環保型教室座椅發電裝置

陳映橋 張 鵬 左 翼 宋慶翔 張 瑛

(中國石油大學(北京)，北京 102249)

環保型教室座椅發電裝置

陳映橋 張 鵬 左 翼 宋慶翔 張 瑛

(中國石油大學(北京)，北京 102249)

通過平時的觀察，發現教室中的折疊座椅使用時產生的機械能被浪費掉，為了研究如何將這部分機械能利用起來，以法拉第電磁感應定律為基本實驗原理，運用機械設計知識，創新性地在教室座椅上，設計了一種通過座椅的開合帶動處于磁場中的線圈轉動，從而產生電流的環保型教室座椅發電裝置，該裝置將按壓座椅產生的機械能轉化為電能，達到發電的目的.理論計算得出，當按下座椅的平均耗時為1s，該裝置的輸出電壓為10.8V，與實驗測試得到裝置的輸出電壓9.4V相近.研究表明，裝置產生的輸出電壓與座椅被按下速度之間呈現正相關關系.

節能環保；發電裝置；教室座椅；法拉第定律

自21世紀以來，環保節能一直都是一個熱門的研究方向，環保型能量采集器也因而備受人們的關注.現如今國內外科研工作者對于能量采集器的研究主要是圍繞著如何利用光伏、熱電、壓電、電磁等各種物理和化學效應把周圍廣泛存在的光能、熱能、機械能等能量轉化為電能.而其中對于如何采集機械能的研究尤其深入.機械能的采集，一般是通過電磁式或者壓電式.1995年英國Sheffield大學的研究小組發表了第一篇關于微型電磁式振動能量采集器的研究論文[1].美國San Diego州立大學和Texas A&M大學聯合于2007年給出了應用于胎壓傳感器的壓電能量采集器原型[2]，實驗得出，在100Hz固有頻率的刺激下，輸出電壓峰值達到了7V.上海交通大學和美國Honeywell公司合作于2007年開發了壓電式振動能量采集器[3].本文在高校普遍使用的大學教室座椅上設計了一種發電裝置，實現環保和簡易發電的目的.

1 裝置設計方案

該裝置由兩部分組成，如圖1所示.右邊部分為機械傳動部分，左邊部分為發電部分.基本設計思路是，大學教室中的座椅都有一個轉動軸，由于人入座的時候，有個向下的動量，使座椅由豎直方向轉為水平方向，通過座椅的轉動，壓動下方的齒條.由于齒輪的作用，通過多次傳動使得轉速放大，在最終的齒輪處產生一個很大的轉速通過軸傳遞給發電裝置進行發電.

圖1 裝置實物圖

機械部分包括如下幾個部分：齒條、同軸小齒輪(齒輪1)、同軸大齒輪(齒輪2)、軸1、軸2、傳動齒輪(齒輪3)、金屬外殼.目的是設計齒條和齒輪的尺寸使得轉速盡可能放大.裝置整體機械設計部分3D圖如圖2所示.整個裝置的機械部分(除齒條)固定在地面，齒條通過其頂端兩個預留的孔眼固定在座椅板面下方，其轉動軌跡與同軸小齒輪配合.當人使用座椅，壓下座椅板面時，座椅板面帶動齒條轉動.從而與齒條配合的同軸小齒輪轉動.由于同軸大齒輪和同軸小齒輪固定在同一軸1上，同軸小齒輪的轉動就傳遞給同軸大齒輪，帶動與之配合的傳動齒輪旋轉.傳動齒輪帶動與之固定在一起的軸2轉動，用軸2帶動皮帶輪4轉動.到此，整個機械部分的任務就完成了.

圖2 齒輪傳動設計圖

發電部分的原理圖如圖4所示，即閉合線圈在磁感線中的轉動會產生電流.機械部分最終的轉速通過皮帶傳遞給線圈(見圖3)，使得線圈在磁場下轉動，切割了磁感線產生電流.可以將閉合線圈通過導線連接到小功率用電器，產生的電也可以儲存起來.

圖3 皮帶傳動示意圖

圖4 發電部分原理圖

2 結果與討論

在裝置設計完成后，為了研究它的實用性，我們進行了理論計算和實驗測試得到了它在理論和實際條件下的輸出電壓.

2.1 理論計算

(1)

線速度：

v0=ω0l

(2)

根據齒輪齒條傳動原理:

其中，ω1，ω2表示齒輪1，齒輪2的角速度；v1,v2,v3分別表示齒輪1，齒輪2，齒輪3的線速度.齒輪3的角速度記作ω3，則齒輪3的角速度為

(6)

在皮帶傳動部分，主動輪為輪4，主動輪與齒輪3同軸(軸2)，從動輪為輪5，且從動輪和線圈同軸，角速度相同.記v4,v5分別是輪4和輪5的線速度，ω4,ω5,ωcoil分別為輪4、輪5以及線圈的角速度，r4,r5為輪4和輪5的半徑.皮帶摩擦力足夠，輪4和輪5傳動過程中不打滑，則有以下關系：

由上可以得出最后線圈的角速度為

(11)

根據實際裝置的尺寸，圓弧形齒條的半徑l=160mm，與圓弧形齒條配合的同軸小齒輪(齒輪1)的半徑r1=15mm，與齒輪1同軸的同軸大齒輪(齒輪2)的半徑r2=60mm，與齒輪2配合的傳動齒輪(齒輪3)的半徑r3=15mm.皮帶輪4的半徑r4=60mm，皮帶輪5半徑r5=20mm代入尺寸數據得到線圈的角速度：

ωcoil=64πrad/s

則線圈的轉速：

ncoil=1920r/min

根據我們使用的發電機的技術參數：當轉子速度為1600r/min時，輸出端電壓不少于6V.通過比例關系

得裝置的輸出電壓：

U=7.2V

2.2 實驗測試

如圖5所示，將裝置安裝在教室座椅下方進行實驗.在實驗過程中，只改變圓弧形齒條的角速度，得到相關的實驗數據(為多次測量的平均值).并且將角速度代入理論計算公式中計算輸出電壓.測量數據結果如表1所示.

將實驗測量數據與理論計算數據繪制成曲線，得到輸出電壓與齒條角速度的變化關系曲線如圖6所示.

圖5 裝置實驗圖

齒條角速度/rad·s-1實驗輸出電壓/V理論輸出電壓/Vπ13.914.4π/27.17.2π/43.43.6π/62.22.4π/81.71.8π/101.21.4

圖6 齒條角速度與輸出電壓關系曲線

3 結論與分析

由圖6易知，齒條角速度與輸出電壓的關系理論預測結果與實驗測試結果相接近，且齒條角速度越大，所能產生的電壓越大.考慮到實際情況下，學生按下座椅的平均耗時為1s，經實驗測試，此時單個發電裝置能產生的輸出電壓為7.2V.

從曲線來看，在測試過程中實際輸出電壓低于理論輸出電壓，分析這個現象出現的原因，主要有以下幾點：

(1) 在工廠加工時齒輪和皮帶輪的實際尺寸和設計尺寸有誤差，用游標卡尺測量了齒輪和皮帶輪的實際尺寸如下：

表2 實際尺寸和設計尺寸對照表

(2) 在傳動過程中，皮帶存在打滑，使得從動輪也就是皮帶輪5的線速度小于主動輪也就是皮帶輪4的線速度，最后實際得到的線圈轉速則小于理論設計的線圈轉速，從而導致實際的輸出電壓小于理論的輸出電壓.

該設計創新點是在于，將磁生電的原理與生活中實際的物件即教室折疊椅結合在了一起，將折疊椅使用時做功產生的機械能利用起來用于發電，而這部分機械能平時是被人所忽略的.在實際應用方面，教室中每個座椅都可以安裝一個發電裝置，若將一定個數的發電裝置串聯在一起，就可以產生較大的電壓，在發電裝置上設計一個輸出電壓的端口就可以做成一個充電器，供手機等電子設備充電，或者為小電壓的臺燈等設備供電，也可以將產生的電能導入蓄電池儲存起來.此裝置的生產成本較低，經一定的改進后可以進行工業化生產并投入市場使用，且滿足節能環保的需求，具有一定的實際應用價值.

[1] Wang P, Li W, Che L F. Design and fabrication of a micro electromagnetic vibration energy harvester[J]. Journal of Semiconductors, 2011(10): 74-77.

[2] Steven R A, Henry A S. A review of power harvesting using piezoelectric materials(2003—2006)[J]. Smart Materials and Structures, 2007: R1-R21.

[3] 孫健,李以貴,劉景全.微壓電式振動能量采集器的研究進展[J].微納電子技術,2009(11):673-677.

[4] 楊可楨,程光蘊,李仲生.機械設計基礎[M].北京:高等教育出版社,2006.

[5] 胡仁喜.Solidworks2012中文版機械設計從入門到精通[M].北京:機械工業出版社,2009.

[6] 徐江華.AUTO CAD 2014中文版基礎教程[M].北京:中國青年出版社,2013.

[7] 趙凱華.新概念物理教程:電磁學[M].北京:高等教育出版社,2011.

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ENVIRONMENT FRIENDLY POWER GENERATOR ON THE CLASSROOM SEAT

Chen Yingqiao Zhang Peng Zuo Yi Song Qingxiang Zhang Ying

(China University of Petroleum, Beijing 102249)

It is investigated that the mechanical energy generated by the folding seat in the classroom is wasted. In order to research the way to use this mechanical energy, an environment friendly power generator device is designed based on the Faraday Law of electromagnetic induction and the theory of mechanology. The generator installed on the classroom seat will generate electric energy when the seat is pushed to drive the coil in a magnetic field, thus mechanical energy can be transformed into electric energy. The output voltage in the experimental measurement is 9.4V, which is similar to its theoretical value 10.8V based on the assumption that the time of pressing the seat down is 1 second. According to our research, the positive correlation exists between the voltage and the angular velocity of the device.

energy conservation and environment protection; power generator; classroom seat; Faraday’s law

2016-01-17；

2016-05-21

陳映橋，男，中國石油大學(北京)油氣田開發工程系碩士研究生，1359109270@qq.com

張鵬，女，教授，研究方向為凝聚態物理.zhangpeng1998@126.com

陳映橋，張鵬，左翼，等. 環保型教室座椅發電裝置[J]. 物理與工程，2016，26(5)：93-96.