CN103825292B - 实现运动能量回收发电的节能装置及其控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种实现运动能量回收发电的节能装置包括运动健身器材、发电机、充电装置、储能装置、逆变器以及控制装置，运动健身器材与发电机电连接，发电机与充电装置电连接，充电装置与储能装置电连接，储能装置与逆变器电连接，控制装置分别与充电装置、储能装置、逆变器、交流电源以及负载相连，交流电源与负载相连，逆变器的输出端与负载的输入端连接。本发明的节能装置具有结构简单，自动运行,可以根据负载的大小自动调节发电量的大小，依赖电网独立运行，不向电网输送电能避免并网发电，电能自发自用，最终实现电能的节省，同时还能根据使用者的力度大小实时调整发电机的转矩，以保证不同力度的使用者均可以使用健身器材对发电机进行发电。

Description

实现运动能量回收发电的节能装置及其控制方法

技术领域

本发明涉及一种蓄能发电式健身器，尤其涉及一种实现运动能量回收发电的节能装置及其控制方法。

背景技术

随着人们的生活水平提高，户内运动健身器材已经普遍。使用者在使用过程中将自身的运动动能转化为运动健身器材的机械势能，而运动健身器材的机械势能只能变为热能消耗掉，如果散热不良容易造成运动健身器材的损坏，减少运动健身器材的使用寿命，同时还造成了能源的浪费。

为此，有技术人员提供一种能将使用者的运动动能通过运动健身器材和发电机转化为电能并储存的设备。例如，中国专利文献CN101934126B公开“一种蓄能发电式健身器”，包括运动健身器材、运动健身器材液压泵、液压蓄能器和油路分配控制模块、发电模块组成,其中,运动健身器材液压泵与运动健身器材联动连接,液压蓄能器与运动健身器材液压泵相连,实现健身能量回收,发电模块与液压蓄能器相连,将回收的健身能量释放并发电。此装置虽然能将使用者的运动动能转化为电能，但是其在回收能量并发电后还需要人工手动操作才能应用在负载上，也不能根据负载所需要功率大小进行输出电量的自动调节，在储存能量不能够支持负载的正常运行的情况下不能自动启用交流电，使得负载使用过程中容易因电量不足而暂停工作，影响人们的正常使用。

另外，由于现有的发电机在使用过程中的转矩一般都是一定，而使用运动健身器材的使用者的力度不均，力度较小的在使用过程中可能无法启动发电机，力度较大的在使用过程中又会出现能源浪费，而如果配合不同使用者对发电机的转矩进行手工调整，这样又会增加使用者的工作量，调整工序也比较繁琐。

发明内容

本发明的目的在于提出一种实现运动能量回收发电的节能装置，其能将运动健身器材的运动动能通过发电机转发为电能，存储在储能装置内，并自动控制储能装置根据负载的实际需要进行送电，且在储能装置的电量不足的情况下，能自动控制交流电对负载进行送电，保证负载的正常使用。

本发明的另一个目的在于提出一种实现运动能量回收发电的节能装置，其可以根据使用者的力度大小实时调整发电机的转矩，以保证不同力度的使用者均可以使用运动健身器材对发电机进行发电。

为达此目的，本发明采用以下技术方案：

一种实现运动能量回收发电的节能装置，包括运动健身器材、发电机、充电装置、储能装置、逆变器以及控制装置，所述运动健身器材与所述发电机电连接，所述发电机与所述充电装置电连接，所述充电装置与所述储能装置电连接，所述储能装置与所述逆变器电连接，所述控制装置分别与所述充电装置、所述储能装置、所述逆变器、交流电源以及负载相连，所述交流电源与所述负载相连，所述逆变器的输出端与所述负载的输入端连接。

通过将控制装置与储能装置、交流电源、逆变器以及负载连接，可以根据负载的实际需要电量，控制储能装置对负载进行补充电量或者直接利用交流电源进行供电，保证负载在任何情况下均能正常使用。

作为运动能量回收发电的节能装置的一种优选方案，所述控制装置包括用于检测正在使用的所述负载的工作功率以及所述储能装置的存储电量的检测模块、用于接收并处理来自所述检测模块的信号的信号处理模块、用于控制所述储能装置的工作模式的充放电控制模块以及用于决定所述储能装置的并网输出功率的并网放电控制模块；

所述检测模块的输入端分别连接所述负载以及所述储能装置，所述检测模块的输出端分别连接所述信号处理模块的输入端以及所述充放电控制模块的输入端；所述充放电控制模块用于根据检测所述储能装置的充电输入端是否有功率输入控制所述储能装置的工作模式，所述储能装置的工作模式包括充电模式、放电模式以及待机模式；所述信号处理模块与所述充放电控制模块电连接，用于在所述储能装置工作处于放电模式时，根据所述检测模块的检测信号生成相应的电池功率输出控制信号，所述充放电控制模块与所述并网放电控制模块电连接，所述并网放电控制模块的输出端分别连接所述负载以及所述储能装置，用于根据所述负载的用电功率控制储能装置的输出功率。

作为运动能量回收发电的节能装置的一种优选方案，所述充电装置包括功率检测单元、充电管理单元以及电能输出单元；

所述功率检测单元的输入端连接所述发电机的输出端，用于实时检测发电机的输出功率；所述功率检测单元的输出端连接所述充电管理单元的输入端，用于根据所述发电机的输出功率选择所述发电机的工作力矩；所述充电管理单元的输出端包括电能输出控制端以及力矩选择控制端；所述力矩选择控制端连接所述发电机，用于控制或选择所述发电机的工作力矩；所述电能输出控制端连接所述电能输出单元，所述电能输出单元的输出端连接所述储能装置，用于控制所述电能输出单元向所述储能装置输出电能的大小。

通过将充电装置与发电机连接，在利用运动健身器材的运动使发电机对储能装置进行充电时，充电装置可以根据运动健身器材反馈给发电机的输出转矩的大小，对发电机的工作转矩进行调整，以保证不同力度大小的使用者均能通过运动健身器材启动发电机发电。

作为运动能量回收发电的节能装置的一种优选方案，所述储能装置为铅酸蓄电池或者锂电池或者其它化学电池。

作为运动能量回收发电的节能装置的一种优选方案，所述发电机为直流永磁发电机或交流永磁发电机。

进一步的，所述负载为家用电器。

优选的，所述负载为冰箱、洗衣机、电视或者空调。

进一步的，所述发电机的输出功率由所述发电机的工作力矩及转动速度决定，所述工作力矩包括最小工作力矩和最大工作力矩，所述发电机的启动力矩为最小工作力矩。

一种节能装置的控制方法，使用如上所述实现运动能量回收发电的节能装置，包括以下步骤：

步骤S10、使运动健身器材开始工作，所述运动健身器材带动发电机发电，所述发电机开始输出功率，充电装置根据所述发电机的输出功率重新设定所述发电机的力矩，同时控制电能输出单元开始输出电能，控制装置检测到所述电能输出单元输出电能后，控制储能装置工作于充电模式，所述发电机通过充电装置对所述储能装置进行充电；

步骤S20、运动健身器材停止工作，控制装置检测到所述电能输出单元不输出电能后，控制所述储能装置工作于待机模式，即所述储能装置不充电也不放电；

控制装置检测所述储能装置内的存储电量，判断所述存储电量是否大于预设的放电电量；

若是，再判断所述负载的工作状态，如果所述负载正在工作且所述负载的功率大于或者等于100W，所述控制装置控制所述储能装置工作于放电模式，开始对所述负载供电，如果所述负载的功率小于100W或者所述负载处于停止工作状态，所述控制装置控制所述储能装置处于待机模式；

否则，控制所述储能装置仍工作于待机模式。

作为控制方法的一种优选方案，所述控制装置控制所述储能装置工作于放电模式，开始对所述负载供电，具体包括：

控制装置控制所述储能装置工作于放电模式；

检测正在工作的负载的工作功率大小判断负载的功率是否小于等于所述储能装置的最大工作功率；

如果是，所述控制装置控制所述储能装置对所述负载供电，此时交流电源不输出功率，实现了电能的节省；

否则，所述控制装置控制所述储能装置工作于最大输出功率，此时所述交流电源和所述储能装置同时对所述负载供电，对于电网而言，间接的减少了负载的功率，实现了节能。

作为控制方法的一种优选方案，在所述步骤S10与所述S20之间设置步骤S11，所述充电装置包括功率检测单元、充电管理单元以及电能输出单元，所述功率检测单元检测所述发电机的输出功率，并将所述发电机的输出功率的转换为信号发送给所述充电管理单元，所述充电管理单元根据发电机的输出功率的大小实时调整所述发电机的工作力矩。

作为控制方法的一种优选方案，所述预设的放电电量等于10%～30%的所述储能装置的满存电量。

作为控制方法的一种优选方案，所述预设的放电电量等于20%的所述储能装置的满存电量。

对比现有技术，本发明的有益效果为：本发明的实现运动能量回收发电的节能装置结构简单，操作方便，可以自动的根据负载的需要选用储能装置供电或者交流电源供电或者储能装置与交流电源同时供电，从而减少交流电源向负载供电的电量，保证负载在正常使用的条件下节省电能，同时还能根据使用者的力度大小实时调整发电机的转矩，以保证不同力度的使用者均可以使用运动健身器材对发电机进行发电。

附图说明

图1为实施例所述的实现运动能量回收发电的节能装置的流程示意图。

图1中：

1、运动健身器材；2、发电机；3、充电装置；31、功率检测单元；32、充电管理单元；33、电能输出单元；4、储能装置；5、逆变器；6、交流电源；7、负载；8、控制装置。

具体实施方式

下面结合附图并通过具体实施方式来进一步说明本发明的技术方案。

如图1所示，于本实施例中，本发明的实现运动能量回收发电的节能装置，包括运动健身器材1、发电机2、充电装置3、储能装置4、逆变器5以及控制装置8，运动健身器材1与发电机2电连接，发电机2与充电装置3电连接，充电装置3与储能装置4电连接，储能装置4与逆变器5电连接，控制装置8分别与充电装置3、储能装置4、逆变器5、交流电源6以及负载7相连，交流电源6与负载7相连，逆变器5的输出端与负载7的输入端连接。

运动健身器材1用于产生电能，即用于产生动能的装置，发电机2则为进行动能和电能转换的装置，可以为直流永磁发电机，或者为交流永磁发电机，主要用于将运动健身器材1的动能转换为电能，充电装置3主要用于将发电机2的电能转换成能够储存在储能装置4中的直流电能，还能控制发电机2输出扭力的大小，实现运动健身器材1给力大小的调节，储能装置4用于储存由动能产生的离散的不连续的直流电能，可以采用铅酸蓄电池、锂电池等物理或者化学电池，逆变器5为电力电子变换部件，用于将储能装置4内的直流电能转换为交流电能供负载7供电，逆变器5可以是电流型也可以是电压型，目的是将直流电能转换成负载可以接受的交流电能，交流电源6为普通家用的交流电源，为负载7供电，为单相或者三相，负载7为家用电器，例如，冰箱、洗衣机、空调或者电视等。

通过将控制装置8与储能装置4、交流电源6、逆变器5以及负载7连接，可以根据负载7的实际需要电量，控制储能装置4对负载7进行补充电量或者直接利用交流电源6进行供电，保证负载7在任何情况下均能正常使用。

控制装置8包括用于检测正在使用的负载7的工作功率以及储能装置4的存储电量的检测模块、用于接收并处理来自检测模块的信号的信号处理模块、用于控制储能装置4的工作模式的充放电控制模块以及用于决定储能装置4的并网输出功率的并网放电控制模块。

检测模块的输入端分别连接负载7以及储能装置4，检测模块的输出端分别连接信号处理模块的输入端以及充放电控制模块的输入端；充放电控制模块用于根据检测储能装置4的充电输入端是否有功率输入控制储能装置4的工作模式，储能装置4的工作模式包括充电模式、放电模式以及待机模式；信号处理模块与充放电控制模块电连接，用于在储能装置4工作处于放电模式时，根据检测模块的检测信号生成相应的电池功率输出控制信号，充放电控制模块与并网放电控制模块电连接，并网放电控制模块的输出端分别连接负载7以及储能装置4，用于根据负载7的用电功率控制储能装置4的输出功率。

充电装置3包括功率检测单元31、充电管理单元32以及电能输出单元33。

功率检测单元31的输入端连接发电机2的输出端，用于实时检测发电机2的输出功率；功率检测单元31的输出端连接充电管理单元32的输入端，用于根据发电机2的输出功率选择发电机2的工作力矩；充电管理单元32的输出端包括电能输出控制端以及力矩选择控制端；力矩选择控制端连接发电机2，用于控制或选择发电机2的工作力矩；电能输出控制端连接电能输出单元33，电能输出单元33的输出端连接储能装置4，用于控制电能输出单元33是否向储能装置4输出电能。

通过将充电装置3与发电机2连接，在利用运动健身器材1的运动使发电机2对储能装置4进行充电时，充电装置3可以根据运动健身器材1反馈给发电机2的输出转矩的大小，对发电机2的工作转矩进行调整，以保证不同力度大小的使用者均能通过运动健身器材1启动发电机2发电。

发电机2的输出功率由发电机2的工作力矩及转动速度决定，工作力矩包括最小工作力矩和最大工作力矩，发电机2的启动力矩为最小工作力矩。

控制方法如下：

（1）、使运动健身器材1开始工作，运动健身器材1带动发电机2发电，发电机2开始输出功率，充电装置3根据发电机2的输出功率重新设定发电机2的力矩，同时控制电能输出单元33开始输出电能，控制装置8检测到电能输出单元33输出电能后，控制储能装置4工作于充电模式，发电机2通过充电装置3对储能装置4进行充电；

（2）、功率检测单元31检测发电机2的输出功率，并将发电机2的输出功率的转换为信号发送给充电管理单元32，充电管理单元32根据发电机2的输出功率的大小实时调整发电机2的工作力矩；

（3）、运动健身器材1停止工作，控制装置8检测到电能输出单元33不输出电能后，控制储能装置4工作于待机模式，即储能装置4不充电也不放电；

（4）、控制装置8检测储能装置4内的存储电量，判断存储电量是否大于预设的放电电量；

若是，再判断负载7的工作状态，如果负载7正在工作且负载7的功率大于或者等于100W，控制装置8控制储能装置4工作于放电模式，开始对负载7供电，如果负载7的功率小于100W或者负载7处于停止工作状态，控制装置8控制储能装置4处于待机模式；

否则，控制储能装置4仍工作于待机模式。

控制装置8控制储能装置4工作于放电模式，开始对负载7供电，具体包括：

①、控制装置8控制储能装置4工作于放电模式；

②、检测正在工作的负载7的工作功率大小判断负载7的功率是否小于等于储能装置4的最大工作功率；

如果是，控制装置8控制储能装置4对负载7供电，此时交流电源6不输出功率；

否则，控制装置8控制储能装置4工作于最大输出功率，此时交流电源6和储能装置4同时对负载供电。

工作原理如下：

运动能量由人力或机械力产生，如健身器材、自行车、手摇装置等等，经过必要有齿轮装置进行力矩转换，最后带动发电机2（直流或交流发电机）进行转动，发电机2输出随运动能量变化的不稳定的直流或交流电能，该电能经充电装置3，进行升降压及电能变换，最后输出直流电能为储能装置4充电，充电能量的大小可由控制装置8进行设定，该能量大小反映运动力矩大小，由此来调节动能输出力矩大小，以改变人们受力大小，以适应不同年龄人群。

平时运动所做的功，经发电机2和充电装置3储存在储能装置4中，并由充电装置3实时显示存入储能装置4中电能的大小，以反映运动所做功的大小，实时反映运动同时产生电能效益的大小。

当电量存储到一定程度时，例如大于80%时，控制装置8会自动检测负载7的状态，并控制逆变器5将储能装置4内的电能转换为交流电能，自动为负载7供电，比如控制装置8经过检测单元检测到有家用电器在工作，比如检测到约有1kW电器在工作，此时逆变器5发出800W功率为负载7供电，此时从交流电源只输出了约200W电能给负载7，800W电能是由储能装置4经逆变器5为负载7供电，也就是说800W的功率是由运动产生的电能，因此实现了节能，如果1kW电器关闭，则为了保证逆变器5输出功率不向电网传输，以影响电网的稳定性，所以逆变器5也停止发电。控制装置8再次的监测负载7工作状态，待有负载7再开启时再次启动逆变器5向电网供电，周而得始的工作，直到储能装置4放电完毕。

由于考虑到家用以及体积限制，逆变器5的功率不能太大，因此只作为节能使用，功率约在50～1000W之间。由于家用电器的功率一般都比较大，依靠逆变器5完全负荷所有家用电器将不实用，所以逆变器5必须需依靠电网来实现节能，即逆变器5可以为电流型，向负载7提供电流，以减少负载7向电网吸取的电流，因此来达到节能节电。当然适当的增加切换装置也可实现停电时储能装置4通过逆变器5向小容量家用电器提供电能的可能。

可以在充电装置3上增加发电量检测显示功能，该功能可以方便人们了解运动能与电能之间量的比例的关系，了解做多少运动才能产生一度电的概念，以养成节约用电的习愦；由于运动强身的同时也可以发电节能，增加了人们坚持运动的信念，锻炼身体的同时创造了绿色的电能，一举两得。

以上结合具体实施例描述了本发明的技术原理。这些描述只是为了解释本发明的原理，而不能以任何方式解释为对本发明保护范围的限制。基于此处的解释，本领域的技术人员不需要付出创造性的劳动即可联想到本发明的其它具体实施方式，这些方式都将落入本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种实现运动能量回收发电的节能装置，其特征在于，包括运动健身器材、发电机、充电装置、储能装置、逆变器以及控制装置，所述运动健身器材与所述发电机电连接，所述发电机与所述充电装置电连接，所述充电装置与所述储能装置电连接，所述储能装置与所述逆变器电连接，所述控制装置分别与所述充电装置、所述储能装置、所述逆变器、交流电源以及负载相连，所述交流电源与所述负载相连，所述逆变器的输出端与所述负载的输入端连接；

所述控制装置包括用于检测正在使用的所述负载的工作功率以及所述储能装置的存储电量的检测模块、用于接收并处理来自所述检测模块的信号的信号处理模块、用于控制所述储能装置的工作模式的充放电控制模块以及用于决定所述储能装置的并网输出功率的并网放电控制模块；

所述检测模块的输入端分别连接所述负载以及所述储能装置，所述检测模块的输出端分别连接所述信号处理模块的输入端以及所述充放电控制模块的输入端；所述充放电控制模块用于根据检测所述储能装置的充电输入端是否有功率输入控制所述储能装置的工作模式，所述储能装置的工作模式包括充电模式、放电模式以及待机模式；所述信号处理模块与所述充放电控制模块电连接，用于在所述储能装置工作处于放电模式时，根据所述检测模块的检测信号生成相应的电池功率输出控制信号，所述充放电控制模块与所述并网放电控制模块电连接，所述并网放电控制模块的输出端分别连接所述负载以及所述储能装置，用于根据所述负载的用电功率控制储能装置的输出功率。

2.根据权利要求1所述的实现运动能量回收发电的节能装置，其特征在于，所述充电装置包括功率检测单元、充电管理单元以及电能输出单元；

所述功率检测单元的输入端连接所述发电机的输出端，用于实时检测发电机的输出功率；所述功率检测单元的输出端连接所述充电管理单元的输入端，用于根据所述发电机的输出功率选择所述发电机的工作力矩；所述充电管理单元的输出端包括电能输出控制端以及力矩选择控制端；所述力矩选择控制端连接所述发电机，用于控制或选择所述发电机的工作力矩；所述电能输出控制端连接所述电能输出单元，所述电能输出单元的输出端连接所述储能装置，用于控制所述电能输出单元是否向所述储能装置输出电能。

3.根据权利要求1或2所述的实现运动能量回收发电的节能装置，其特征在于，所述储能装置为铅酸蓄电池或者锂电池。

4.根据权利要求1或2所述的实现运动能量回收发电的节能装置，其特征在于，所述发电机为直流永磁发电机或交流永磁发电机。

5.一种节能装置的控制方法，使用如权利要求1至4任一项所述实现运动能量回收发电的节能装置，其特征在于，包括以下步骤：

步骤S10、使运动健身器材开始工作，所述运动健身器材带动发电机发电，所述发电机开始输出功率，充电装置根据所述发电机的输出功率重新设定所述发电机的力矩，同时控制电能输出单元开始输出电能，控制装置检测到所述电能输出单元输出电能后，控制储能装置工作于充电模式，所述发电机通过充电装置对所述储能装置进行充电；

步骤S20、运动健身器材停止工作，控制装置检测到所述电能输出单元不输出电能后，控制所述储能装置工作于待机模式，即所述储能装置不充电也不放电；

控制装置检测所述储能装置内的存储电量，判断所述存储电量是否大于预设的放电电量；

若是，再判断所述负载的工作状态，如果所述负载正在工作且所述负载的功率大于或者等于100W，所述控制装置控制所述储能装置工作于放电模式，开始对所述负载供电，如果所述负载的功率小于100W或者所述负载处于停止工作状态，所述控制装置控制所述储能装置处于待机模式；

否则，控制所述储能装置仍工作于待机模式。

6.根据权利要求5所述的控制方法，其特征在于，所述控制装置控制所述储能装置工作于放电模式，开始对所述负载供电，具体包括：

控制装置控制所述储能装置工作于放电模式；

检测正在工作的负载的工作功率大小判断负载的功率是否小于等于所述储能装置的最大工作功率；

如果是，所述控制装置控制所述储能装置对所述负载供电，此时交流电源不输出功率；

否则，所述控制装置控制所述储能装置工作于最大输出功率，此时所述交流电源和所述储能装置同时对所述负载供电。

7.根据权利要求5所述的控制方法，其特征在于，在所述步骤S10与所述S20之间设置步骤S11，所述充电装置包括功率检测单元、充电管理单元以及电能输出单元，所述功率检测单元检测所述发电机的输出功率，并将所述发电机的输出功率的转换为信号发送给所述充电管理单元，所述充电管理单元根据发电机的输出功率的大小实时调整所述发电机的工作力矩。

8.根据权利要求5所述的控制方法，其特征在于，所述预设的放电电量等于10％～30％的所述储能装置的满存电量。

9.根据权利要求7所述的控制方法，其特征在于，所述预设的放电电量等于20％的所述储能装置的满存电量。