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摘 要： 在國內(nèi)節(jié)能減排認識不斷深化背景下，環(huán)保理念愈發(fā)受人們重視，很多節(jié)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(nèi)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(qū)等無電源條件下
在國內(nèi)節(jié)能減排認識不斷深化背景下，環(huán)保理念愈發(fā)受人們重視，很多節(jié)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(nèi)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(qū)等無電源條件下，這種發(fā)電方式展現(xiàn)出良好實用性，按照其實現(xiàn)原理完成系統(tǒng)開發(fā)和實驗，將自行車動力當作能源，依靠能量轉(zhuǎn)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(nèi)，有利于解決特殊場合發(fā)電供電問題。因此，本文提出了自行車健身制動發(fā)電系統(tǒng)的設計，并詳細介紹系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、模擬測試與結(jié)論。
經(jīng)過對比，采用發(fā)電花鼓與蓄電池結(jié)合的方法，在騎行時發(fā)電并對蓄電池充電具有較明顯的優(yōu)勢。也就是說，在自行車產(chǎn)業(yè)蓬勃發(fā)展的情況下，自行車發(fā)電花鼓現(xiàn)實價值非常顯著，已成為推動國內(nèi)節(jié)能減排建設、貫徹可持續(xù)發(fā)展思路最關(guān)鍵途徑之一。此外，自行車發(fā)電花鼓涉及機、電等兩個方面，制造工藝和質(zhì)量控制的技術(shù)門檻遠高于車閘等傳統(tǒng)產(chǎn)品，這具有十分重要的創(chuàng)新意義。基于以上原因，進軍自行車制動發(fā)電等領(lǐng)域，更多融入公民的健身市場，從而實現(xiàn)多元化轉(zhuǎn)型，維護城市環(huán)境長期穩(wěn)健發(fā)展，意義十分重大。
自行車健身制動發(fā)電系統(tǒng)的設計不僅可以解決城市環(huán)境污染的問題，同時避免了高額發(fā)電所耗費能源的成本，提高發(fā)電利用率。進一步促進節(jié)能減排業(yè)的發(fā)展，對機械結(jié)構(gòu)節(jié)能化環(huán)保化的研究具有巨大的理論意義和實用價值。系統(tǒng)總體設計
根據(jù)功能原理進行劃分，本系統(tǒng)又包含發(fā)電、充電、逆變器三個子系統(tǒng)，系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)詳情參見圖1。其中1-傳送帶;2-發(fā)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(fā)電部分利用自行車、發(fā)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(guān)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(zhuǎn)變成交流電，滿足供電需求。
系統(tǒng)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(fā)電機動作，所形成電能保存到充電電池內(nèi)。結(jié)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(zhuǎn)速2750r/min狀態(tài)下，輸出250W，轉(zhuǎn)軸直徑8mm.因為發(fā)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(chǎn)生22V電壓，促使充電電路始終穩(wěn)定工作。引用真實數(shù)據(jù)資料不難發(fā)現(xiàn)，理論層面后輪旋轉(zhuǎn)1周時，發(fā)電機轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)82.5周。針對后輪轉(zhuǎn)速，能夠以支架上安裝速率傳感器方式采集確定。
充電系統(tǒng)核心宗旨在于維護電池充電安全性并完成狀態(tài)控制。構(gòu)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(tǒng)充電電路硬件結(jié)構(gòu)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(xiàn)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(yōu)化調(diào)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(xù)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(fā)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(qū)間內(nèi)，如果偏大，必然出現(xiàn)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(tǒng)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(guān)表達式如下：
在發(fā)電機選擇位置進行發(fā)電的過程中，要首先注意發(fā)動機位置范圍。觀測后輪、發(fā)電機轉(zhuǎn)軸兩者軸心距(維護系統(tǒng)穩(wěn)定運行)與發(fā)電效率間關(guān)系，其間距可依次設定成92cm、94cm，太大/太小都將產(chǎn)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(fā)動機位置設置工作流程圖如圖3所示。
結(jié)合上圖進行說明，2750r/min轉(zhuǎn)速條件下，發(fā)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(fā)電機與車間距94cm情況下，產(chǎn)生22V電壓所要求轉(zhuǎn)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(zhuǎn)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(tǒng)實驗結(jié)果
為獲得零負載狀態(tài)下充電時長，耐久轉(zhuǎn)速54r/min，電壓21V，結(jié)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(guān)數(shù)據(jù)折線圖如圖4、5所示。
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結(jié)合上圖進行說明，通過圖例分析不難發(fā)現(xiàn)，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(xù)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(guān)臨界態(tài)。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(fā)射極。
光耦I(lǐng)C1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(tài)。充電電流迅速減小到約0.7A。接著電壓波動同時穩(wěn)定在12V。在110min時，散熱裝置使MOSFET降溫，內(nèi)阻也隨之變小，充電電流出現(xiàn)反彈，再慢慢變小到0.24A。當電池結(jié)束充電，由于其內(nèi)有化學反應，電壓出現(xiàn)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(jù)peukert定律，這類電池容量隨放電速率升高而減小。
結(jié)語
通過與我國城市環(huán)境現(xiàn)狀的對比，本文設計了自行車健身制動發(fā)電系統(tǒng)的發(fā)電、整流穩(wěn)壓、蓄電、用電過程。騎行過程中通過安裝發(fā)電花鼓給蓄電池充電，可隨時隨地實現(xiàn)對電子產(chǎn)品的供電，必要時也可通過手搖腳踏板發(fā)電。同時，對產(chǎn)生的其他電流可以進行統(tǒng)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(fā)電系統(tǒng)的設計不僅可以解決城市環(huán)境污染的問題，同時避免了高額發(fā)電所耗費能源的成本，提高發(fā)電利用率。在該產(chǎn)業(yè)日益成熟背景下，自行車發(fā)電花鼓現(xiàn)實價值非常顯著，已成為推動國內(nèi)節(jié)能減排建設、貫徹可持續(xù)發(fā)展思路最關(guān)鍵途徑之一。——論文作者：高玉健 宋佳碩 劉佳泓
