一种基于上下往复式健身设备的分布式发电系统设计.pdf

第 3 4卷 第 8期 2 0 1 2年 8月 华 电 技 术 Hu a d i a n Te c h n o l o g y Vo 1 3 4 No 8 Au g 201 2 一 种基 于上 下往复式健 身设备的分布式 发 电系统设计 张宇。 ， 张行 ， 史良宵 ， 林灏凡 ， 郝关娟 ， 耿江华 ， 季志远。 ( 华北电力大学 a 电力与电子工程学院I b 能源动力与机械工程学院； c 控制与计算机工程学院， 河北 保定0 7 1 o o o ) 摘要： 介绍了一种基于上下往复式健身设备的分布式发电系统 ， 该系统能够将双向输入转化为单向输出， 不论选定的 定滑轮替代品做正方向或反方向转动， 都能够通过棘轮机构实现转向一致的终端输出， 通过齿轮组的提速使终端输出高 转速， 进而带动发电机发电， 符合节能减排的要求。试验表明， 其平均发电功率为2 0 0 W， 最小重物质量为 3 1 5 6 ， 每台 设备 1 6 8年可以收回成本， 具有非常广阔的应用价值。 关键词： 健身设备； 定滑轮； 棘轮机构； 双向输入单向输出； 发电机； 蓄电池组 中图分类号 ： T H 6 9 文献标志码 ： A 文章编号 ： 1 6 7 41 9 5 1 ( 2 0 1 2 ) 0 8 0 0 2 2 0 4 0 引言 目前 ， 全民健身已经成为一种潮流， 各种各样 的 健身设备应运而生 ， 如果把健身 的能量储存起来是 非常可观的。国内、 外 已有一些公司研制出了可发 电的健身设备 ， 但 目前这种技术仅仅是把健身设备 与发电设备结合起来做成一个整体 ， 其成本非常高 ， 普通 的以盈利为 目的的健身房难 以接受， 而且将现 有健身设备更换为这些新型可发电健身设备需要很 长的周期 。从技术上说 ， 这些发电装置都是在 圆周 运动 的健身设备上进行改进 ， 比如有氧 自行车 、 椭 圆 机等， 而更具普遍性的健身设备是利用重物的重量 进行上下往复运动， 现在 尚没有发电装置可以利用 这类健身设备发 电。 目前 ， 大多数健 身房都 已初具 规模 ， 原来投入的健身设备很多 ， 将其全部更新为新 型可发电设备会造成原有设备的巨大浪费。如果能 够开发一种健身房专用 的发 电装 置， 在不影响原有 健身设备正常工作的前提下 ， 利用人们健身 的能量 来发电 ， 必能在节省投资的同时 ， 有效减少能源的浪 费。本文介绍的分布式发电装置突破 了这一技术难 关 ， 利用上下往复式健身设备发电并使健身设备与 发电设备相互独立。 l 可行性分析 ( 1 ) 该装置独立于原有健身设备 ， 不会影 响其 正常工作， 只要将其中一个靠近地面的定滑轮换为 收稿 日期 ： 2 0 1 2 0 4 2 3 基金项目： 国家自然科学基金项 目( 5 1 0 7 6 0 4 4 ) ； 中央高校基本 科研业务 费项 E l ( 0 9 M G 3 5 ) 箱体外面的定滑轮即可。 ( 2 ) 利用健身设备发电， 符合节能减排的要求 ， 发出的电可供健身房照明或用于其他用途。 ( 3 ) 机械传动装置零件标准化， 箱体设计专业 化 ， 利于大规模生产 ， 可大大降低成本。 ( 4 ) 装置成本低， 成本回收周期短， 健身房乐于 接受 。 ( 5 ) 符合 G B 5 0 1 8 9 -2 0 0 5 公共建筑节能设计 标准， 通用性强。 ( 6 ) 降低健身房成本 ， 为健身房赢取更多利润。 2 设计方案 总体设计方案如图 1 所示 。 图 1 总体设计方 案图 2 1 机械传动部分 机械传动机构包括 ： 3个棘轮 齿轮 ， ， ； 2 个棘轮皮带轮， ； 1 个定滑轮； 4根轴； 1 个永 磁交流发电机； 8个轴承 ； 箱体 ； 皮带轮 ； 3个 齿轮 ， ， 。图2为机械传动图。 假设滑轮顺时针转动 ， 此时只有棘轮齿轮转 动， 而棘轮齿轮不转， 齿轮逆时针转动， 齿轮 逆时针转动， 齿轮顺 时针转 动 ， 带动轴顺 时针转 动 ， 而棘轮皮带轮不转 ， 轴带动棘轮皮带轮顺时 针转动 ， 带动发电机顺时针转动 ； 当滑轮逆时针转动 第 8期 张宇， 等： 一种基 于上 下往复式健 身设备的分布式发 电系统设计 - 2 3 图 2机械传动图 时， 棘轮齿轮转动， 而棘轮齿轮不转， 此时齿轮 顺时针转动， 皮带轮顺时针转动， 带动棘轮皮带 轮顺时针转动 ， 带动轴顺时针转动， 棘轮齿轮不 转 ， 轴带动棘轮皮带轮顺时针转动， 带动发电机顺 时针转动。 2 2 设计原理 图中各齿轮的模数取相同的值 ， 所以， 传动比就 是分度圆直径之比； 同理 ， 各皮带轮计算时取有效直 径 ， 在计算力的过程 中， 则统一采用这些直径对应的 半径来计算 。设 图中各轮的有效半径分别为 r ， r ， r 3 ， r 4 ， r 5 ， r 6 ， r 7 ， r 8 ， r 9 ， r 1 o ， r 考虑到实 际情况 ， 设计 舒 张过程中和拉伸过程 中的传动 比不相 同， 设舒 张 时发 电机的稳定转速为 n， 拉伸过程 中发 电机的稳 定转速为 n 。以下各计算均以强臂机为例。 ( 1 ) 所需最小重物质量 的计算。最小重物质量 m的定义 ： 在不违反人们健身习惯 的情况下 ， 保证 人 的手臂从收缩状态能够以正常的速度回到舒展状 态所需重物的最小质量。此最小重物需要克服返回 过程中电机 的电磁转矩 以及摩擦 阻力 ， 稳定 时重物 保持一定速度下降 f：T 1 ， rs ， r7 r l o ， F mmi n 一， g 式 中： 为舒张过程 中转速稳定 时的 电磁 制动转 矩 ； F为发电机转速稳定时绳子 与定滑轮之间 的摩 擦力。 通过上式可以计算 出最小重物的质量 ， 并且可 以根据实际情况校验上述假设转速 n是否合理 ， 从 而选择合适的传动 比。 ( 2 ) 人所需 最 大拉 力 的计算 ( 带正 常 重物 m 时 ) F w ：m g+7 1 M ， - 2f d，9，l 1 式中： 为拉伸过程 中转 速稳定时 的电磁制 动转 矩 ； F w为发电机转速稳定时人 的拉力 。 设让过程中应选择合适的半径， 并且选择质轻 的材料制作滑轮 ， 尽量使变速箱有合适的传动比， 不 至于开始时用 的力和稳定时用 的力相差太大； 应根 据实际力量的大小选择额定功率合适 的发电机， 变 速箱制作过程中尽量使各部分的摩擦力降到最小， 使上述变速箱有较高的工作效率。 3 电气控制 3 1 发 电机 的选择 由于该发 电装置并不是每时每刻都在工作 ， 故 采用类似大型发电厂 的传统 电流励磁方式 ， 需要额 外的励磁电流 ， 并且对其控制也很复杂。考虑到该 装置发电功率并不是很大， 容量较小 ， 最终选用 了小 容量永磁式单相交流发 电机。这样一来 ， 一方面可 以不用关注发 电机内部建立磁场的情况 ； 另一方面 ， 对于发电机输出的单相交流电也容易控制 。 3 2 整流稳压部分原理 由于永磁式单相交流发电机输出的电压电流波 形与发电机的转速紧密相连， 而转速在一定范围内 波动 ， 因此 ， 电压和电流的幅值和频率 的变化都是不 规律的。鉴于此 ， 可采用整流 、 稳压效果非常好的高 精细复合管整流稳压 电路。在稳压电路 中， 负载 电 流 ， f2 要流过调整管 ， 输 出大电流的电源必须使用大 功率的调整管， 这就要求有足够大的电流供给调整 管的基极 ， 而一般的比较放大电路输 出的电流达不 到此值 ； 另一方面， 调整管需要有较高的电流放大倍 数才能有效地提高稳压性能 ， 但大功率管电流放大 倍数一般都不高 。解决办法是给原有 的调整管再配 上一个或几个管 ， 组成复合管 ， 稳压 电源 电路如图 3 所示 。 IR R 1 l I l B W 口 R ： 图 3整流 稳压 电 路 图 3中， 用复合管做调整管时， B G ：的反向电流 。 。 ：将被放大， 尤其是采用大功率管时， 反 向截止电 流 ， 。 。 比较大并随温度增高按指数增加 ， 很容易造成 高温空载时稳压电源 的失控 ， 使输出电压 增大。 误差信号 。 经放大加到 B G 的基极来减少 ， 枷 ， 可能迫使 1 3 G ： 截止。为了使调整管在不 同温度 下 都工作在放大 区， 常在 B G 的基极上加 电阻 R ， ， 接 t ， + 2 4 华 电技 术 第 3 4卷 到电源的正极或负极上。当温度或负载变化不大或 全用硅管时 ， 可不加这个 电阻。R 的阻 近似 由 下式决定 ： 接负极时 ， 接正极时 ， 式中 ： U 为电路 的输 出电压 ；U b 。 为 1管基极和发 射极 问的电压 ； 。 。 为指定的 1 管的反向截止电流。 发电机发的是幅值和频率均变化 的交流 电， 经 过如 图 3所示 的电路 中的单相桥后整流为直流 电。 直流电经过电感 L和电容 C滤波之后得到较为平 稳的电压波形， 再经过调整管 B G 。 ， B G 进行两级放 大后 ， 经由稳压管 D W 实现稳压的目的， 其整流稳压 过程如图 4所示。 3 3充电电路 3 3 1 电路原理 充电电路原理图如图 5所示 ， 当输出端按正确 极性接人设定的充电瓶后 ， 若输 出电压超过 电瓶的 输出电压 ， 则可控硅 S C R经可调节晶体管 Q的集电 极 电流触发导通， 电流经可控硅给电瓶充电。当电 压接近 电瓶 电压时， 可控硅关断 ， 停 止充 电。调 节 R ， 可调节晶体管 Q的导通电压 ， 一般可将 R 由大 到小调整到 Q导通 能触发可控硅 ( 导通 ) 即可。图 中发光管 D 用作电源指示 ， 而 D 用作充电指示。 3 3 2 元件选择 可控硅可用 1 0 A 1 0 0 V金封单向可控硅。触发 三极管 Q的参数为 6 0 V， 最大稳定工作 电流 ， M=1 A， 可选 用 2 S B 5 3 6 ， B 5 6 4 ， B 1 0 0 8 ， B 1 0 1 5或 2 S A 6 8 4 ， A 7 2 0等管子。R 用作限流保护 ， 若变压器 次级输 出电压合适 ， 充电电流 ( 平均值 ) 不超过 1 5 A， 该电阻亦可省去不用。 该充 电器若用于其他电压的蓄电池充 电( 如 2 4 V等) ， 则可适当增加 R ： 和 R 的阻值 ， 也可用波段 开关控制阻值转换 ， 使该充电器有更大的使用范围。 3 4蓄电池 节能减排 的宗 旨就是要节约物质资源和能量资 U J n 八 一 0 V V I 整流 图 5充 电 电 路原 理 图 源 ， 减少废弃物和环境有害物 ( 包括三废和噪声 ) 的 排放 ； 狭义而言 ， 节能减排是指节约能源和减少环境 有害物排放。因此 ， 当选用蓄电池的时， 也尽量从这 个角度出发。 蓄电池的种类主要有铅酸蓄电池 、 胶体蓄电池 、 镍氢蓄电池 、 锂离子蓄电池、 镍镉 电池 、 钠硫蓄电池 、 镍锌蓄电池和锌空气 蓄电池。其 中， 铅酸蓄电池可 靠性好 、 原材料易得 、 价格便宜 ， 是应用程度最高的 蓄电池之一 ， 但它 的比能量低 、 质量和体积太大 、 一 次充电行程较短 、 使用寿命短 、 使用成本过高。胶体 蓄电池是对普通铅酸蓄 电池的改进 ， 用胶体电解液 代换了硫酸电解液 ， 在安全性 、 蓄 电量 、 放电性能和 使用寿命等方面较普通铅酸电池有所改善 ； 另外 ， 胶 体蓄电池具有承受长时间放电能力 、 循环放电能力 、 深度放电及大电流放 电能力 、 过充电及过放 电自我 保护能力等优点 ， 维护量小、 性价 比高 ， 适用于供电 不稳定的环境 ， 是最理想 的用于循 环使用 的电池 。 从节约能源的角度出发， 它比一般蓄电池 的蓄 电量 大 ； 从减少环境有害物排放的角度出发 ， 它不会 出现 漏液、 渗液等现象 ， 逸气量小 ， 对环境危害很小； 从经 济角度考虑 ， 其性价 比相对 较高 ， 成本 回收周期较 短。所以， 经过长时间的调查研究 ， 决定选用胶体蓄 电池作为该装置的蓄电设备。 4 试验数据 本文以强臂机为例 ， 对该装置进行试验。选定 强臂机上一定滑轮 ， 用装置上的定滑轮替换它 ， 将 箱体的位置摆放好 ， 人为拉动强臂机进行锻炼。 U 一 O t I 图 4 整流稳压 图 稳压 U 0 t 第 8期 张宇， 等 ： 一种基 5 - - F g i复式健身设备的分布式发 电系统设计 。 2 5 4 1 最小重物的试验数据 在健身设备上按 5 k g的质量梯度加 以试验 ， 直 到找到能使设备可靠返 回的最小质量为 3 5 O O k g 。 按理论计算式计算 的最小重物质量为 3 1 5 6 k g ， 与 试验值很接近。该最小重物的质量对于健身者来说 完全可以胜任 ， 说明该装置具有可行性 。 4 2 电气部分试验数据 在发电机机端并联直流电压表 ， 在发 电机与蓄 电池的回路 中串联直流 电流表。当人健身 时， 读取 电压表和电流表的数值 ， 这 2个值会分别在某一值 的附近波动， 但波动范围不是很大， 记录人运动 1 个 周期的数据 ， 见表 1 。 表 1 运动1个周期的数据 考虑到人手臂收缩和舒张的时间都很短 ( 大约 1 5 S ) ， 而且两者的差异不是很大 ， 近似认为其时间 是相等 的。 因此 ， 运 动 1个 周 期 的 平 均 功 率 为 ( 2 5 2 1 8+1 6 3 7 3 ) 2= 2 0 7 9 6( w) 。 计及 电能从存 储进蓄电池到蓄电池释放 电能过程 中的损耗 ， 本文 取平均功率为 2 0 0 W。 表3 装置成本 根据有关标准 ， 发 1 k W h的电需要消耗 3 0 0 g 标准煤 ， 那么对于拥有 1 0台上下训练器 的健身房， 每年可节约煤耗 2 1 9 t ， 这部分煤用于发 电所产生 污染物的数据见表 4 。 表 4 2 1 9 t 煤用于发 电所产生的污染物t 项 目 数据 二氧化碳 二氧化硫 粉尘排放( 1 0 m飘尘 ) 氮氧化物 6 1 5 O 0 1 4 2 0 O 2 4 0 01 7 该发电装置不产生任何有害物质， 一定程度上 减少了电厂污染物的排放。 5 效益分析 6 结论 5 1 经济效益分析 假设在一个有 1 0台上下力量训练器 的小型健 身房安装该装置 ， 健身房每天运营时间为 1 2 h ， 每台 装置平均每天 的使用 时间为 1 0 h且每 天均处于额 定运行状态 ， 节电数据见表 2 。 表 2 节 电数据 项 目 数据 每天每台装置发 电量 ( k W h ) 健身房每天产生 总发 电量 ( k W h ) 健身房的年发电量 ( k W h ) 目前电价 元 ( k W h ) 每台装置每年节约的电费 元 健身房每年节约 的电费 元 2 2 0 7 3 0 0 O 6 4 3 8 43 8 0 对于拥有 1 0台上下训练器的健身房， 年发电量 基本可实现 自供 电照明， 成为“ 绿色健身房 ” 。每台 装置的成 本见表 3 ， 由表 3可知 ， 成 本 回收周期 为 7 3 8 ( 2 0 6 )= 6 1 5( d ) ， 合 1 6 8年 。 5 2 工业效益分析 相对于火力发 电厂 ， 该装置发电无污染物产生 ， 为绿色发 电。下面将 以火 电厂为例 ， 介绍该装置所 带来 的工业效益。 该装置的典型特征是能够将双向输入转化为单 向输 出， 不论选定的定滑轮替代品做正方 向或反方 向转动 ， 都能够通过棘轮机构实现转 向一致的终端 输出， 并通过齿轮组 的提速使终端输出高转速 ， 进而 带动发电机发电 ， 最终达到 了利用往复式运动健身 设备来发电的 目的， 符合节能减排 的要求。通过试 验数据的分析 ， 最小重物 的质量对于健身者来说完 全可以胜任 ， 说 明装置有很强的可行性。发 电机平 均发电功率为 2 0 0 W， 每台设备的投资收回周期为 1 6 8年。从工业效益上分析 ， 有效减少了煤燃烧时 污染物的排放 ， 能够满足节能减排 的要求 。 该装置突破相关领域 的技术难关 ， 使利用健身 房中的大多数设备进行发电的梦想成为可能， 有利 于建设资源节约型、 环境友好型社会 ， 践行科学发展 观 ， 符合节能减排的要求 ， 应用前景十分广阔。 参考文献 ： 1 陈乃力 理论力学 M 4版 北京： 高等教 育出版社， 2 0 09 2 成大先 机械设计手册( 第 1 卷) M 5版 北京： 化学工 业出版社， 2 0 0 8 ( 下转第 3 6页) 3 6 华 电技 术 第 3 4卷 1 5 0 MW 汽轮机组属技术改造项 目， 启动汽源来 自老 厂( 2 5 0 MW 汽轮机组) 三级抽汽。2 0 0 7年 6月老 机关停后 ， 由于设计上的诸多因素 ， 至今未安装启动 锅炉。在双机停运后的首次热态启动 中， 辅联箱无 汽源向轴封汽母管送汽， 给机组启动带来严重的安 全隐患 。 根据系统的实际情况 ， 在机组启动 中采取 以下 特殊运行调整方式 ： ( 1 ) 锅炉点火起压 ( 主蒸汽压力 I0 2 M P a ) 后 ， 检查并关闭低压旁路阀门。逐步开启高压旁路调整 阀 ， 联系锅炉运行人员开启再热器向空排汽 门， 控制 再热管道不超压 。 ( 2 ) 在 电动主蒸汽门前温度 1 5 0 o C时 ， 调整主 蒸汽到轴封汽母管来汽门， 向轴封母管送汽暖管 ， 当 轴封压力 、 温度正常后 ， 启动真空泵抽真空 。 ( 3 ) 在凝汽器真空系统正常后， 其余操作按正 常启动方式进行暖管疏水 。 ( 4 ) 当高排逆止 门前温度 、 中压 主蒸汽 阀壳 内 壁温度或汽缸任一点温度突降 5 时， 关闭高压旁 路调整阀。 通过以上调整 ， 确保 了机组安全启动。 3 4 除氧器无压运行原因分析及预防措施 3 4 1 原因分析 机组参与调峰导致机组经常处于变工况运行 以 及检修工艺及设备质量等方面 的因素， 导致 除氧器 附属设备频繁发生泄漏且无隔绝点。为减少非计划 停运次数 ， 除氧器需采取特殊运行方式即无压运行 ， 这会对给水泵的安全运行带来极大隐患。 3 4 2 预防措施 对热 力系统进行计算后 ， 在确保机组通流部分 不超 限的情况下调整机组功率 9 0 MW， 然后按照 抽汽参数从高到低 的顺序逐 步停运 1 ， 2 ， 3 ， 4段抽 汽 ， 最后节流 5段抽汽至本段加热器出水温度 8 5 且就地 除氧器压力到零为止 ， 顺利地配合 了检修 消缺。 3 5机组振动原 因分析及预防措施 3 5 1 原因分析 华电四川发电有限公司攀枝花分公司机组采用 高 、 中压缸联合启动的方法时 ， 由于再热器压力高 ， 高压缸排汽止回阀经常打不开， 高压缸蒸汽流量很 小 ， 大量的摩擦鼓风热量非常容易使高排温度升高 ， 致使排汽缸受热膨胀 引起 中心变化 ， 最终导致 汽轮 机产生振动。 3 5 2 采取 的措施 ( 1 ) 在机组 冲转前 ， 锅炉稳定燃烧 ， 保持汽温 、 汽压的稳定 。 ( 2 ) 在机组 冲转过程 中， 随着转速 的升高 和进 汽量 的增加 ， 主蒸汽压力逐渐降低 ， 此时逐渐关小高 压旁路阀。 ( 3 ) 机组定速及初始负荷