自行車(chē)旅行中手機(jī)電池充電技術(shù)的可行性分析

摘要本文分別對(duì)自行車(chē)旅行中的手機(jī)電池風(fēng)力發(fā)電充電方案和摩擦發(fā)電充電方案進(jìn)行了量化分析，結(jié)合普通手機(jī)電池的容量理論上判斷出了兩種方案的可行與否。

關(guān)鍵詞 風(fēng)力發(fā)電 摩擦發(fā)電 電池電量

中圖分類(lèi)號(hào)：TP272 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

Feasibility Study on Cell Phone Battery Charge Technology on Bike Trip

LI Xin， CHANG Yongrong

(School of Mechanical Engineering， Southwest Jiaotong University， Chengdu， Sichuan 611756)

AbstractThis paper takes a quantitative analysis on both wind power generation and friction power charge of cell phone battery on a bike trip， combine with normal cell phone battery capacity， theoretically work out if those two plans are of feasibility.

Key wordswind power generation; friction power charge; battery capacity

0 引言

當(dāng)前社會(huì)能源短缺，環(huán)境污染嚴(yán)重，節(jié)能減排、綠色環(huán)保等成為社會(huì)的主題。因而越來(lái)越多的人（包括很多大學(xué)生）為了響應(yīng)此號(hào)召外出旅行選擇自行車(chē)作為交通工具，然而旅行途中如何方便的給手機(jī)電池充電成為一道難題，旅行充電器雖可行，但蓄電池電量有限，放電時(shí)間有限，并沒(méi)有帶來(lái)太多方便。針對(duì)這一問(wèn)題本文提出了兩種自行車(chē)發(fā)電方案，風(fēng)力發(fā)電和摩擦發(fā)電，并對(duì)其產(chǎn)生電量能否滿(mǎn)足手機(jī)電量要求作出了評(píng)判。自行車(chē)發(fā)電不僅迎合綠色環(huán)保的理念，還能夠引導(dǎo)一部分人旅行、工作等選擇自行車(chē)作為交通工具，鍛煉身體，同時(shí)也為緩解能源危機(jī)作出貢獻(xiàn)。

選擇一般手機(jī)電池進(jìn)行分析，認(rèn)為其電容量為定值，該值可根據(jù)電池的工作參數(shù)算出。自行車(chē)以一定速度向前運(yùn)動(dòng)，其上風(fēng)力機(jī)產(chǎn)生的電能來(lái)源于風(fēng)的相對(duì)動(dòng)能。假設(shè)風(fēng)的動(dòng)能全部轉(zhuǎn)化為電能（實(shí)際中是不可能實(shí)現(xiàn)的），則流過(guò)一定面積流面的風(fēng)功率可計(jì)算出，該值隨自行車(chē)速度（主要取決于駕車(chē)人為普通人還是專(zhuān)業(yè)運(yùn)動(dòng)員），流面面積，空氣密度的變化而變化，分別令常人與專(zhuān)業(yè)運(yùn)動(dòng)員連續(xù)騎車(chē)t時(shí)間風(fēng)力機(jī)產(chǎn)生的電能與普通電池電容量相等可求得時(shí)間t，此值越小越好。考慮常人自行車(chē)旅行時(shí)間的長(zhǎng)短，不論是常人還是專(zhuān)業(yè)運(yùn)動(dòng)員t都應(yīng)在12h之內(nèi)，否則認(rèn)為方案不可行，由此得出方案的可行與否。摩擦發(fā)電中微型發(fā)電機(jī)通過(guò)摩擦接觸產(chǎn)生電能，微型發(fā)電機(jī)的技術(shù)參數(shù)中提供有額定輸出功率，令發(fā)電機(jī)在額定狀態(tài)下工作時(shí)間t產(chǎn)生的電量與一塊普通電池的電量相等可得出產(chǎn)生一塊普通電池電量所需連續(xù)駕車(chē)的時(shí)間。與風(fēng)力發(fā)電一樣，t應(yīng)該在12h之內(nèi)，否則認(rèn)為方案不可行。

1 普通手機(jī)電池的容量

一般規(guī)格手機(jī)電池參數(shù)為3.7伏、740mh，則電池的容量為：q = 3.7€?40€?0-3€?600J = 9856.8J

2 風(fēng)力發(fā)電

人騎自行車(chē)以速度穿梭于大氣，假設(shè)不考慮風(fēng)的影響，空氣相對(duì)地球表面是靜止的。根據(jù)相對(duì)運(yùn)動(dòng)理論：將人與自行車(chē)看成是靜止的，大氣便以速度-v向后運(yùn)動(dòng)。在自行車(chē)上安裝一個(gè)小型風(fēng)力機(jī)，利用相對(duì)速度發(fā)電，即風(fēng)力發(fā)電。

圖2-1風(fēng)力機(jī)流面參數(shù)圖

當(dāng)把風(fēng)功率理解為一定時(shí)間內(nèi)流過(guò)流面的空氣質(zhì)量所具有的動(dòng)能時(shí)，

P =qmv2 = fv3

（2-1）

若考慮理想情況，假設(shè)風(fēng)功率完全轉(zhuǎn)化為機(jī)械功率，機(jī)械功率完全轉(zhuǎn)化為手機(jī)電池功率，則

W = f v3t =v3t = Q（2-2）

d—風(fēng)力機(jī)葉輪直徑；t—騎車(chē)時(shí)間；

假設(shè) = 1.29kg/m3，v = 5.5m/s，d = 10cm則

t ==

= 35023444.3s = 405天 （2-3）

從運(yùn)算結(jié)果能看出：以平常速度5.5m/s駕車(chē)旅行時(shí)，自行車(chē)上葉輪直徑為10cm的風(fēng)力機(jī)要產(chǎn)生一塊普通手機(jī)電池的容量至少需要連續(xù)騎車(chē)405天，這是不現(xiàn)實(shí)的，故方案不可行。從2-5式中能夠看出時(shí)間t取決于空氣密度、葉輪直徑和行車(chē)速度三個(gè)參數(shù)，空氣密度變化很小，可認(rèn)為其恒定，即t與d、v的乘積成反比，d、v越大t越小。倘若由專(zhuān)業(yè)運(yùn)動(dòng)員來(lái)騎車(chē)v最大可達(dá)到60km/h左右，葉輪直徑d擴(kuò)大原來(lái)的一倍，此時(shí)，最短時(shí)間為33.7天。由此看出，風(fēng)力發(fā)電最好情況下給一塊手機(jī)電池充電需要連續(xù)騎車(chē)30多天，在注重效率的時(shí)代，這種方案是徹底不可行的。

3 摩擦發(fā)電

在自行車(chē)的后輪上安裝小型發(fā)電機(jī)，車(chē)輪輪緣帶動(dòng)摩擦小輪轉(zhuǎn)動(dòng)發(fā)電。發(fā)電機(jī)可控，當(dāng)需要充電時(shí)，通過(guò)一個(gè)控制裝置使摩擦輪與車(chē)輪接觸，沖完電后使二者遠(yuǎn)離。

理論分析：若采用市場(chǎng)上UN-4110型號(hào)小型發(fā)電機(jī)，該型號(hào)電機(jī)參數(shù)為Um = 6V，Pm = 3W， 假設(shè)電機(jī)工作在額定狀態(tài)下，則產(chǎn)生一塊普通手機(jī)電池的電量所需時(shí)間：

t == s = 3285.3s = 0.91h（3-1）

由式3-2可看出產(chǎn)生一塊普通手機(jī)電池的電量摩擦發(fā)電只需要不到一小時(shí)的時(shí)間，這一數(shù)值相對(duì)于旅行時(shí)間是比較短暫的，故該方案在理論上是可行的，此外若在自行車(chē)上安裝一個(gè)稍大容量的蓄電池，除去手機(jī)電池充電電量，剩余電能還可開(kāi)發(fā)用于其它小功率旅行用品的充電。現(xiàn)實(shí)中，由于車(chē)輪轉(zhuǎn)速不穩(wěn)定，會(huì)導(dǎo)致發(fā)電機(jī)輸出電壓不穩(wěn)定，因而電機(jī)輸出電路要串聯(lián)一個(gè)整流器。大致工作流程為發(fā)電機(jī)→整流器→蓄電池，方案只在理論上可行具體能否實(shí)施，以及實(shí)施中遇到的各種問(wèn)題還有待于進(jìn)一步研究。

4 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)對(duì)自行車(chē)旅行中風(fēng)力發(fā)電建立風(fēng)速模型，得出了其理想發(fā)電量，對(duì)比普通手機(jī)電池電量分析出該方案不可行。通過(guò)對(duì)摩擦發(fā)電電量進(jìn)行量化分析，與普通手機(jī)電池電量進(jìn)行對(duì)比，在理論上得出方案可行，并提出了實(shí)施過(guò)程中的一些問(wèn)題，給出了方案實(shí)施所需的輔助元件。

參考文獻(xiàn)

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[2]陳鐵華.水輪發(fā)電機(jī)原理及運(yùn)行.中國(guó)水利水電出版社，2009.

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