、風(fēng)能、核能等均為大型供電裝置，而日常生活中的小型分散式的發(fā)電裝置尚不多見(jiàn)。近年來(lái)，隨著人們對(duì)健康的重視，健身成為人們休閑減壓的重要方式，全民健身活動(dòng)逐漸普及，健身房能耗與健身產(chǎn)業(yè)的需求急劇增加[1]，因此，研究基于健身器材的綠色發(fā)電裝置具有重要的理論價(jià)值和實(shí)際意義。

國(guó)內(nèi)外眾多學(xué)者就健身發(fā)電與提高能源利用率等方面進(jìn)行了大量研究?，F(xiàn)有健身發(fā)電器材包括腳踏式健身自行車[2，3]、發(fā)電健身車[4]、手搖式健身器材[5]、發(fā)電式跑步機(jī)[6]、圓周或圓弧運(yùn)動(dòng)類健身器材[7]等。周以寧等[8]將永磁發(fā)電機(jī)與蓄電池相結(jié)合，設(shè)計(jì)了能量可再生的健身自行車；李式林[9]研究設(shè)計(jì)了一種適用于一般水龍頭和雨水排放管路的家用小型水力發(fā)電機(jī)，提高了水能的利用率；于佳鑫等[10]研發(fā)適用于建筑物頂部的雨水分段蓄能發(fā)電系統(tǒng)，并通過(guò)物理模型實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證了雨水蓄能發(fā)電的可行性；周浩等[11]利用人體踏走的動(dòng)能研發(fā)了壓電發(fā)電裝置，用于儲(chǔ)存能量。以上健身發(fā)電設(shè)計(jì)主要針對(duì)于特定的健身器材特點(diǎn)開(kāi)展研究，對(duì)發(fā)電健身器材的形狀、尺寸、大小以及機(jī)械結(jié)構(gòu)要求較高，無(wú)法兼容至多種健身器材上，降低了發(fā)電器材的推廣性。在健身發(fā)電與能量利用率方面，健身發(fā)電器材與微小型水力發(fā)電技術(shù)的應(yīng)用仍存在因健身方式與運(yùn)動(dòng)強(qiáng)度不同導(dǎo)致產(chǎn)生的電能較小，發(fā)電不連續(xù)不穩(wěn)定的問(wèn)題，少量且不連續(xù)的水流無(wú)法推動(dòng)小型水輪機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)，能量循環(huán)利用效率較低，導(dǎo)致開(kāi)發(fā)利用小型水力發(fā)電裝置并將其應(yīng)用于健身器材的研究較少。針對(duì)以上問(wèn)題，本文設(shè)計(jì)了基于健身運(yùn)動(dòng)能量轉(zhuǎn)換的水能供電裝置，其借助健身器材輸出力的方式，運(yùn)用負(fù)壓原理、水力發(fā)電原理與水體勢(shì)能儲(chǔ)能原理，收集健身運(yùn)動(dòng)過(guò)程中的零散能量，將健身做功產(chǎn)生的機(jī)械能轉(zhuǎn)化為水體勢(shì)能，實(shí)現(xiàn)集水蓄能，循環(huán)連續(xù)供電的功能。同時(shí)，本裝置適用于各類橫向或豎向拉力的健身器材，便于在健身器材安裝，且不影響使用者的健身體驗(yàn)與健身器材的整體美觀。

2 基于健身運(yùn)動(dòng)能量轉(zhuǎn)換的水能供電裝置設(shè)計(jì)

2.1 系統(tǒng)構(gòu)成

本裝置結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)如圖1所示。

圖1 水能供電裝置設(shè)計(jì)

由圖1可見(jiàn)，水能供電裝置由健身做功、機(jī)械做功與水力發(fā)電3個(gè)模塊構(gòu)成。根據(jù)健身器材運(yùn)動(dòng)輸出力的特點(diǎn)，健身運(yùn)動(dòng)主要分為施加橫向和豎向拉力的簡(jiǎn)單機(jī)械運(yùn)動(dòng)。由健身運(yùn)動(dòng)施加的拉力促使杠桿帶動(dòng)活塞在單向閥中進(jìn)行上下往復(fù)運(yùn)動(dòng)，運(yùn)動(dòng)過(guò)程產(chǎn)生的壓強(qiáng)差使容器內(nèi)形成真空，致使水流進(jìn)入蓄水池，另外，水有一定的密封作用，吸入水后的單向閥密封效果更好，能進(jìn)一步提高抽水工作效率，完成機(jī)械能向水體勢(shì)能的轉(zhuǎn)化。待蓄水池水位上升至預(yù)設(shè)高度時(shí)，水位檢測(cè)裝置自動(dòng)控制閥門的啟閉，使水流均勻穩(wěn)定地沖擊水輪機(jī)旋轉(zhuǎn)，進(jìn)而將水體勢(shì)能轉(zhuǎn)換為電能，形成小型的水能供電與能量轉(zhuǎn)換系統(tǒng)。通過(guò)簡(jiǎn)單的機(jī)械運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)蓄水積能與能量轉(zhuǎn)換，進(jìn)一步提高發(fā)電效率和均勻儲(chǔ)存電能的能力。其中，結(jié)構(gòu)①滑輪的作用在于改變施加力的方向，便于適用于多種產(chǎn)生力的健身器材。通過(guò)健身者提供的力做功，利用結(jié)構(gòu)②的杠桿原理帶動(dòng)結(jié)構(gòu)③進(jìn)行上下往復(fù)運(yùn)動(dòng)，轉(zhuǎn)換為機(jī)械做功。機(jī)械做功模塊基于負(fù)壓原理將結(jié)構(gòu)④中的水不斷儲(chǔ)存于結(jié)構(gòu)⑥中，完成集水蓄能的過(guò)程。再由結(jié)構(gòu)⑦實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)水位變化，并控制結(jié)構(gòu)⑧釋放具有一定勢(shì)能的水流沖擊結(jié)構(gòu)⑨運(yùn)轉(zhuǎn)并產(chǎn)生電能，保證水力發(fā)電模塊的正常運(yùn)行，以實(shí)現(xiàn)連續(xù)蓄水、均勻發(fā)電與能量轉(zhuǎn)換。

2.2 裝置工作原理

本裝置主要是利用水力發(fā)電原理、杠桿原理與負(fù)壓原理，將人們健身運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的能量加以收集利用，轉(zhuǎn)換成可利用電能。裝置各部分工作原理具體分析如下。

2.2.1 水力發(fā)電原理

水力發(fā)電是利用水位差，借助水輪推動(dòng)發(fā)電機(jī)，將水的勢(shì)能轉(zhuǎn)化為電能的過(guò)程。水力發(fā)電原理主要是利用蘊(yùn)藏于水體中的勢(shì)能[12]，推動(dòng)水輪機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，最終產(chǎn)生電能。常用于河流、湖泊等具有高勢(shì)能的水流。水力發(fā)電計(jì)算公式如下：

N=K×Q×H

(1)

式(1)中：N為功率(kW)，Q為通過(guò)水輪機(jī)的流量(m3/s)，H為凈水頭(m)，K為效率系數(shù)(6.0～8.0)。

2.2.2 水位監(jiān)測(cè)原理

為有效地收集不規(guī)則的健身運(yùn)動(dòng)能量，本設(shè)計(jì)利用水位傳感器的工作原理，采用集水蓄能的方式，實(shí)現(xiàn)水流穩(wěn)定均衡的沖擊水輪運(yùn)轉(zhuǎn)，保證連續(xù)供電。水位監(jiān)測(cè)原理圖見(jiàn)圖2。

圖2 蓄水池水位監(jiān)測(cè)原理

由圖2可知，蓄水池水位監(jiān)測(cè)由水位探測(cè)信號(hào)線與接口組成。蓄水池A、B、C點(diǎn)水位監(jiān)測(cè)由單片機(jī)進(jìn)行控制，上限水位C點(diǎn)與下限水位A點(diǎn)可以理解為能夠觸發(fā)閥門啟閉的開(kāi)關(guān)。當(dāng)不連續(xù)的運(yùn)動(dòng)匯集的水量到達(dá)上限水位C點(diǎn)時(shí)，使b,c接口的電路連通，觸發(fā)電路控制閥門自動(dòng)打開(kāi)，蓄水池開(kāi)始釋放具有一定勢(shì)能的水沖擊水輪機(jī)，水輪機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)后帶動(dòng)發(fā)電機(jī)旋轉(zhuǎn)，從而實(shí)現(xiàn)水力發(fā)電。等蓄水池中水自然減少，水位下降至A點(diǎn)時(shí)，閥門開(kāi)始關(guān)閉，再次開(kāi)始集水蓄能，循環(huán)往復(fù)[13]。

2.2.3 連續(xù)均勻供電原理

本文設(shè)計(jì)的健身發(fā)電裝置利用了水力發(fā)電原理，引入水位自動(dòng)化控制系統(tǒng)，利用高低水位控制電路，監(jiān)測(cè)蓄水池水位變化，有效控制閥門的啟閉情況，進(jìn)行集水蓄能。當(dāng)水量到達(dá)高水位時(shí)，蓄水池底部的閥門自動(dòng)開(kāi)啟，連續(xù)釋放的水流沖擊水輪機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)，流經(jīng)水輪機(jī)的水又流回蓄水池2中，構(gòu)成循環(huán)系統(tǒng)，使發(fā)電單元完成一次完整的蓄、放過(guò)程，從而實(shí)現(xiàn)均勻連續(xù)的發(fā)電過(guò)程。

2.3 水能供電裝置設(shè)計(jì)優(yōu)勢(shì)

與傳統(tǒng)的健身器材相比，本裝置能夠?qū)⒔∩磉\(yùn)動(dòng)過(guò)程中零散能量?jī)?chǔ)存起來(lái)，集水蓄能后均勻釋放，產(chǎn)生連續(xù)均勻電能，拓展了拉力健身器材的功能，極大程度改善了對(duì)廢棄能量的回收利用，提高廢棄能量的利用率，其產(chǎn)生的電能可作為移動(dòng)電源使用或用于日常照明。

與現(xiàn)有的發(fā)電健身器材相比，本裝置對(duì)健身器材的結(jié)構(gòu)要求較低，安裝拆卸簡(jiǎn)便，水力發(fā)電不消耗水量，能循環(huán)使用，集水蓄能式發(fā)電集中且均勻，節(jié)約能源，減少環(huán)境污染。本裝置巧妙的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與綠色發(fā)電理念有利于提高人們健身運(yùn)動(dòng)的積極性與節(jié)能環(huán)保的意識(shí)，實(shí)用性較強(qiáng)。

由現(xiàn)有技術(shù)制作水能供電裝置的簡(jiǎn)易模型，進(jìn)行了相關(guān)的理論分析與結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，已完成小型水力發(fā)電的實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證了設(shè)計(jì)的可行性。根據(jù)人體正常健身進(jìn)行的集水蓄能過(guò)程，現(xiàn)計(jì)算其發(fā)電功率如下：

N=K×Q×H=7×0.0004 m3/s×1.5 m

=0.0042 kW

(2)

式(2)中：效率系數(shù)K取7，流量Q取0.4 L/s，靜水頭取1.5 m。則一小時(shí)輸出的能量為15120 J。考慮到能量損失及能量利用率，如果將健身運(yùn)動(dòng)五小時(shí)產(chǎn)生的能量收集利用，其產(chǎn)生的電能可供一部功率為“4.2 V，3000 mA·h”的智能手機(jī)充電8～14次，可供40 W小功率照明燈連續(xù)工作5～8 h。

3 結(jié)語(yǔ)

本文設(shè)計(jì)的基于健身運(yùn)動(dòng)能量轉(zhuǎn)換的水能供電裝置可實(shí)現(xiàn)集健身與水能供電一體化，將水力發(fā)電原理、杠桿原理與負(fù)壓原理等理論知識(shí)應(yīng)用于健身器材，將原本廢棄的零散能量加以收集利用，實(shí)現(xiàn)小型分布式儲(chǔ)能發(fā)電的功能。其中，健身發(fā)電設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)不影響健身器材原有結(jié)構(gòu)和美觀，并增加了一定的健身運(yùn)動(dòng)的趣味性。本設(shè)計(jì)理論上較為成熟，實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ鸵惨羊?yàn)證水能供電裝置的可行性，將會(huì)多次進(jìn)行實(shí)踐檢驗(yàn)，不斷優(yōu)化整體發(fā)電結(jié)構(gòu)。本設(shè)計(jì)基于水力發(fā)電綠色環(huán)保思想與水體循環(huán)再利用的特點(diǎn)，將健身運(yùn)動(dòng)過(guò)程中能量收集利用，以達(dá)到穩(wěn)定蓄水，高效持續(xù)發(fā)電效果，并有效地提高能源利用率，遵循節(jié)能環(huán)保的發(fā)展要求，達(dá)到節(jié)能減排的目的。