1、健身場所發電系統的研制及動態分析段波 陳圣吉 蔡明明辛昊闊 徐金摘 要本課題研制了一套健身場所發電系統，利用人騎車時的機械功帶動發電機轉子進行發電，從而向健身場所內其他用電器供電。首先，針對健身環境、運動器械、人體運動的特點，設計了一套發電系統，并對系統各個組成部分的設備進行設計，在理論上分析了各部件的特性，證明了該系統的可行性。然后，根據前面的設計，實際制造了一套健身單車發電系統。通過多次實驗，測得各個部件運行特性及輸出波形，與前面的理論分析吻合，從而用實踐證明了該系統的可行性。最后，提出系統成本估算和維護方法，為該系統更好的推廣奠定了基礎。本課題涉及到電機、電力電子、機械、物理等多個學科，

2、無論是理論上還是實踐上都是可行的，并有較好的經濟效益與實用價值。關鍵詞：健身發電，永磁發電機，電力電子，穩壓穩頻控制一、 緒論1.1 課題背景及意義隨著現代工業的飛速發展，人類對能源的需求明顯增加，據專家預測，煤炭還可開采221年，石油39年，天然氣只能用60年。由能源短缺而引發的電力緊缺問題日益突出，2003-2004年的持續“電荒”、全國用電負荷同比增長15.2，這些狀況都對經濟和社會的可持續發展提出嚴峻考驗。解決能源問題，唯一的出路就是有計劃的利用常規能源、節約能源和開發新能源。另一方面，我國經濟高速發展，人民生活水平逐步提高，業余精神生活的充實和身心的健康發展受到人們的重視，越來越多的

3、人熱衷于健康投資，以豐富自己的閑暇生活。同時，人們的體育意識不斷增強，健身活動全面普及，體育健身消費已成為現代人生活消費的重要組成部分，健身運動也漸漸走進了普通百姓的生活，由此各類健身房應運而生。利用健身場所中人體消耗的能量發電以供健身房其他用電設備的正常運轉，這是健美瘦身、強健體魄的時尚生活方式與節能減耗、綠色環保時代主題的完美結合。在新能源的探索日新月異，節能產品層出不窮的今天，健身房發電無疑是具有規模開發條件和商業化發展前景的發電方式之一，同時也是普通民眾從點滴做起，通過能源的二次利用變廢為寶的典范。在舉國上下為構建節約型社會而不懈奮斗的今天，健身房發電以降低運營成本為根本保障，開發新能

4、源為最終目標，具有廣闊的市場空間和深遠的推廣意義。1.2 發展現狀健身器材發電技術在國外已有少量開發應用實例，已經開發出了以旋轉類運動器材為主的發電設備。2008年9月，美國出現了首家環保健身房，將會員們在健身單車上產生的能量，存儲在一塊電池里，供健身房其他器械使用；英國倫敦一家夜總會舞池的地面能依據人們的動作，將機械能直接轉換為電能；在我國香港的加州健身房，最近也開始利用會員運動產生的能量轉化為電能照明并為電池充電。在國內，健身器材制造業起步晚，健身俱樂部所選用的健身器械和經營模式都較為傳統，經營者對新技術的關注嚴重匱乏，利用人力發電的健身器材的應用實例更是鮮有耳聞。1.3 技術難點該技術由

5、于在以下幾方面的諸多不足在國內外都未得到有效的利用和推廣。1、輸出控制電路不完善，導致無法輸出穩定電能，電流時斷時續。2、現有產品為了達到輸出電壓的穩定，要求健身器材的使用者所消耗的功率必須在一定的范圍內，不能任意調節運動強度，因而不能廣泛適合各種人群。3、現有產品沒有對發電機、蓄電池、負載等設備的特性在理論上進行分析，因而對發電過程中各種變量的變化趨勢無法準確掌握。4、現有健身發電產品造價較高，效率較低，上千元的設備僅能發出幾百元的電，反而增加了健身房的營運成本。1.4 研究內容本課題就健身發電的幾個尚未得到完善的技術難點進行了研究與解決：1、發電機結構設計和參數計算。2、利用電力電子裝置實

6、現電壓頻率穩定控制問題。3、利用傳動裝置的優化實現運動強度的可調節性問題。4、系統各部分的維護問題。5、系統成本估算、市場分析、效益預測。二、系統組成及原理本章首先詳述了該設計需要考慮的各方面因素以及可能出現的困難，以此為設計的著眼點，擬定了兩套可行性較強的系統設計方案。方案中明確地指出了健身發電系統的各個組成部件，并對每個部件需要達到的功效做出了整體規劃。2.1 考慮因素健身自行車發電是一種全新的嘗試，如何根據健身發電的特點，設計一套合適的發電、用電系統，主要應從以下幾個方面來考慮：1、功率效率：據調查，通常的成年人60分鐘騎車過程中的平均功率為150-180瓦。因此宜采用功率小、效率高的發

7、電機。2、轉速的不確定性：健身人群有性別、年齡、體力的差異，騎車的速度也不確定，而轉速越大，騎車時所受的阻力也越大，因此需要安裝可調節轉速的裝置。3、輸出穩定性：即使是同一個人一直在騎，騎車的速度也不可能一直保持勻速，這樣就會導致電壓忽高忽低，因此需要穩壓裝置。4、頻繁起停：健身房中的自行車不可能一直有人騎，即便是同一個人也有停的時候，因此要求發電機能適應這種頻繁起停的狀態。5、發電用電平衡：電能的特點就是即發即用，騎車人較多時發電量大，會造成電能的浪費；無人騎車時又會造成斷電，因此需要用蓄電池儲存一部分電能。6、工作環境：健身房中由于人體出汗且不經常通風，空氣濕度以及鹽堿含量較大，很容易銹蝕

8、發電機中的金屬部件，因此需要定期對設備進行維護。7、體積重量：健身房一般處于經濟較發達地區，房價較貴且健身者對環境要求比較高，如果發電機占地面積過于龐大，則健身房不愿意安裝此設備。8、成本：一臺健身單車的價格在1000元-5000元不等，配置健身單車發電機的價格在100元-150元左右比較容易被接受，因此在選擇設備時經濟性也是一個重要的考慮因素。2.2 工作原理根據以上幾點健身發電的特點考慮，提出兩種方案供選擇。兩種方案的工作原理框圖分別如圖1和圖2。方案一：交流發電機輸出電壓、頻率不穩定的交流電，經交流調壓和交交變頻電路變為電壓、頻率穩定的交流電，供負荷用電和蓄電池充電。但是交交變頻電路只能

9、將工頻50Hz的交流電變為可調頻率的交流電，而發電機輸出的是頻率不斷變化的交流電，因此方案一不可行。方案二：人蹬腳踏車，腳踏車的轉速較低，通過傳動裝置，將轉速提高一定倍數，帶動永磁發電機的轉子轉動，此時發電機發出電壓、頻率脈動的三相交流電，經過三相二極管整流橋整流變為電壓脈動的直流電。電壓脈動的直流電輸出到直流穩壓斬波器，PWM輸出控制器通過電壓反饋信號的輸入，來控制直流穩壓斬波器開關器件的占空比，保證最終輸出穩定幅值的直流電壓。幅值穩定的直流電通過逆變器變為電壓、頻率穩定的交流電，供給指定的用電設備。當指定的用電設備都正常運行時，發出控制信號，對蓄電池進行充電；當指定的用電設備沒達到正常運行

10、狀態時，蓄電池向負載進行放電。圖1 方案一系統工作原理框圖圖2 方案二系統工作原理框圖三、系統中各部分設備原理分析及參數選擇本章以第二章的系統原理框圖為依據，分別對發電機、電力電子控制電路、蓄電池和傳動裝置的結構特點、工作原理和運行特性進行分析，通過各種類型的元器件之間工作性能的比較，確定了適合于本項設計的各器件類型和參數，并從理論上證明了參數選擇的可行性和合理性。3.1 發電機首先，如果采用電勵磁發電機，需要通入勵磁電流才能產生磁場，從而切割磁感線進行發電。一般并網運行的發電機都從電網吸收電流產生磁場。而健身單車發電機是單獨運行的，要想得到初始勵磁電流只能通過蓄電池，如果蓄電池的電量恰好用完

11、，則電勵磁發電機根本無法啟動運行。其次考慮到健身房中人流量大，生活雜物易進入發電機內部，造成勵磁式發電機碳刷與滑環的接觸電阻增大，從而影響發電機的正常工作，而永磁發電機無滑環、無碳刷、定轉子氣隙大，特別適合于在此類環境下工作。因此宜采用永磁發電機。3.1.1 永磁發電機的結構及特點JYWF永磁式交流發電機主要由轉子、定子、前后端益、軸承和皮帶輪等組成，如圖3所示1。圖3 JYWF交流發電機結構示意圖1.皮帶輪 2.前端蓋 3.轉子 4.定子線圈 5.機殼 6.引出導線 7.后端蓋 8.定子鐵芯由于三相永磁發電機具有以下幾個特點2，因此適合作為健身發電的發電機。1、結構簡單、可靠性高。2、體積小

12、、重量輕、比功率大、價格合理。3、中、低速發電性能好，轉換效率高。4、能顯著延長蓄電池壽命，減少蓄電池維護工作。3.1.2 永磁發電機主要設計參數的確定根據人體騎車時消耗的功率和可承受的阻力，給出以下額定參數范圍供選擇：1、額定功率（瓦W）：人體騎車時消耗的功率約為150-500W，計及電機的損耗，因此發電機額定功率范圍為100-400W。2、額定電壓（伏V）：由于發電機輸出電壓就是電力電子控制電路的輸入電壓，發電機額定電壓選為器件工作電壓10-16V。3、額定轉速（轉/分鐘r/min）：發電機轉速越大，所產生的洛倫茲力越大，人要帶動發電機轉子所要克服的阻力也就越大，為適應人體的運動強度，因此

13、選擇額定轉速的范圍為1000-3000r/min。根據以上額定參數數據，決定選用JYWF永磁式交流發電機。該發電機采用永磁轉子式結構，采用電樞爪控制輸出電壓，具有較高的可靠性，在轉子3-4倍的轉速變化中，電壓基本不變。3.1.3 永磁發電機的運行特性31、輸出特性永磁發電機的輸出特性是指當負載一定，在機械力的拖動下，不同轉速時輸出電壓或電流的函數關系，即、。圖4 永磁發電機電勢相量圖由永磁發電機電勢相量圖，可以看出： 式中，空載時定子相繞組中產生的感應電動勢；發電機A相端電壓；定子電流；定子每相繞組的電阻；電樞反應電抗；電樞反應漏電抗所帶負載。聯立上兩式可以得到：即幅值為： （1）相角為：注意

14、到定子相電阻通常很小可忽略，則永磁電機的短路電流： （2）式中為電樞反應漏抗系數。對于永磁電機，的經驗取值范圍為1.11.4。式（1）與式（2）相除得：或用轉速表示： （3）或用電壓表示：根據式（2）、（3）可以繪出其輸出特性、，如圖5所示。圖5 永磁電機的輸出特性2、外特性永磁電機的外特性是在轉速恒定條件下，輸出電壓和電流的函數關系，即。由永磁發電機電勢相量圖，可以寫出下列方程：或可以繪出其在3000r/min下永磁電機的外特性。圖6 永磁電機的外特性3、輸出功率三相永磁同步發電機的輸出功率為：式中，m相數；功率因數。如果永磁電機的負載是純電阻性負載，因此=1，此時 （4）根據永磁發電機電勢

15、相量圖，則：當不計入定子內阻時，有：或將其代入式（4），得到：當計入定子內阻時，有：和將其代入式（4），得到：式中或稱為功率因數角，它的大小決定了輸出功率的大小。3.2 電力電子控制電路由于發電機提供的電源并不是理想的正弦波，電壓波動、頻率波動、波形畸變和瞬時停電等情況都可能使敏感設備停止運行，甚至損壞設備中的元器件。因此需要電力電子電路對其進行控制，以保證當交流輸入電源發生異常或斷電時，還能繼續向負載供電，并能保證供電質量，使負載供電不受影響4。基本的結構原理圖如圖7。圖7 電力電子控制電路基本結構原理圖工作原理：發電機所產生的電經整流濾波裝置整流為直流，并用斬波器將電壓進一步穩定，再逆變為

16、50Hz恒頻恒壓的交流電，通過濾波器將穩定的交流提供給負載。同時，斬波器輸出的直流電給蓄電池充電。由于蓄電池的存在，即使發電機停止發電后，蓄電池自動代替發電機向逆變器供電，負載仍能得到恒頻恒壓交流電，因此從負載側看，用電不受供電電壓波動的影響5。3.2.1 整流濾波電路由于系統中的蓄電池、逆變器電路均需要直流電，這就要求系統內部必須有整流濾波電路。1、作用將交流電變換成直流電。為簡單起見，二極管用理想模型來處理（即正向導通電阻為零，反向電阻為無窮大）。2、電路組成電路如圖8所示。圖中Tr為電源變壓器，它的作用是將交流電網電壓v1變成整流電路要求的交流電壓，RL是要求直流供電的負載電阻，四只整流

17、二極管D1D4接成電橋的形式。電容C起平波作用6。圖8 整流濾波電路原理圖3、工作原理當電源電壓v2的正半周（設a端為正，b端為負時是正半周）經過整流電橋時D1和D3導通，v2通過D1和D3向電容器C充電；負半周經過整流電橋時D2和D4導通，電容器C又經RL放電。電容器C如此周而復始地進行充放電，負載上使得到如圖9所示的一個近似鋸齒波的電壓，使負載電壓的波動大為減小6。圖9 整流濾波電路工作波形圖4、分析與小結橋式整流濾波電路的優點是電容電路簡單，輸出電壓高，紋波電壓較小，管子所承受的最大反向電壓較低，同時因電源變壓器在正、負半周內都有電流供給負載，電源變壓器得到了充分的利用，效率較高7。3.

18、2.2 穩壓斬波電路1、作用將電壓幅值在一定范圍內變化的直流電通過周期性的斬波變為幅值固定電壓的直流電8。2、電路組成該電路由電流源、并聯開關和電壓負載所構成，如圖10所示。主電路由開關管V，二極管D，較大的輸入濾波電感L和輸出濾波電容C組成。圖10 穩壓斬波電路原理圖3、工作原理假設電路中電感和電容值都很大。當V處于導通狀態時，電源E向電感L充電，充電電流基本恒定為I1，同時電容C上的電壓向負載R供電，因C值很大，基本保持輸出電壓U0為恒值，記為U0。當V處于通態時E的能量積蓄在電感L上。當V處于斷態時E和L共同向電容C充電，并向負載及提供能量。當電路工作于穩態時，一個周期T中電感L積蓄的能

19、量與釋放的能量相等9。圖11 穩壓斬波電路工作波形圖4、分析與小結電容器C可減小輸出電壓中的紋波。C的儲能能力越大，對減小紋波和維持供電越有利。在穩壓斬波電路的分析中認為V處于通態期間因電容C的作用使得輸出電壓U0不變，但實際上C值不可能為無窮大，U0必然會有所下降。而且斬波器對輸入電壓的變化范圍也有一定的要求9。3.2.3 逆變電路1、作用將發電機整流所得的直流電壓或蓄電池電壓轉換成正弦脈寬調制的交流電壓，供普通用電器使用10。2、電路組成全橋逆變電路由兩個半橋電路組合而成，如圖12所示。電路有四個橋臂兩兩一組，每個橋臂由一個可控器件和一個反并聯二極管組成。輸入端有較大的電容，負載聯結在四個

20、橋臂之間。圖12 逆變電路原理圖3、工作原理t1時刻V3和V4柵極信號反向，V4截止，而因負載電感中的電流i0不能突變，V3不能立刻導通，VD3導通續流。因為V1和VD3同時導通，所以輸出電壓為零。到t2時刻V1和V2柵極信號反向，V1截止，而V2不能立刻導通，VD2導通續流，和VD3構成電流通道，U0為Ud。到負載電流反向時，VD2和VD3截止V2和V3導通，輸出電壓仍為Ud。t3時刻V3和V4柵極信號再次反向，V3截止，V4不能立刻導通，VD4導通續流，U0再次為0。以后的過程和前面類似11。圖13 逆變電路工作波形圖4、分析與小結全橋逆變電路所產生的電壓幅值是半橋逆變電路的2倍。能更好的

21、利用能量11。3.3 蓄電池通過對多種蓄電池性能的比較，本課題中選用免維護鉛酸蓄電池作為電能的儲能裝置。免維護蓄電池由于自身結構上的優勢，電解液的消耗量非常小，在使用壽命內基本不需要補充蒸餾水。它還具有耐震、耐高溫、體積小、自放電小的特點。使用壽命一般為普通蓄電池的兩倍12。因此適宜作為健身發電的儲能裝置。3.3.1 免維護鉛酸蓄電池的結構和組成免維護蓄電池是由正負極板、隔板、殼體、電解液和接線樁頭等組成，其放電的化學反應是依靠正極板活性物質(二氧化鉛和鉛)和負極板活性物質(海綿狀純鉛)在電解液(稀硫酸溶液)的作用下進行，其中極板的柵架是用鉛鈣合金制造。因此可以避免完全充電后的蓄電池的反電動勢

22、，減少過充電流，液體氣化速度減低，從而減低了電解液的損失13。圖14 免維護鉛酸蓄電池結構示意圖3.3.2 免維護鉛酸蓄電池的放充電1、放電終止電壓：電池不宜放電至低于預定的終止電壓，否則將導致過放電，而反復的過放電則會導致容量難以恢復，為達到最好的工作效率和最長的使用壽命，放電應在0.05-3c之間。2、放電容量：放電容量與放電電流的關系：圖15為電池在不同放電率條件下放出的容量，從圖中可看出，放電倍率越大，電池所能放出的容量越小。圖15 電池放電曲線溫度作用：電池容量亦受溫度的影響，過低溫度則會降低有效容量，過高溫度則會導致熱失控并損害電池，如圖16所示。圖16 溫度與放電容量的關系3、循

23、環充電：充電電壓2.4V/單格，最大充電電流不得大于0.25CA，如圖17所示。圖17 電池完全放電后的曲線3.3.3 免維護鉛酸蓄電池的使用壽命1、影響電池使用壽命的主要因素：重復的深放電；外界溫度過高；過充電；過大的充電電流；當充好電后電池長期擱置。2、循環使用壽命：電池循環使用時放電、充電為一個循環，電池循環壽命與電池的放電深度，電池周圍環境和充電方法有密切關系14，如圖18所示。圖18 電池循環壽命曲線圖3.4 傳動裝置傳動裝置的種類有皮帶傳動、齒輪傳動。相較齒輪傳動，皮帶傳動有噪聲小、效率高、彈性好、傳動平穩等優點，結合健身發電的特點，選擇皮帶作為傳動裝置；根據普通成年人騎車的轉速和

24、發電機的轉速確定傳動比范圍；根據健身單車后輪的輪胎寬度和發電機轉子的寬度深度確定皮帶輪的直徑。并采用塔輪結構實現轉速可調功能。3.4.1 皮帶傳動的設計皮帶傳動是利用皮帶跟皮帶輪的表面或輪槽之間的摩擦力來傳動動力的。裝在健身單車后輪上的皮帶輪叫做主動輪，裝在發電機轉子上的皮帶輪叫做從動輪15。經實際測得普通成年人騎車的轉速約為55-120r/min，而發電機的轉速為1000-3000r/min，據此范圍確定傳動比；根據健身單車后輪的輪胎寬度和發電機轉子的寬度深度確定皮帶輪的直徑。設計方案如圖19-圖22所示。圖19 傳動裝置裝配圖圖20 傳動裝置主視圖圖21 傳動裝置俯視圖圖22 傳動裝置剖面

25、圖3.4.2 塔輪變速機構塔輪傳動是一種有級變速的帶傳動，通過不同直徑齒輪的配比實現3-5級的變速，結構如圖23所示。由于它傳動平穩、結構簡單、制造容易、對軸的安裝精度要求不高，所以常用在傳遞功率不大，不需經常變速的場合16。圖23 塔輪變速機構四、自行車發電系統的動態分析本章在第3章的理論分析的基礎上，設計制造出一套健身單車發電系統，并對轉速、輸出電壓、輸出功率等進行了測試，得出了預期的比較滿意的效果，從而驗證了健身單車發電系統的可行性。本章按照該系統能量流動的順序進行介紹。圖24 自行車發電系統實物圖1. 永磁發電機 2.整流橋 3.濾波電路 4.穩壓斬波電路 5.逆變器 6.負載根據理論

26、設計如圖24連接實物，并對各部分性能進行數據測試及分析。4.1 傳動裝置實驗分析健身單車以及傳動裝置的實物連接圖如圖25所示，實驗時，人腳踩單車踏板，通過傳動裝置，實現高、中、低三檔變速并帶動單車的后輪轉動，后輪通過皮帶傳動帶動發電機轉子轉動。經實驗測得單車踏板、后輪、發電機轉子的轉速比例如表1所示。圖25 傳動裝置實物連接圖表1 傳動裝置轉速比踏板后輪發電機轉子低速檔1221中速檔12.526.25高速檔1331.5由表1可知，實驗所用自行車發電裝置中，踏板與發電機轉子的傳動比為1：21-1：31.5之間，基本符合普通成人騎車55-120r/min的速度，以及滿足發電機的轉速為1000-25

27、00r/min的設計要求。4.2 發電機及整流濾波電路實驗分析發電機及整流濾波電路實物連接圖如圖26所示。永磁發電機輸出的脈動交流電經過整流濾波電路變為脈動的直流電，用示波器測量發電機輸出的交流波形于濾波整流后的直流輸出電壓波形，結果如圖28所示。用萬用表測量不同轉速下的交流、直流電壓的有效值，得出轉速與電壓的關系曲線，結果如圖27所示。圖26 發電機及整流濾波電路實物連接圖1.發電機 2.整流濾波電路 3.電阻 4.電容器 5.測交流電壓萬用表 6.測直流電壓萬用表7.示波器 8.示波器輸入信號1:交流電壓 9.示波器輸入信號2:直流電壓10.經整流濾波電路輸出的直流電表2 踏板轉速與輸出電

28、壓的數值關系踏板圈數(r/min)交流電壓平均值(V)直流電壓平均值(V)606.45916.2200727.75877.831309010.132010.674010111.077811.714311212.327913.314215014.132015.6860圖27 踏板轉速與輸出電壓的關系曲線由表2的測量數據和圖27的電壓變化關系可以看出，當負載一定時，在低轉速范圍內，永磁發電機的輸出電壓與轉速基本呈線性關系，與第3章的理論分析一致。交流電壓在6-14V之間隨轉速的增加而增大，而相應的直流電壓也基本保持在6-15V，符合斬波器技術參數的要求。示波器中交直流電壓波形如圖28所示。圖28

29、輸出交流和直流電壓波形（1）交流電壓（2）直流電壓4.3 穩壓斬波及逆變電路實驗分析穩壓斬波電路實物連接圖如圖29所示。電壓脈動的直流電，經穩壓斬波電路輸出電壓穩定的直流電，用萬用表測得直流電壓數值如表3所示。圖29 穩壓斬波電路實物連接圖1.信號發生器 2.輸出信號 3.穩壓穩流電源 4.直流輸出電壓 5.穩壓斬波器 6.直流輸入電壓經穩壓斬波電路輸出的電壓穩定的直流電，再輸入逆變器，得到電壓幅值、頻率一定的交流電。逆變器實物連接圖如圖30所示。用萬用表測得交流電壓數值如表3所示。本實驗根據穩壓斬波電路輸出結果，選取匹配的逆變器技術參數如下：輸出電壓：220V，頻率：502Hz，波形：方波輸

30、入電壓10-15V欠壓報警：10.4-11.0V，低壓關斷：9.7-10.3V，過壓關斷：14.5-15.5V空載消耗：12V輸入，空載電流：90% 123圖30 逆變電路實物連接圖1.逆變器 2.直流輸入端 3.交流輸出端1、將穩壓斬波及逆變器接入電路后，以實驗者100-120r/min的速度帶動發電機，經整流濾波電路產生13-14V的直流電壓，經穩壓斬波及逆變電路后，空載時輸出電壓穩定在227-228V。穩壓斬波及逆變器直流輸入電壓與交流輸出電壓的數值如表3所示，曲線如圖31所示。表3 穩壓斬波及逆變電路直流輸入電壓與交流輸出電壓關系時間(s)電壓(V)123456789101112直流電

31、壓14.1614.2214.1513.8313.1312.9513.0313.0113.1812.3113.0713.02交流電壓228.7228.7228.6228.6228.4228.4228.3228.2228.4228.2228.2228.4圖31 穩壓斬波及逆變電路直流輸入電壓與交流輸出電壓關系曲線2、接入負載后，實驗者在正常轉速下，輸出功率為120W-180W，可以使功率為150W的燈泡穩定工作。工作情況如圖32所示。圖32 系統帶負載工作情況五、市場分析與經濟效益預測健身發電系統的適應范圍及推廣前景的技術性說明在本章集中體現。通過對現有行業市場和政策導向的綜合分析，對該產品可能產

32、生的經濟效益進行了客觀的預測，反映了該設計廣闊的市場空間。5.1 行業市場分析與預測5.1.1 行業市場分析1、行業市場情況目前，中國的大中城市中進入健身房的健身人口都在1200萬人左右，隨著經濟高速增長，擁有巨大的潛在健身人群的中國健身產業擁有著巨大的發展潛力。據不完全統計，2002年經營性健身服務場所比1999年增長了302.81%17。另據CTR數據顯示：2006-2007年中國健身房增長量已超過了15%。奧運會的到來，將使這一數據得到更快的增長18。表4 2005-2006年中國各大城市健身房增長情況排名城市健身房數量200520061北京3433532上海1441713深圳45694

33、廣州39565武漢5155注數據來源：AASFP 2006年中國城市俱樂部數目統計排名前五的城市2、政策背景1995年，我國制定全民健身計劃綱要，提出“初步建成面向群眾性的多元化的體育服務體系，是實施計劃的主要任務之一，健身房是構建全民健身服務體系的重要組成部分”。另外，中共中央國務院關于進一步加強和改進新時期體育工作的意見中也明確指出：“群眾性體育以社會興辦為主，引導群眾體育消費，培養體育市場，建立多元化投資的經營實體。健身房正是典型的面向大眾的健身服務的經營實體。”在諸多有利政策的鼓勵下，健身房正以空前的速度蓬勃發展19。5.1.2 行業市場預測圖33 2005-2010年北京地區健身房與

34、健身人口增長情況據預測顯示，北京地區健身房以每年近20%的速度膨脹，而健身人口以每年近40%的速度高速增長20，而奧運會后這一趨勢將更加顯著18。5.2 經濟效益分析1、成本分析我們以40輛健身車為例。表5 發電系統成本發電機傳動皮帶支架電力電子配件蓄電池逆變器斬波器數量（個）40404040111單價（元）5084010200120200總價（元）4840均價（元）1212、發電量分析根據在數據測試部分的發電量顯示，我們的裝置發電量能達到150W。按照健身單車平均每天工作時間3小時計算，以下是基于此數據做的發電總量的分析17。表6 健身單車日/年發電量發電裝置數量（套）發電量（瓦）發電時間（

35、小時）401503每天發電量（千瓦時）18每年發電量（千瓦時）6570表7 北京市電網峰谷分時銷售電價表21單位:元/千瓦時 用電類型電壓等級高峰（元/千瓦時）平段（元/千瓦時）低谷（元/千瓦時）商業用電不滿1千伏1.15150.76250.39651-10千伏1.13950.75250.387535千伏及以上1.13850.75250.3875由于健身房的高峰在530到900，而在這段時間的電價主要按照高峰和平段來實行。所以我們把電價定為0.9元/千瓦時。日收益：180.9=16.2（元）年收益：65700.9=5913（元）成本回收期：484016.2=298.77天由以上分析可知，一個普

36、通健身房可通過安裝本發電裝置每年節約用電量6570千瓦時，從而節約成本5913元，可在試運營的298.77天內收回發電系統成本。此后，不但可通過節約用電量而減少健身房的運營成本，更能通過資源的二次利用，為節能減排、綠色環保貢獻自己的力量。六、系統的安裝與維護本章簡要說明了本系統在安裝中的注意事項以及運行后的長期維護原則，正確的安裝和合理的維護是延長系統壽命、提升系統效率以及增加經濟收益的重要途徑。6.1 永磁發電機的安裝與維護1、拆裝發電機，禁止用錘子敲打，避免轉子永磁體退磁。2、拆下的永磁轉子，應用軟薄鋼片或鐵皮包住，以免轉子退磁。3、將軸承中的臟潤滑油清洗干凈，并加入新鮮的鈣基潤滑脂。加入

37、量為軸承腔的三分之二，過少影響潤滑；過多又不利于散熱。4、清除黏附在轉子、定子上的灰塵和油污雜物。6.2 傳動裝置的維護1、皮帶上如粘有油污，在使用中會產生打滑現象，應及時停車用干凈棉紗擦凈油污。2、皮帶經過較長時間的使用以后，就會被拉長，不能正常的傳遞動力。因此，必須經常檢查，必要時進行調整。檢查時，在主、被動輪之間用四只手指按壓皮帶，若下降為20-30毫米，則說明松緊度合適，否則應進行調整。調整時，須先旋松發動機橫架上四只固定螺母，如皮帶過松就旋緊機架前面的兩只調整螺栓使發動機沿機架向前移動，使皮帶由松變緊；如果皮帶過緊，須旋松機架前面的兩只調整螺釘，再將發動機向后移動，直至適合為止。七、

38、總結與展望在科學發展觀和構建節約型社會的思想指導下，我們開發研制了一套發電裝置，它利用健身場所中人帶動健身器材發電以供健身房其他用電設備的正常運轉。本課題利用人騎車時的機械功帶動發電機轉子進行發電，從而向健身場所內其他用電器供電。首先，理論研究階段。結合健身環境、運動器械、人體運動的特點進行發電系統的設計。考慮到人體運動的功率特點、轉速不確定、頻繁起停等特點，選擇適當的發電機和傳動裝置；為保證輸出電壓的穩定性采用整流濾波、穩壓斬波和逆變電路組成的電力電子控制電路進行穩壓控制；為避免電能的浪費在系統中加入蓄電池儲存一部分電能。在理論上分析了各部件的運行特性，選擇各個環節參數使其輸入輸出匹配，證明了該系統的可行性。其次，實驗分析階段。