一種基于上下往復式健身設備的分布式發電系統設計

張宇，張行，史良宵，林灝凡，郝美娟，耿江華，季志遠

(華北電力大學 a.電力與電子工程學院;b.能源動力與機械工程學院;c.控制與計算機工程學院，河北 保定 071000)

0 引言

目前，全民健身已經成為一種潮流，各種各樣的健身設備應運而生，如果把健身的能量儲存起來是非常可觀的。國內、外已有一些公司研制出了可發電的健身設備，但目前這種技術僅僅是把健身設備與發電設備結合起來做成一個整體，其成本非常高，普通的以盈利為目的的健身房難以接受，而且將現有健身設備更換為這些新型可發電健身設備需要很長的周期。從技術上說，這些發電裝置都是在圓周運動的健身設備上進行改進，比如有氧自行車、橢圓機等，而更具普遍性的健身設備是利用重物的重量進行上下往復運動，現在尚沒有發電裝置可以利用這類健身設備發電。目前，大多數健身房都已初具規模，原來投入的健身設備很多，將其全部更新為新型可發電設備會造成原有設備的巨大浪費。如果能夠開發一種健身房專用的發電裝置，在不影響原有健身設備正常工作的前提下，利用人們健身的能量來發電，必能在節省投資的同時，有效減少能源的浪費。本文介紹的分布式發電裝置突破了這一技術難關，利用上下往復式健身設備發電并使健身設備與發電設備相互獨立。

1 可行性分析

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

(2)利用健身設備發電，符合節能減排的要求，發出的電可供健身房照明或用于其他用途。

(3)機械傳動裝置零件標準化，箱體設計專業化，利于大規模生產，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《公共建筑節能設計標準》，通用性強。

(6)降低健身房成本，為健身房贏取更多利潤。

2 設計方案

總體設計方案如圖1所示。

圖1 總體設計方案圖

2.1 機械傳動部分

機械傳動機構包括:3個棘輪齒輪①，⑤，④;2個棘輪皮帶輪⑧，⑩;1個定滑輪⑨;4根軸;1個永磁交流發電機;8個軸承;箱體;皮帶輪⑦;3個齒輪②，③，⑥。圖2為機械傳動圖。

假設滑輪順時針轉動，此時只有棘輪齒輪①轉動，而棘輪齒輪⑤不轉，齒輪②逆時針轉動，齒輪③逆時針轉動，齒輪④順時針轉動，帶動軸順時針轉動，而棘輪皮帶輪⑧不轉，軸帶動棘輪皮帶輪⑩順時針轉動，帶動發電機順時針轉動;當滑輪逆時針轉動時，棘輪齒輪⑤轉動，而棘輪齒輪①不轉，此時齒輪⑥順時針轉動，皮帶輪⑦順時針轉動，帶動棘輪皮帶輪⑧順時針轉動，帶動軸順時針轉動，棘輪齒輪④不轉，軸帶動棘輪皮帶輪⑩順時針轉動，帶動發電機順時針轉動。

圖2 機械傳動圖

2.2 設計原理

圖中各齒輪的模數取相同的值，所以，傳動比就是分度圓直徑之比;同理，各皮帶輪計算時取有效直徑，在計算力的過程中，則統一采用這些直徑對應的半徑來計算。設圖中各輪的有效半徑分別為r1，r2，r3，r4，r5，r6，r7，r8，r9，r10，r11，考慮到實際情況，設計舒張過程中和拉伸過程中的傳動比不相同，設舒張時發電機的穩定轉速為n，拉伸過程中發電機的穩定轉速為nN。以下各計算均以強臂機為例。

(1)所需最小重物質量的計算。最小重物質量mmin的定義:在不違反人們健身習慣的情況下，保證人的手臂從收縮狀態能夠以正常的速度回到舒展狀態所需重物的最小質量。此最小重物需要克服返回過程中電機的電磁轉矩以及摩擦阻力，穩定時重物保持一定速度下降

通過上式可以計算出最小重物的質量，并且可以根據實際情況校驗上述假設轉速n是否合理，從而選擇合適的傳動比。

(2)人所需最大拉力的計算(帶正常重物m時)

式中:TM為拉伸過程中轉速穩定時的電磁制動轉矩;FW為發電機轉速穩定時人的拉力。

設計過程中應選擇合適的半徑，并且選擇質輕的材料制作滑輪，盡量使變速箱有合適的傳動比，不至于開始時用的力和穩定時用的力相差太大;應根據實際力量的大小選擇額定功率合適的發電機，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 發電機的選擇

由于該發電裝置并不是每時每刻都在工作，故采用類似大型發電廠的傳統電流勵磁方式，需要額外的勵磁電流，并且對其控制也很復雜。考慮到該裝置發電功率并不是很大，容量較小，最終選用了小容量永磁式單相交流發電機。這樣一來，一方面可以不用關注發電機內部建立磁場的情況;另一方面，對于發電機輸出的單相交流電也容易控制。

3.2 整流穩壓部分原理

由于永磁式單相交流發電機輸出的電壓電流波形與發電機的轉速緊密相連，而轉速在一定范圍內波動，因此，電壓和電流的幅值和頻率的變化都是不規律的。鑒于此，可采用整流、穩壓效果非常好的高精細復合管整流穩壓電路。在穩壓電路中，負載電流Ifz要流過調整管，輸出大電流的電源必須使用大功率的調整管，這就要求有足夠大的電流供給調整管的基極，而一般的比較放大電路輸出的電流達不到此值;另一方面，調整管需要有較高的電流放大倍數才能有效地提高穩壓性能，但大功率管電流放大倍數一般都不高。解決辦法是給原有的調整管再配上一個或幾個管，組成復合管，穩壓電源電路如圖3所示。

圖3 整流穩壓電路

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

接負極時

接正極時

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

發電機發的是幅值和頻率均變化的交流電，經過如圖3所示的電路中的單相橋后整流為直流電。直流電經過電感L和電容C濾波之后得到較為平穩的電壓波形，再經過調整管BG1，BG2進行兩級放大后，經由穩壓管DW實現穩壓的目的，其整流穩壓過程如圖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，當輸出端按正確極性接入設定的充電瓶后，若輸出電壓超過電瓶的輸出電壓，則可控硅SCR經可調節晶體管Q的集電極電流觸發導通，電流經可控硅給電瓶充電。當電壓接近電瓶電壓時，可控硅關斷，停止充電。調節R4，可調節晶體管Q的導通電壓，一般可將R4由大到小調整到Q導通能觸發可控硅(導通)即可。圖中發光管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。觸發三極管Q的參數為Uceo≥60 V，最大穩定工作電流IM=1 A，可選用 2SB536，B564，B1008，B1015 或2SA684，A720等管子。R6用作限流保護，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)，則可適當增加R2和R5的阻值，也可用波段開關控制阻值轉換，使該充電器有更大的使用范圍。

3.4 蓄電池

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

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、價格便宜，是應用程度最高的蓄電池之一，但它的比能量低、質量和體積太大、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，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間放電能力、循環放電能力、深度放電及大電流放電能力、過充電及過放電自我保護能力等優點，維護量小、性價比高，適用于供電不穩定的環境，是最理想的用于循環使用的電池。從節約能源的角度出發，它比一般蓄電池的蓄電量大;從減少環境有害物排放的角度出發，它不會出現漏液、滲液等現象，逸氣量小，對環境危害很小;從經濟角度考慮，其性價比相對較高，成本回收周期較短。所以，經過長時間的調查研究，決定選用膠體蓄電池作為該裝置的蓄電設備。

4 試驗數據

本文以強臂機為例，對該裝置進行試驗。選定強臂機上一定滑輪，用裝置上的定滑輪⑨替換它，將箱體的位置擺放好，人為拉動強臂機進行鍛煉。

圖4 整流穩壓圖

4.1 最小重物的試驗數據

在健身設備上按5 kg的質量梯度加以試驗，直到找到能使設備可靠返回的最小質量為35.00 kg。按理論計算式計算的最小重物質量為31.56 kg，與試驗值很接近。該最小重物的質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 電氣部分試驗數據

在發電機機端并聯直流電壓表，在發電機與蓄電池的回路中串聯直流電流表。當人健身時，讀取電壓表和電流表的數值，這2個值會分別在某一值的附近波動，但波動范圍不是很大，記錄人運動1個周期的數據，見表1。

表1 運動1個周期的數據

考慮到人手臂收縮和舒張的時間都很短(大約1.5 s)，而且兩者的差異不是很大，近似認為其時間是相等的。因此，運動1個周期的平均功率為(252.18+163.73)/2=207.96(W)。計及電能從存儲進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 經濟效益分析

假設在一個有10臺上下力量訓練器的小型健身房安裝該裝置，健身房每天運營時間為12 h，每臺裝置平均每天的使用時間為10 h且每天均處于額定運行狀態，節電數據見表2。

表2 節電數據

對于擁有10臺上下訓練器的健身房，年發電量基本可實現自供電照明，成為“綠色健身房”。每臺裝置的成本見表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 工業效益分析

相對于火力發電廠，該裝置發電無污染物產生，為綠色發電。下面將以火電廠為例，介紹該裝置所帶來的工業效益。

表3 裝置成本

根據有關標準，發1 kW·h的電需要消耗300 g標準煤，那么對于擁有10臺上下訓練器的健身房，每年可節約煤耗2.19 t，這部分煤用于發電所產生污染物的數據見表4。

表4 2.19 t煤用于發電所產生的污染物 t

該發電裝置不產生任何有害物質，一定程度上減少了電廠污染物的排放。

6 結論

該裝置的典型特征是能夠將雙向輸入轉化為單向輸出，不論選定的定滑輪替代品做正方向或反方向轉動，都能夠通過棘輪機構實現轉向一致的終端輸出，并通過齒輪組的提速使終端輸出高轉速，進而帶動發電機發電，最終達到了利用往復式運動健身設備來發電的目的，符合節能減排的要求。通過試驗數據的分析，最小重物的質量對于健身者來說完全可以勝任，說明裝置有很強的可行性。發電機平均發電功率為200 W，每臺設備的投資收回周期為1.68年。從工業效益上分析，有效減少了煤燃燒時污染物的排放，能夠滿足節能減排的要求。

該裝置突破相關領域的技術難關，使利用健身房中的大多數設備進行發電的夢想成為可能，有利于建設資源節約型、環境友好型社會，踐行科學發展觀，符合節能減排的要求，應用前景十分廣闊。

［1］陳乃力.理論力學［M］.4版.北京:高等教育出版社，2009.

［2］成大先.機械設計手冊(第1卷)［M］.5版.北京:化學工業出版社，2008.

［3］張學義.永磁發電機三相半控橋式整流穩壓器的研制［J］.電機與控制應用，2006，33(4):59 －60.