一種自行車健身制動發電系統

發布時間：2021-05-13所屬分類：工程師職稱論文瀏覽：1次

摘 要： 在國內節能減排認識不斷深化背景下，環保理念愈發受人們重視，很多節能裝置的設計越來越被提倡并且層出不窮。近些年，國外一些健身房依靠健身器材運動滿足室內照明需求，通過騎自行車給露天影院投影儀供電理念同樣被人們廣泛支持。野外、山區等無電源條件下

　　在國內節能減排認識不斷深化背景下，環保理念愈發受人們重視，很多節能裝置的設計越來越被提倡并且層出不窮。近些年，國外一些健身房依靠健身器材運動滿足室內照明需求，通過騎自行車給露天影院投影儀供電理念同樣被人們廣泛支持。野外、山區等無電源條件下，這種發電方式展現出良好實用性，按照其實現原理完成系統開發和實驗，將自行車動力當作能源，依靠能量轉化完成電能集中存儲與利用，而多出部分保存于充電電池內，有利于解決特殊場合發電供電問題。因此，本文提出了自行車健身制動發電系統的設計，并詳細介紹系統結構、模擬測試與結論。

　　經過對比，采用發電花鼓與蓄電池結合的方法，在騎行時發電并對蓄電池充電具有較明顯的優勢。也就是說，在自行車產業蓬勃發展的情況下，自行車發電花鼓現實價值非常顯著，已成為推動國內節能減排建設、貫徹可持續發展思路最關鍵途徑之一。此外，自行車發電花鼓涉及機、電等兩個方面，制造工藝和質量控制的技術門檻遠高于車閘等傳統產品，這具有十分重要的創新意義�；�于以上原因，進軍自行車制動發電等領域，更多融入公民的健身市場，從而實現多元化轉型，維護城市環境長期穩健發展，意義十分重大。

　　自行車健身制動發電系統的設計不僅可以解決城市環境污染的問題，同時避免了高額發電所耗費能源的成本，提高發電利用率。進一步促進節能減排業的發展，對機械結構節能化環�；�的研究具有巨大的理論意義和實用價值。系統總體設計

　　根據功能原理進行劃分，本系統又包含發電、充電、逆變器三個子系統，系統總體結構詳情參見圖1。其中1-傳送帶;2-發電機;3-充電電池;4-變壓器;5-充電電路;6-逆變器;7固定裝置;8-自行車。

　　其中，發電部分利用自行車、發電機、橡膠傳送帶等組成;充電部分利用對應控制電路與充電電池組成;逆變器屬于不可或缺關鍵元件，相連電池和投影儀，核心宗旨在于將電池輸出直流電轉變成交流電，滿足供電需求。

　　系統部分硬件設計

　　事實上，身體化學能采用機械做功，依靠傳送帶牽引發電機動作，所形成電能保存到充電電池內。結合實際情況考慮，本次選擇單速車，后輪直徑660mm，同時配備踏板固定裝置，更輕松、更省力。依靠傳送帶相連24VBDC電機，轉速2750r/min狀態下，輸出250W，轉軸直徑8mm.因為發電期間會有機械等諸多損耗，所以本實驗采用輸出功率偏大電機，還可以產生22V電壓，促使充電電路始終穩定工作。引用真實數據資料不難發現，理論層面后輪旋轉1周時，發電機轉軸旋轉82.5周。針對后輪轉速，能夠以支架上安裝速率傳感器方式采集確定。

　　充電系統核心宗旨在于維護電池充電安全性并完成狀態控制。構建控制電路時，必須考慮各方面問題，包括充電電流限制以及短路等保護問題。系統充電電路硬件結構圖如圖2所示，因為鉛蓄電池具有可重復充電、容量大特點，陰極存在電流輸入或輸出，二極管必須按電流流向接入陰極，避免出現逆流問題。另外考慮到電池壽命情況，面向一些必然性影響因素開展優化調整，盡可能降低影響程度，詳情參見下圖2，包括過度充電與深放電保護、恒定電流充電電路。

　　其中，充電電池工作過程中，如果深放電致使電壓處于零界點EDV以下，再次放電將造成電壓快速到0，同時影響正常壽命甚至遭受不可挽回破壞;持續充電期間，一旦處于滿電壓水平，再次充電將造成電壓快速升高，電池溫度也會升高，若升高到終端失控溫度，容易發生炸裂情況，后果非常惡劣。另外，充電電流必須限定到相應區間內，如果偏大，必然出現較大電壓(大于析氣電壓)，引起電池爆裂，如果偏小，無法滿足實際需求，造成電池電壓小于EDV。

　　系統軟件設計

　　恒流充電電路組成較多，主要有LM236二極管、BJT、MOSFET管等等，按照Ohm定律和Kirchhoff定律計算流過MOSFET漏極充電電流TD，相關表達式如下：

　　在發電機選擇位置進行發電的過程中，要首先注意發動機位置范圍。觀測后輪、發電機轉軸兩者軸心距(維護系統穩定運行)與發電效率間關系，其間距可依次設定成92cm、94cm，太大/太小都將產生不良影響，即造成傳送帶太緊/太松，最終讓實驗無法順利完成。發動機位置設置工作流程圖如圖3所示。

　　結合上圖進行說明，2750r/min轉速條件下，發電電壓是24V：

　　效率1=2520/(56*82.5)*100%=55%(d=92cm);

　　效率2=2520/(53*82.5)*100%=58%(d=94cm)

　　發電機與車間距94cm情況下，產生22V電壓所要求轉速是53r/min左右，明顯低于另一組。正常車速是60r/min~70r/min，高于所需轉速53r/min。換言之，常速騎行能夠滿足電池充電需求。實際測試階段，53r/min~55r/min被視作相對耐久騎速。

　　系統實驗結果

　　為獲得零負載狀態下充電時長，耐久轉速54r/min，電壓21V，結合實際情況考慮，本次選擇21VDC電壓來測試。測試的電池電壓與充電電流相關數據折線圖如圖4、5所示。

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　　結合上圖進行說明，通過圖例分析不難發現，初始電池電量低，LED1紅燈顯示，電壓快速提高，充電電流是常量。只要處于11.8V水平，那么顯示隨之熄滅。繼續提高到11.88V，LED2綠燈微閃，充電電流慢慢變小。這種情況下，可判斷T2(BJT)呈開關臨界態。如果T2的VGS不超過0.6V，那么T2正常導通，電流會確定相應支路，并依次流向LED1、IC1及T2集電極和發射極。

　　光耦IC1導通，面向RI0、VRI完成電壓分配，那么通過T5(BJT)柵極電流隨之變小。當電池電壓上升至12V，LED2綠燈亮(亮度很高)，可判斷當前大致呈滿電態。充電電流迅速減小到約0.7A。接著電壓波動同時穩定在12V。在110min時，散熱裝置使MOSFET降溫，內阻也隨之變小，充電電流出現反彈，再慢慢變小到0.24A。當電池結束充電，由于其內有化學反應，電壓出現輕微降低。剛開始電池可充電到12.8V，但接著幾次充電時，最大電壓始終小于或等于12.5V。根據peukert定律，這類電池容量隨放電速率升高而減小。

　　結語

　　通過與我國城市環境現狀的對比，本文設計了自行車健身制動發電系統的發電、整流穩壓、蓄電、用電過程。騎行過程中通過安裝發電花鼓給蓄電池充電，可隨時隨地實現對電子產品的供電，必要時也可通過手搖腳踏板發電。同時，對產生的其他電流可以進行統一儲備，具有較好的推廣價值和應用前景。自行車健身制動發電系統的設計不僅可以解決城市環境污染的問題，同時避免了高額發電所耗費能源的成本，提高發電利用率。在該產業日益成熟背景下，自行車發電花鼓現實價值非常顯著，已成為推動國內節能減排建設、貫徹可持續發展思路最關鍵途徑之一。——論文作者：高玉健 宋佳碩 劉佳泓