CN110836163A

CN110836163A - 可视计量式动感单车水力发电装置

Info

Publication number: CN110836163A
Application number: CN201911229438.6A
Authority: CN
Inventors: 丁泽霖; 何思平; 冯雯瑾; 唐国中; 冯彬彬; 闫乐雪
Original assignee: North China University of Water Resources and Electric Power
Current assignee: North China University of Water Resources and Electric Power
Priority date: 2019-12-04
Filing date: 2019-12-04
Publication date: 2020-02-25
Anticipated expiration: 2039-12-04
Also published as: CN110836163B

Abstract

本发明公开了一种可视计量式动感单车水力发电装置，包括单车机构、传动机构、水循环机构和计量显示机构，单车旋转轮无中心轴的一侧设置有偏心轴，传动机构的驱动杆的后端设置轴套，轴套套装于所述偏心轴外侧，水循环机构的提水装置的提水出水管连接于定量容水器的上部，上水箱通过回水管连通于下水箱中，且在回水管底部安装有小型水轮机用于按需发电，本发明将运动器械健身时产生的机械能转化为水的位能，继而将高水位水经引水系统推动水轮发电机组发出电能，达到绿色节能、资源可持续发展的要求，提出了利用动感单车的运动来提高水位能的有效运行方式。

Description

可视计量式动感单车水力发电装置

技术领域

本发明属于运动健身器械与水利结合的技术领域，具体涉及一种使运动健身单车实现可视计量绿色储能的动感单车系统。

背景技术

绿色出行、碳减排、节能环保、健康等理念已经深入人心，越来越多的人倡议和实施节约能源、提高能效、减少污染和益于健康的生活方式，然而人们对于绿色储能概念较为缺乏，甚至不了解如何实现绿色储能。随着风电、光伏等新能源与可再生能源的大规模应用，储能系统作为破解这些新能源间歇性、波动性的解决方案，愈发受到重视，但储能的技术路线也相对分散，目前储能领域还没有将健身与绿色储能有效结合的技术方案。

在当今资源匮乏型时代，越来越多的国家开始对绿色清洁能源进入深切的探求。在这种时代大背景下，实现绿色储能也同样能够激发广大人民的积极性，尤其是将健身运动与绿色储能结合实现可视化绿色储能，必然会激发广大人民的绿色蓄能观念，促进健身和绿色储能共同发展，实现实质性绿色储能效果。

在我国，越来越多的人开始使用各种健身器材来进行日常锻炼，人体的生物能主要以健身器材的机械能形式耗散，虽然已有通过健身器材发电的发明，但终因经济效益问题无法普及使用。日常生活中提高水位能的方式主要是水泵抽水。全民健身与水泵抽水这两种看似毫无联系的事物在我组成员看来存在着很大的创新和研究前景。

目前在众多健身器材中，健身单车适合做高强度间歇运动，并具有较好的减肥效果，也是深受运动者钟爱的一类运动器材，利用健身单车产生电能的方式例如公开号为CN107158651B的一种多功能健身单车，包括单车模块、洗衣模块以及发电模块；洗衣模块包括洗衣机等，其目的是将锻炼者在使用健身单车健身时产生大量机械能转换为电能利用，而传统健身单车中这些能量往往没有得到利用，最终转换成热能直接排放到环境中。然而该专利技术以及现有各种通过健身单车发电的技术都是将健身单车产生的机械能通过发电机转化成电能，并储存在蓄电池中，再经逆变器、变压器等转化成所需的电源供给家用小型用电器使用。这种储能模式需要配备蓄电池，蓄电池储能效率低且会自动放电，储能效果差，且蓄电池的生产制造和废物处理过程本身会造成环境污染，不是真正的绿色储能感念，不适合针对健身者树立准确稳固的绿色储能理念。而且现有各种通过建设单车产生电能的过程中，实质是将机械能转化为化学能，转化过程不能被肉眼直视观测，所以影响健身者持续执行绿色储能理念的动力和信心，健身者仅仅是以健身为目的而运动，而非真正以“绿色储能、健康生活”为理念而运动。

发明内容

针对目前健身单车运动储能方式存在不利于深入贯彻绿色储能理念的问题，本发明结合抽水蓄能的原理，提出了运动器械提升水位能以实现水位随运动量增加而连续上升的可视化构想，提供一种可视计量式动感单车水力发电装置。

本发明解决其技术问题所采用的方案是：一种可视计量式水力发电动感单车，包括单车机构、传动机构、水循环机构和计量显示机构等。

所述单车机构包括单车主体和单车旋转轮，单车旋转轮仅有一侧固定连接中心轴，该中心轴通过轴承安装在单车主体后侧的轮轴架内，该中心轴上还安装有链轮，单车旋转轮无中心轴的一侧设置有偏心轴。

所述传动机构包括活塞筒和活塞，两者密封套装，活塞的后端连接有推拉杆，推拉杆的后端铰接有驱动杆，驱动杆的后端设置轴套，轴套套装于所述偏心轴外侧。

所述水循环机构包括提水装置、下水箱、上水箱和定量容水器，所述提水装置的提水出水管连接于定量容水器的上部，定量容水器内安装有n形虹吸管，该n形虹吸管的一端口向下且与定量容水器的底部不接触，另一端口引出定量容水器后通过定量排水管连通于上水箱内，上水箱通过回水管连通于下水箱中，且在回水管底部安装有小型水轮机用于按需发电，所述提水装置包括储水室，该储水室与所述活塞筒的端部密封连接，储水室的上部连接有提水出水管，下部连接有提水进水管，在提水出水管下方设置单出单向阀，在提水进水管上方设置单进单向阀，所述计量显示机构包括安装于定量排水管上的过水采集器，以及用于对过水提示或放大的扩音器。

在所述定量容水器侧壁竖向固定有可视量水筒，可视量水筒与定量容水器的上下分布连通，可视量水筒为透明筒状，其外侧有刻度，其内套装有重色浮标，用于显示水位高度。

在所述轮轴架外侧固定有防护罩，该防护罩覆盖于单车旋转轮外侧。

在所述回水管上安装有球阀，根据需要实现由上水箱到下水箱的回水和发电。

在所述储水室内与活塞筒的连接部位设置有隔膜，通过隔膜密封储水室，用以防止水流进入活塞筒中。

单车旋转轮为两个并列的左轮和右轮，两轮的外侧中心都固定连接中心轴，该中心轴通过轴承安装在单车主体后侧的轮轴架内，该中心轴上还安装有链轮，单车旋转轮无中心轴的一侧设置有偏心轴。

本发明的有益效果：本发明将运动器械健身时产生的机械能转化为水的位能，继而将高水位水经引水系统推动水轮发电机组发出电能，达到绿色节能、资源可持续发展的要求，提出了利用动感单车的运动来提高水位能的有效运行方式。

本发明给运动者树立一种能够通过自身运动实现绿色储能的观念，肉眼可视方式了解自己运动所带来的绿色储能效果，既可以通过观察可视量水筒内的重色浮标来确定自己运动带带来的能量存储情况也逐渐增加的储存效果，也可以通过扩音器或显示器来展示运动储能情况。促使运动者有持续运动的动力和信心。本发明通过可视量水筒使每一阶段的储能定量分配，运动者每次运动周期需要完成一次可视量水筒注满后的排放，为满足储能定量分配为目的促使运动者达到额定的运动量。该方式也利于健身机构以积分制作为绿色能量储存计量标准，促进运动者以绿色储能为目标作为持续健身的动力。

附图说明

图1是本发明运行状态示意图。

图2是图1中单车旋转轮与驱动杆的装配关系示意图之一。

图3是图1中单车旋转轮与驱动杆的装配关系示意图之二。

图4是图1中水循环机构的示意图。

图5是图1中提水装置的进水过程示意图。

图6是图4中提水装置的出水过程示意图。

图7是定量排水管和可视量水筒的结构示意图。

图中标号：单车机构1，传动机构2，水循环机构3，计量显示机构4，单车旋转轮11，轮轴架12，链轮13，防护罩14，偏心轴15，中心轴16，活塞筒21，活塞22，推拉杆23，驱动杆24，轴套25，提水装置31，提水出水管311，提水进水管312，储水室313，单出单向阀314，单进单向阀315，下水箱32，定量容水器33，定量排水管331，呼吸阀332，可视量水筒34，重色浮标341，小型水轮机35，n形虹吸管36，上水箱37，回水管38，球阀39，过水采集器41，扩音器42。

具体实施方式

整个单车系统由运动器械、传动机构、提水装置等主要部分组成，下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

1.动感单车

人消耗的生物能部分转化为车轮的动能，我们可以根据人对踏板作用力垂直于其间连杆运动方向的分力和单车脚踏板间距确定出人对踏板间连杆的作用力矩和连杆的角速度，进而可得出动感单车的机械能。高速转动的车轮是整个提水装置的动力源，与普通变速单车一样，人们可以根据自身情况来选择适合自己锻炼的挡位。动感单车脚踏板与后轮之间的传动方式为链传动，链传动无弹性滑动和打滑现象，能保持平均传动比不变，传动效率高达98%。

如图1和图2所示，单车机构1包括单车主体和单车旋转轮11，单车旋转轮11仅有一侧固定连接中心轴16，该中心轴16通过轴承安装在单车主体后侧的轮轴架12内，该中心轴16上还安装有链轮13，单车旋转轮11无中心轴的一侧设置有偏心轴15。在所述轮轴架12外侧固定有防护罩14，该防护罩14覆盖于单车旋转轮11外侧。

还可以采用如图3所示的单车旋转轮结构和安装方式，在图3中，单车旋转轮为两个并列的左轮和右轮，两轮的外侧中心都固定连接中心轴16，该中心轴16通过轴承安装在单车主体后侧的轮轴架12内，该中心轴16上还安装有链轮13，单车旋转轮11无中心轴的一侧设置有偏心轴15。在所述轮轴架12外侧固定有防护罩14，该防护罩14覆盖于单车旋转轮11外侧。

2. 传动机构

传动机构采用摇杆滑块机构，其中动力源为动感单车的后轮，随着后轮的旋转周期运动，滑块作往复直线运动，滑块端即为气动隔膜泵的活塞部分。传动机构建立起了运动器械与气动隔膜泵之间的紧密联系，让抽水蓄能的理念得以体现。经查询资料可知，摇杆滑块的工作效率在85%以上。

如图1所示的传动机构2包括活塞筒21和活塞22，两者密封套装，活塞22的后端连接有推拉杆23，推拉杆23的后端铰接有驱动杆24，驱动杆24的后端设置轴套25，轴套25套装于所述偏心轴15外侧。

3. 提水装置

如图1和图4所示，水循环机构3包括提水装置31、下水箱32、上水箱37和定量容水器33，所述提水装置31的提水出水管311连接于定量容水器33的上部。如图7所示，定量容水器33内安装有n形虹吸管36，该n形虹吸管36的一端口向下且与定量容水器33的底部不接触，另一端口引出定量容水器33后通过定量排水管331连通于上水箱37内。定量容水器33的顶部设置有呼吸阀332。

上水箱37通过回水管38连通于下水箱32中，且在回水管38底部安装有小型水轮机35用于按需发电。

提水装置31如图5和图6所示，包括储水室313，该储水室313与所述活塞筒21的端部密封连接，储水室313的上部连接有提水出水管311，下部连接有提水进水管312，在提水出水管311下方设置单出单向阀314，在提水进水管312上方设置单进单向阀315。水泵活塞（活塞筒21和活塞22）向前拉动会造成储水室313内的压力为负值，从而使单进单向阀315打开，通过提水进水管312向储水室313进水；水泵活塞（活塞筒21和活塞22）向后推动会造成储水室313内的压力为增大，从而使单出单向阀314打开，通过提水出水管311向上提升做功，使低水位变为高水位，增加水势能。可以在储水室313内与活塞筒21的连接部位设置有隔膜，通过隔膜密封储水室313，用以防止水流进入活塞筒21中。

另外，还可以采用现有隔膜泵替代上述提升装置31。在活柱的运动下，气泵气腔内气体收缩或膨胀带动隔膜运动。活柱向下运动时，气腔内气体膨胀，进水口处的换向阀处于关闭状态，而出水口处的换向阀打开，水流被排出气泵，向上水库运动，位能增大；活柱向上运动时，气泵内气体收缩，出水口处的换向阀处于关闭状态，而进水口处的换向阀打开，水流自下水库向泵内运动，位能增大。

气动隔膜泵体积小、重量轻，便于移动。无需润滑，维修简便，且始终能保持高效运作，不存在磨损而降低使用效率。

目前水泵的能量损失并没有完善的理论计算方法，只能依靠经验公式来计算。经查询资料及相关咨询，提升装置31和气动隔膜泵的效率值为77%。

工作原理

1.根据人对踏板作用力垂直于其间连杆运动方向的分力和单车脚踏板间距确定出人对踏板间连杆的作用力矩和连杆的角速度，进而可得出动感单车的机械能，动感单车机械能再乘以链传动的效率η1即得动感单车后轮的机械能总量。

2.后轮转动带动摇杆滑块运动，滑块端的水泵活塞（活塞筒21和活塞22）即作往复的直线运动，摇杆滑块的工作效率为η2，经过摇杆滑块可将后轮的机械能转移到气动隔膜泵中去。 3.水泵活塞的运动压缩泵内空气使隔膜运动，水泵工作，从而提升水的位能。气动隔膜泵的工作效率为η3。

4.由能量守恒原理可计算得水泵在提水过程中总的机械能，再由水力学能量方程联合牛顿第二定律，可计算出单位时间内利用人运动产生的生物能可提高位能的水的总量，最后通过水轮机集中发电，可计算出每天的发电量。

绿色能源带来附加效益

1.参数设计

提水出水管311的管径d=0.04m;r=0.02m；提水高度H=7m，单车脚踏板间距D=0.5m;R=0.25m；人对踏板作用力垂直于其间连杆运动方向的分力F=200N。人对踏板间连杆的作用力矩为M，M=F×R=200×0.25=50N·m。连杆的角速度

=80r/min。水轮机引用流量Q由厂家设定。

2.情景假设

100台动感单车，平均每天工作时间为6小时。

3.能量传递效率

连接部件	单车链条处η<sub>1</sub>	摇杆滑块处η<sub>2</sub>	水泵处η<sub>3</sub>	水轮机η<sub>4</sub>
					η值	0.98	0.85	0.77	0.7

4.每天的发电量计算

（1）提水能力计算

管道中装满水时自重为m₁ ，

m₁=ρ×V=1000×Π×r²×H=1000×Π×0.02²×7=8.8(Kg)；

管道中的能量损失主要为沿程水头损失h_f，

h_f= λ l v²/ 2 d g；

由舍齐公式 λ = 8 g / C²曼宁公式 C = R^1/6/ n铸铁管糙率n为0.01。

计算得:

λ = 0.032

设管道中水流速度

v = 1 m/s

将以上参数代入h_f计算公式得

h_f = 0.17 m

h_f /H=0.17/7<3%；

管道的能量损失小于总水头的3%，为计算方便，可忽略不计。

将管道中水提升7m高度时克服水重做功W₁，

W₁= m₁×g×H=8.8×9.81×7=604(N·m)；

每小时单车连杆做功W，

W=P×t=M××t=5×80/60×3600=24000(N·m)；

转化到水泵部位的能量W_泵，

W_泵=W×η₁×η₂×η₃=24000×0.98×0.85×0.77=15394(N·m)；

每小时可提升水重量G，

G=W_泵/ W₁× m₁=15394/604×8.8=224.3(Kg)；

（2）发电量计算

每小时的发电量n，

n= 9.81×η₄×Q×H=9.81×0.7×7×Q=48.1Q(KW·h)；

一天中100台单车平均工作6小时的总发电量N(设引用流量Q=0.1m³/s)；

N=100×6×n=2884.1 (KW·h)；

按每度电0.7元计算，每天的直接经济效益可达2018.87元。

本实施例还能够树立通过自身运动实现绿色储能观念的培养。运动者通过肉眼可视方式了解自己运动所带来的绿色储能效果，可直接观察可视量水筒内的重色浮标来确定自己运动带带来的能量存储情况也逐渐增加的储存效果，促使运动者有持续运动的动力。通过以上方案，可以通过计算后的发电经济效益直接显示在相应显示器上，用以提高运动者的“创能”信心。

实施例2：在实施例1基础上，还设置电子采集式的计量显示机构4，包括安装于定量排水管331上的过水采集器41，例如光电传感器或红外感应探头。以及用于对过水提示或放大的扩音器42。如图计数器记录过水采集器41的信息并计数，控制器将计数信息通过显示器展示出对应的运动单车前方，以及通过扩音器42将定量容水器33清空是的水流声或者其他提示声。

又在所述定量容水器33侧壁竖向固定有可视量水筒34，可视量水筒34与定量容水器33的上下分布连通，可视量水筒34为透明筒状，其外侧有刻度，其内套装有重色浮标341，用于显示水位高度。

运动者既可以通过观察可视量水筒34内的重色浮标3 41来连自己每次运动的量变，也可以通过观看显示器或听声音来了解定量容水器33清空的质变。从而使机械运动变为可视的绿色储能过程，运动者在树立绿色储能的过程中实质上增加了水的重力势能，为进一步转变为电能提供基础。通过在所述回水管38上安装有球阀39，根据需要实现由上水箱37到下水箱32的回水和发电。

Claims

1.一种可视计量式动感单车水力发电装置，包括单车机构（1）和传动机构（2），所述单车机构（1）包括单车主体和单车旋转轮（11），其特征在于，还包括水循环机构（3）和计量显示机构（4），单车旋转轮（11）仅有一侧固定连接中心轴（16），该中心轴（16）通过轴承安装在单车主体后侧的轮轴架（12）内，该中心轴（16）上还安装有链轮（13），单车旋转轮（11）无中心轴的一侧设置有偏心轴（15）；所述传动机构（2）包括活塞筒（21）和活塞（22），两者密封套装，活塞（22）的后端连接有推拉杆（23），推拉杆（23）的后端铰接有驱动杆（24），驱动杆（24）的后端设置轴套（25），轴套（25）套装于所述偏心轴（15）外侧；所述水循环机构（3）包括提水装置（31）、下水箱（32）、上水箱（37）和定量容水器（33），所述提水装置（31）的提水出水管（311）连接于定量容水器（33）的上部，定量容水器（33）内安装有n形虹吸管（36），该n形虹吸管（36）的一端口向下且与定量容水器（33）的底部不接触，另一端口引出定量容水器（33）后通过定量排水管（331）连通于上水箱（37）内，上水箱（37）通过回水管（38）连通于下水箱（32）中，且在回水管（38）底部安装有小型水轮机（35）用于按需发电，所述提水装置（31）包括储水室（313），该储水室（313）与所述活塞筒（21）的端部密封连接，储水室（313）的上部连接有提水出水管（311），下部连接有提水进水管（312），在提水出水管（311）下方设置单出单向阀（314），在提水进水管（312）上方设置单进单向阀（315），所述计量显示机构（4）包括安装于定量排水管（331）上的过水采集器（41），以及用于对过水提示或放大的扩音器（42）。

2.根据权利要求1所述的可视计量式动感单车水力发电装置，其特征在于，在所述定量容水器（33）侧壁竖向固定有可视量水筒（34），可视量水筒（34）与定量容水器（33）的上下分布连通，可视量水筒（34）为透明筒状，其外侧有刻度，其内套装有重色浮标（341），用于显示水位高度。

3.根据权利要求1所述的可视计量式动感单车水力发电装置，其特征在于，在所述轮轴架（12）外侧固定有防护罩（14），该防护罩（14）覆盖于单车旋转轮（11）外侧。

4.根据权利要求1所述的可视计量式动感单车水力发电装置，其特征在于，在所述回水管（38）上安装有球阀（39），根据需要实现由上水箱（37）到下水箱（32）的回水和发电。

5.根据权利要求1所述的可视计量式动感单车水力发电装置，其特征在于，在所述储水室（313）内与活塞筒（21）的连接部位设置有隔膜，通过隔膜密封储水室（313），用以防止水流进入活塞筒（21）中。

6.根据权利要求1所述的可视计量式动感单车水力发电装置，其特征在于，单车旋转轮为两个并列的左轮和右轮，两轮的外侧中心都固定连接中心轴（16），该中心轴（16）通过轴承安装在单车主体后侧的轮轴架（12）内，该中心轴（16）上还安装有链轮（13），单车旋转轮（11）无中心轴的一侧设置有偏心轴（15）。