一種基于健身運動能量轉換的水能供電裝置設計

劉小妮，董跟緯，王 茜，張楊楊，吳嘯骎，周 婷

(安徽農業大學 水利工程系，安徽 合肥 230036)

1 引言

隨著經濟社會的快速發展，人們對能源的需求日益增加。目前，煤炭、水能、風能、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電裝置尚不多見。近年來，隨著人們對健康的重視，健身成為人們休閑減壓的重要方式，全民健身活動逐漸普及，健身房能耗與健身產業的需求急劇增加[1]，因此，研究基于健身器材的綠色發電裝置具有重要的理論價值和實際意義。

國內外眾多學者就健身發電與提高能源利用率等方面進行了大量研究。現有健身發電器材包括腳踏式健身自行車[2，3]、發電健身車[4]、手搖式健身器材[5]、發電式跑步機[6]、圓周或圓弧運動類健身器材[7]等。周以寧等[8]將永磁發電機與蓄電池相結合，設計了能量可再生的健身自行車；李式林[9]研究設計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電機，提高了水能的利用率；于佳鑫等[10]研發適用于建筑物頂部的雨水分段蓄能發電系統，并通過物理模型實驗，驗證了雨水蓄能發電的可行性；周浩等[11]利用人體踏走的動能研發了壓電發電裝置，用于儲存能量。以上健身發電設計主要針對于特定的健身器材特點開展研究，對發電健身器材的形狀、尺寸、大小以及機械結構要求較高，無法兼容至多種健身器材上，降低了發電器材的推廣性。在健身發電與能量利用率方面，健身發電器材與微小型水力發電技術的應用仍存在因健身方式與運動強度不同導致產生的電能較小，發電不連續不穩定的問題，少量且不連續的水流無法推動小型水輪機運轉，能量循環利用效率較低，導致開發利用小型水力發電裝置并將其應用于健身器材的研究較少。針對以上問題，本文設計了基于健身運動能量轉換的水能供電裝置，其借助健身器材輸出力的方式，運用負壓原理、水力發電原理與水體勢能儲能原理，收集健身運動過程中的零散能量，將健身做功產生的機械能轉化為水體勢能，實現集水蓄能，循環連續供電的功能。同時，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與健身器材的整體美觀。

2 基于健身運動能量轉換的水能供電裝置設計

2.1 系統構成

本裝置結構設計如圖1所示。

圖1 水能供電裝置設計

由圖1可見，水能供電裝置由健身做功、機械做功與水力發電3個模塊構成。根據健身器材運動輸出力的特點，健身運動主要分為施加橫向和豎向拉力的簡單機械運動。由健身運動施加的拉力促使杠桿帶動活塞在單向閥中進行上下往復運動，運動過程產生的壓強差使容器內形成真空，致使水流進入蓄水池，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，能進一步提高抽水工作效率，完成機械能向水體勢能的轉化。待蓄水池水位上升至預設高度時，水位檢測裝置自動控制閥門的啟閉，使水流均勻穩定地沖擊水輪機旋轉，進而將水體勢能轉換為電能，形成小型的水能供電與能量轉換系統。通過簡單的機械運動，實現蓄水積能與能量轉換，進一步提高發電效率和均勻儲存電能的能力。其中，結構①滑輪的作用在于改變施加力的方向，便于適用于多種產生力的健身器材。通過健身者提供的力做功，利用結構②的杠桿原理帶動結構③進行上下往復運動，轉換為機械做功。機械做功模塊基于負壓原理將結構④中的水不斷儲存于結構⑥中，完成集水蓄能的過程。再由結構⑦實時監測水位變化，并控制結構⑧釋放具有一定勢能的水流沖擊結構⑨運轉并產生電能，保證水力發電模塊的正常運行，以實現連續蓄水、均勻發電與能量轉換。

2.2 裝置工作原理

本裝置主要是利用水力發電原理、杠桿原理與負壓原理，將人們健身運動產生的能量加以收集利用，轉換成可利用電能。裝置各部分工作原理具體分析如下。

2.2.1 水力發電原理

水力發電是利用水位差，借助水輪推動發電機，將水的勢能轉化為電能的過程。水力發電原理主要是利用蘊藏于水體中的勢能[12]，推動水輪機轉動，最終產生電能。常用于河流、湖泊等具有高勢能的水流。水力發電計算公式如下：

N=K×Q×H

(1)

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

2.2.2 水位監測原理

為有效地收集不規則的健身運動能量，本設計利用水位傳感器的工作原理，采用集水蓄能的方式，實現水流穩定均衡的沖擊水輪運轉，保證連續供電。水位監測原理圖見圖2。

圖2 蓄水池水位監測原理

由圖2可知，蓄水池水位監測由水位探測信號線與接口組成。蓄水池A、B、C點水位監測由單片機進行控制，上限水位C點與下限水位A點可以理解為能夠觸發閥門啟閉的開關。當不連續的運動匯集的水量到達上限水位C點時，使b,c接口的電路連通，觸發電路控制閥門自動打開，蓄水池開始釋放具有一定勢能的水沖擊水輪機，水輪機轉動后帶動發電機旋轉，從而實現水力發電。等蓄水池中水自然減少，水位下降至A點時，閥門開始關閉，再次開始集水蓄能，循環往復[13]。

2.2.3 連續均勻供電原理

本文設計的健身發電裝置利用了水力發電原理，引入水位自動化控制系統，利用高低水位控制電路，監測蓄水池水位變化，有效控制閥門的啟閉情況，進行集水蓄能。當水量到達高水位時，蓄水池底部的閥門自動開啟，連續釋放的水流沖擊水輪機運轉，流經水輪機的水又流回蓄水池2中，構成循環系統，使發電單元完成一次完整的蓄、放過程，從而實現均勻連續的發電過程。

2.3 水能供電裝置設計優勢

與傳統的健身器材相比，本裝置能夠將健身運動過程中零散能量儲存起來，集水蓄能后均勻釋放，產生連續均勻電能，拓展了拉力健身器材的功能，極大程度改善了對廢棄能量的回收利用，提高廢棄能量的利用率，其產生的電能可作為移動電源使用或用于日常照明。

與現有的發電健身器材相比，本裝置對健身器材的結構要求較低，安裝拆卸簡便，水力發電不消耗水量，能循環使用，集水蓄能式發電集中且均勻，節約能源，減少環境污染。本裝置巧妙的結構設計與綠色發電理念有利于提高人們健身運動的積極性與節能環保的意識，實用性較強。

由現有技術制作水能供電裝置的簡易模型，進行了相關的理論分析與結構設計，已完成小型水力發電的實驗，驗證了設計的可行性。根據人體正常健身進行的集水蓄能過程，現計算其發電功率如下：

N=K×Q×H=7×0.0004 m3/s×1.5 m

=0.0042 kW

(2)

式(2)中：效率系數K取7，流量Q取0.4 L/s，靜水頭取1.5 m。則一小時輸出的能量為15120 J。考慮到能量損失及能量利用率，如果將健身運動五小時產生的能量收集利用，其產生的電能可供一部功率為“4.2 V，3000 mA·h”的智能手機充電8～14次，可供40 W小功率照明燈連續工作5～8 h。

3 結語

本文設計的基于健身運動能量轉換的水能供電裝置可實現集健身與水能供電一體化，將水力發電原理、杠桿原理與負壓原理等理論知識應用于健身器材，將原本廢棄的零散能量加以收集利用，實現小型分布式儲能發電的功能。其中，健身發電設計結構不影響健身器材原有結構和美觀，并增加了一定的健身運動的趣味性。本設計理論上較為成熟，實驗模型也已驗證水能供電裝置的可行性，將會多次進行實踐檢驗，不斷優化整體發電結構。本設計基于水力發電綠色環保思想與水體循環再利用的特點，將健身運動過程中能量收集利用，以達到穩定蓄水，高效持續發電效果，并有效地提高能源利用率，遵循節能環保的發展要求，達到節能減排的目的。