基于健身器材的綠色發電系統

雷宇 周廣義

摘 要：能源是人類社會生存、國民經濟發展的必備資源和重要的戰略物資。能源緊缺以及由于能源消費而產生的生態環境惡化，促使著我們尋求更有效的能源利用手段。隨著科技的發展和社會的進步，人們對自己的生活追求也越來越高，健身已經成為現代人們生活中的一部分，大大促進了健身器材的不斷改進和創新。而傳統健身器材并沒有能量回收，現設計一套基于健身器材的綠色發電系統，達到健身器材和發電裝置一體化的效果，使運動的同時可以將機械能轉化為電能，以綠色發電的方式節約經營的成本同時減少環境的污染。

關鍵詞：健身；綠色發電；設計

中圖分類號：TM61 文獻標志碼：A 文章編號：2095-2945（2018）13-0048-03

Abstract： Energy is an essential resource and an important strategic material for the survival of human society and the development of national economy. The shortage of energy and the deterioration of ecological environment caused by energy consumption urge us to seek more effective means of energy use. With the development of science and technology and the progress of society， people's pursuit of their own life is becoming higher and higher. Fitness has become a part of modern people's life， greatly promoting the continuous improvement and innovation of fitness equipment. But the traditional fitness equipment does not have the energy recovery， now designs a set of green power generation system based on the fitness equipment， achieves the fitness equipment and the power generation device integration effect， causes the movement simultaneously to be able to convert the mechanical energy to the electric energy， reduce the cost of operation and reduce environmental pollution by green power generation.

Keywords： fitness； green power generation； design

1 概述

隨著科技的發展和社會的進步，人們的生活水平也在不斷提升，手機電腦等高科技產品的使用，使越來越多的人身體處于亞健康狀態，人們意識到運動能給人們帶來諸多益處。然而，由于外界空氣污染日益嚴重，為了保持良好的身體機能，人們大多愿意選擇在室內健身房進行鍛煉，但是根據調查顯示，在健身房鍛煉的人群主要是利用跑步機、力量器械、有氧操、瑜珈等常規的項目進行鍛煉，多數人偏愛于跑步機與力量器械。如果我們能夠設計一套裝置，以消耗卡路里轉化為機械能再轉化為電能的方式將人體生物能源利用起來，將產生更多的經濟效益和社會效益。現階段火力發電仍然是我國的主導，節約所使用的電能也就是減少了二氧化碳的排放。

2 綠色發電系統市場需求分析

2.1 健身產業發展趨勢[6]

2014年針對20-69歲人群的調研發現，我國經常參加體育鍛煉的人群有51%，比2013年提高1.5個百分點。自2009年起，我國經常參加體育鍛煉的人數逐年增加，2014年已達到3.83億人，中國的健身行業相較鄰國日本、韓國等對比來說還有至少四倍的增長空間。健身房本身面對的就是老少皆宜的廣大群眾，而龐大的健身人口為健身行業帶來巨大的需求，健身房的數量也隨之急劇增長，因此未來我們項目的市場非常巨大，可行性極高。

2.2 健身房能耗分析

在健身房逐漸被人們所認同的道路上，健身房對電能的消耗量也是不容小覷的。一般跑步機的功率是2.5～2.8P的功率，也就是1800～2100W，兩小時的耗電量在3.6～4.2度區間。普通市區的一個健身房一般至少有15臺左右的跑步機，工作10小時的耗電量為270～315度電左右，可見其耗電量之高。在跑步機上慢走每半小時消耗熱量75卡，假設人重60KG，速度為1m/s，則動能為30J輸出的功約每秒鐘做功30J。如果將運動10小時的能量（利用率約40%）收入利用起來將能夠供給大約24臺跑步機運轉10小時。

2.3 綠色發電優勢

本裝置能夠有效利用人體運動多余的生物質能，使其產生的電能不僅僅適用于用電健身器材，還能用于照明或小功率用電設備，使健身愛好者有新的健身體驗，激發顧客的環保意識。可將機械能轉化為電能作儲存處理，提高利用率。自由安裝拆卸，不影響健身器材的觀賞性。

本裝置能量來源于人體運動產生的機械能，在人體的健身過程中，將人體消耗的生物能進行有效的收集和利用，并對產生的機械能進行轉換，維護簡單，無任何附加成本。

與傳統健身器材相比較，利用該裝置設備，可使其產生的電能不僅僅適用于用電健身器材，還能用于照明或小功率用電設備。人們在健身的同時又為設備提供了電力，達到了良性循環。

在用戶體驗的方面上，綠色發電裝置[1]產生電量的多少與健身者鍛煉的強度和鍛煉的時間有關，可以直觀的看出自己運動量的多少，提高他們的積極性，令健身愛好者有新的健身體驗，同時減少能源的消耗和不必要的環境污染，符合國家保護環境的方針。既能做到節能減排又能做到耗能回收，還能幫助人們強健體魄。

將機械能轉換為電能儲存起來，相比傳統水力發電機、火力發電機，本裝置省卻了中間的機械能轉換過程，提高了能量的利用率。經過反復試驗，人體正常的健身工作的一小時，可用于日常小功率照明7～8小時。

本裝置屬于插件，即可以隨時對健身器進行安裝拆卸，而不會對健身器材本身造成任何傷損。其次，該裝置體積不大，不會影響健身器材本身的美觀。

3 基于健身器材的綠色發電系統設計

3.1 系統構成

為了能將發電裝置產生的電能儲存起來，讓運動消耗的一部分能量能夠為照明或小功率用電設備提供能源，本裝置通過傳動裝置、永磁發電機、二極管、24V的蓄電池等一系列設備進行儲電處理。

由于人們使用健身器械時的齒輪轉速較低，此產品通過減速器傳動裝置，將低轉速轉變為高轉速，轉速提高到一定的倍數并帶動永磁發電機的轉子轉動，此時發電機輸出具有一定電壓、頻率脈動的交流電，再經過二極管整流橋整流使之變為電壓脈動的直流電，電壓脈動的直流電再經過濾波裝置和穩壓裝置，得以輸出穩定幅值的直流電壓，再接于24V的蓄電池將電能存儲起來；當用電設備接入運行時，控制板發出控制信號，蓄電池向負載進行放電。

3.2 控制模塊設計

由于發電機[1]提供的電源頻率波形并不是理想的正弦波，電壓波動、頻率波動、波形畸形和瞬時停電等情況都可能使對電流敏感的設備停止運行，同時電壓尖脈沖極可能會損壞設備中的原件。因此需要中斷控制電路對其進行控制，本裝置利用Arduino單片機控制電路主芯片對電流的有無進行高低電平的設置，最終得以實現電路的通斷控制。當外設判斷到發電設備停止運作時，告知中斷控制器，切斷電路，以保證當設備因停止運作而斷電時，使整個電路斷開，防止蓄電池電流的回流，以保證蓄電池工作的獨立性。

3.3 整流穩壓模[3]設計

整流濾波電路的作用是將交流電變換為直流電，設計了如圖2的電路。

采用橋式整流濾波電路[2]，其優點是電容電路簡單，可輸出較高電壓，紋波電壓較小，管子所承受的最大反向電壓較低。

穩壓斬波電路[5]的作用是將電壓幅值在一定范圍內變化的直流電通過周期性的斬波變為幅值固定電壓的直流電。在圖3的電路中的電容器C可減少輸出電壓中的紋波。C的儲能能力越大，對減少紋波和維持供電越有利。

3.4 傳遞裝置設計

3.4.1 傳動裝置對比分析

本文在傳統的皮帶傳動、鏈傳動和齒輪變速裝置[4]基礎上，設計了綠色發電系統。傳統的帶傳動有很多缺點，在傳動過載時會出現嚴重的打滑現象，引起帶的過熱甚至變形，同時設備外形輪廓尺寸較大，帶的壽命較短。相反鏈傳動解決了這些問題，可以保證在兩軸中心相距較遠的情況下傳遞運動和動力；可以在低速、重載、高溫和塵土飛揚等各種不良環境下仍保證準確的平均傳動比，效率可達0.95～0.97，且作用在軸和軸承上的力較小。

3.4.2 鏈條的選擇

根據對健身房健身設施的實地測量，選擇合適的滾子鏈，參考我國滾子鏈規格和主要參數，選擇08A型滾子單排鏈，得節距12.7，滾子直徑7.92。

3.4.3 鏈齒數及傳動比的選擇

由于該裝置屬于低速傳動，根據市場調研和查閱資料，假設選取小鏈輪齒數Z=14，選擇節距P=12.70mm，發電機轉速n=180r/min，則小鏈輪的角速度：

所以所選鏈條的線速度：

小鏈輪齒數為保證精度和剛度根據鏈速選擇，可根據表2進行選擇：

由于設計的鏈速小于表1中的最小鏈速0.6m/s，因此可以選擇小齒數Z=14。

根據發電機轉速確定傳動比：

所以大齒輪齒數：Z0=z×i=45.808，因此選取大鏈輪齒數Z0=46。

利用公式計算齒輪分度圓的直徑：

d=p/sin（180°/z）

小齒輪分度圓直徑為57.07mm，圓整為58mm，則大齒輪分度圓直徑為186.1mm，圓整為187mm。

4 結束語

綠色發電裝置是指人體的運動過程中，將做工的機械能轉換為電能儲存起來，供人們日常所需有著減少二氧化碳排放的功效。將人體消耗的生物質能進行有效的收集和利用，既提高了健身房的管理形象，使其在競爭中處于領先地位，又響應了國家綠色環保的號召，節約能源，達到了循環再利用。這也是我們現代社會發展非常提倡和鼓勵的節約方式。

參考文獻：

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[2]劉佰龍，石群.減震自行車發電系統設計的研究[J].科技傳播，2014，6（12）：75-76.

[3]閆俊伢.一種基于切割磁感線的自行車發電裝置設計[J].內蒙古師范大學學報（自然科學漢文版），2015，44（05）：617-619+624.

[4]李龍龍.基于健身器材的發、用電系統的設計[J].科技創新導報，2010（26）：25-26.

[5]劉紅濤，逯博文，趙亞南，等.健身單車發電系統裝置的研究[J].科技經濟市場，2014（04）：14.

[6]馮玉凈，孫昌軍，李發偉.中國商業健身俱樂部的歷史演變及發展趨勢[J].體育成人教育學刊，2017，33（01）：19-21.