基于健身器材的绿色发电系统

雷宇 周广义

摘 要：能源是人类社会生存、国民经济发展的必备资源和重要的战略物资。能源紧缺以及由于能源消费而产生的生态环境恶化，促使着我们寻求更有效的能源利用手段。隨着科技的发展和社会的进步，人们对自己的生活追求也越来越高，健身已经成为现代人们生活中的一部分，大大促进了健身器材的不断改进和创新。而传统健身器材并没有能量回收，现设计一套基于健身器材的绿色发电系统，达到健身器材和发电装置一体化的效果，使运动的同时可以将机械能转化为电能，以绿色发电的方式节约经营的成本同时减少环境的污染。

关键词：健身；绿色发电；设计

中图分类号：TM61 文献标志码：A 文章编号：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

随着科技的发展和社会的进步，人们的生活水平也在不断提升，手机电脑等高科技产品的使用，使越来越多的人身体处于亚健康状态，人们意识到运动能给人们带来诸多益处。然而，由于外界空气污染日益严重，为了保持良好的身体机能，人们大多愿意选择在室内健身房进行锻炼，但是根据调查显示，在健身房锻炼的人群主要是利用跑步机、力量器械、有氧操、瑜珈等常规的项目进行锻炼，多数人偏爱于跑步机与力量器械。如果我们能够设计一套装置，以消耗卡路里转化为机械能再转化为电能的方式将人体生物能源利用起来，将产生更多的经济效益和社会效益。现阶段火力发电仍然是我国的主导，节约所使用的电能也就是减少了二氧化碳的排放。

2 绿色发电系统市场需求分析

2.1 健身产业发展趋势[6]

2014年针对20-69岁人群的调研发现，我国经常参加体育锻炼的人群有51%，比2013年提高1.5个百分点。自2009年起，我国经常参加体育锻炼的人数逐年增加，2014年已达到3.83亿人，中国的健身行业相较邻国日本、韩国等对比来说还有至少四倍的增长空间。健身房本身面对的就是老少皆宜的广大群众，而庞大的健身人口为健身行业带来巨大的需求，健身房的数量也随之急剧增长，因此未来我们项目的市场非常巨大，可行性极高。

2.2 健身房能耗分析

在健身房逐渐被人们所认同的道路上，健身房对电能的消耗量也是不容小觑的。一般跑步机的功率是2.5～2.8P的功率，也就是1800～2100W，两小时的耗电量在3.6～4.2度区间。普通市区的一个健身房一般至少有15台左右的跑步机，工作10小时的耗电量为270～315度电左右，可见其耗电量之高。在跑步机上慢走每半小时消耗热量75卡，假设人重60KG，速度为1m/s，则动能为30J输出的功约每秒钟做功30J。如果将运动10小时的能量（利用率约40%）收入利用起来将能够供给大约24台跑步机运转10小时。

2.3 绿色发电优势

本装置能够有效利用人体运动多余的生物质能，使其产生的电能不仅仅适用于用电健身器材，还能用于照明或小功率用电设备，使健身爱好者有新的健身体验，激发顾客的环保意识。可将机械能转化为电能作储存处理，提高利用率。自由安装拆卸，不影响健身器材的观赏性。

本装置能量来源于人体运动产生的机械能，在人体的健身过程中，将人体消耗的生物能进行有效的收集和利用，并对产生的机械能进行转换，维护简单，无任何附加成本。

与传统健身器材相比较，利用该装置设备，可使其产生的电能不仅仅适用于用电健身器材，还能用于照明或小功率用电设备。人们在健身的同时又为设备提供了电力，达到了良性循环。

在用户体验的方面上，绿色发电装置[1]产生电量的多少与健身者锻炼的强度和锻炼的时间有关，可以直观的看出自己运动量的多少，提高他们的積极性，令健身爱好者有新的健身体验，同时减少能源的消耗和不必要的环境污染，符合国家保护环境的方针。既能做到节能减排又能做到耗能回收，还能帮助人们强健体魄。

将机械能转换为电能储存起来，相比传统水力发电机、火力发电机，本装置省却了中间的机械能转换过程，提高了能量的利用率。经过反复试验，人体正常的健身工作的一小时，可用于日常小功率照明7～8小时。

本装置属于插件，即可以随时对健身器进行安装拆卸，而不会对健身器材本身造成任何伤损。其次，该装置体积不大，不会影响健身器材本身的美观。

3 基于健身器材的绿色发电系统设计

3.1 系统构成

为了能将发电装置产生的电能储存起来，让运动消耗的一部分能量能够为照明或小功率用电设备提供能源，本装置通过传动装置、永磁发电机、二极管、24V的蓄电池等一系列设备进行储电处理。

由于人们使用健身器械时的齿轮转速较低，此产品通过减速器传动装置，将低转速转变为高转速，转速提高到一定的倍数并带动永磁发电机的转子转动，此时发电机输出具有一定电压、频率脉动的交流电，再经过二极管整流桥整流使之变为电压脉动的直流电，电压脉动的直流电再经过滤波装置和稳压装置，得以输出稳定幅值的直流电压，再接于24V的蓄电池将电能存储起来；当用电设备接入运行时，控制板发出控制信号，蓄电池向负载进行放电。

3.2 控制模块设计

由于发电机[1]提供的电源频率波形并不是理想的正弦波，电压波动、频率波动、波形畸形和瞬时停电等情况都可能使对电流敏感的设备停止运行，同时电压尖脉冲极可能会损坏设备中的原件。因此需要中断控制电路对其进行控制，本装置利用Arduino单片机控制电路主芯片对电流的有无进行高低电平的设置，最终得以实现电路的通断控制。当外设判断到发电设备停止运作时，告知中断控制器，切断电路，以保证当设备因停止运作而断电时，使整个电路断开，防止蓄电池电流的回流，以保证蓄电池工作的独立性。

3.3 整流稳压模[3]设计

整流滤波电路的作用是将交流电变换为直流电，设计了如图2的电路。

采用桥式整流滤波电路[2]，其优点是电容电路简单，可输出较高电压，纹波电压较小，管子所承受的最大反向电压较低。

稳压斩波电路[5]的作用是将电压幅值在一定范围内变化的直流电通过周期性的斩波变为幅值固定电压的直流电。在图3的电路中的电容器C可减少输出电压中的纹波。C的储能能力越大，对减少纹波和维持供电越有利。

3.4 传递装置设计

3.4.1 传动装置对比分析

本文在传统的皮带传动、链传动和齿轮变速装置[4]基础上，设计了绿色发电系统。传统的带传动有很多缺点，在传动过载时会出现严重的打滑现象，引起带的过热甚至变形，同时设备外形轮廓尺寸较大，带的寿命较短。相反链传动解决了这些问题，可以保证在两轴中心相距较远的情况下传递运动和动力；可以在低速、重载、高温和尘土飞扬等各种不良环境下仍保证准确的平均传动比，效率可达0.95～0.97，且作用在轴和轴承上的力较小。

3.4.2 链条的选择

根据对健身房健身设施的实地测量，选择合适的滚子链，参考我国滚子链规格和主要参数，选择08A型滚子单排链，得节距12.7，滚子直径7.92。

3.4.3 链齿数及传动比的选择

由于该装置属于低速传动，根据市场调研和查阅资料，假设选取小链轮齿数Z=14，选择节距P=12.70mm，发电机转速n=180r/min，则小链轮的角速度：

所以所选链条的线速度：

小链轮齿数为保证精度和刚度根据链速选择，可根据表2进行选择：

由于设计的链速小于表1中的最小链速0.6m/s，因此可以选择小齿数Z=14。

根据发电机转速确定传动比：

所以大齿轮齿数：Z0=z×i=45.808，因此选取大链轮齿数Z0=46。

利用公式计算齿轮分度圆的直径：

d=p/sin（180°/z）

小齿轮分度圆直径为57.07mm，圆整为58mm，则大齿轮分度圆直径为186.1mm，圆整为187mm。

4 结束语

绿色发电装置是指人体的运动过程中，将做工的机械能转换为电能储存起来，供人们日常所需有着减少二氧化碳排放的功效。将人体消耗的生物质能进行有效的收集和利用，既提高了健身房的管理形象，使其在竞争中处于领先地位，又响应了国家绿色环保的号召，节约能源，达到了循环再利用。这也是我们现代社会发展非常提倡和鼓励的节约方式。

参考文献：

[1]陈圣吉，郑阳，段波，等.基于电力电子控制电路的健身单车发电系统的研制[J].科技创新导报，2009（04）：79.

[2]刘佰龙，石群.减震自行车发电系统设计的研究[J].科技传播，2014，6（12）：75-76.

[3]闫俊伢.一种基于切割磁感线的自行车发电装置设计[J].内蒙古师范大学学报（自然科学汉文版），2015，44（05）：617-619+624.

[4]李龙龙.基于健身器材的发、用电系统的设计[J].科技创新导报，2010（26）：25-26.

[5]刘红涛，逯博文，赵亚南，等.健身单车发电系统装置的研究[J].科技经济市场，2014（04）：14.

[6]冯玉净，孙昌军，李发伟.中国商业健身俱乐部的历史演变及发展趋势[J].体育成人教育学刊，2017，33（01）：19-21.