环保型教室座椅发电装置

陈映桥 张 鹏 左 翼 宋庆翔 张 瑛

(中国石油大学(北京)，北京 102249)

环保型教室座椅发电装置

陈映桥 张 鹏 左 翼 宋庆翔 张 瑛

(中国石油大学(北京)，北京 102249)

通过平时的观察，发现教室中的折叠座椅使用时产生的机械能被浪费掉，为了研究如何将这部分机械能利用起来，以法拉第电磁感应定律为基本实验原理，运用机械设计知识，创新性地在教室座椅上，设计了一种通过座椅的开合带动处于磁场中的线圈转动，从而产生电流的环保型教室座椅发电装置，该装置将按压座椅产生的机械能转化为电能，达到发电的目的.理论计算得出，当按下座椅的平均耗时为1s，该装置的输出电压为10.8V，与实验测试得到装置的输出电压9.4V相近.研究表明，装置产生的输出电压与座椅被按下速度之间呈现正相关关系.

节能环保；发电装置；教室座椅；法拉第定律

自21世纪以来，环保节能一直都是一个热门的研究方向，环保型能量采集器也因而备受人们的关注.现如今国内外科研工作者对于能量采集器的研究主要是围绕着如何利用光伏、热电、压电、电磁等各种物理和化学效应把周围广泛存在的光能、热能、机械能等能量转化为电能.而其中对于如何采集机械能的研究尤其深入.机械能的采集，一般是通过电磁式或者压电式.1995年英国Sheffield大学的研究小组发表了第一篇关于微型电磁式振动能量采集器的研究论文[1].美国San Diego州立大学和Texas A&M大学联合于2007年给出了应用于胎压传感器的压电能量采集器原型[2]，实验得出，在100Hz固有频率的刺激下，输出电压峰值达到了7V.上海交通大学和美国Honeywell公司合作于2007年开发了压电式振动能量采集器[3].本文在高校普遍使用的大学教室座椅上设计了一种发电装置，实现环保和简易发电的目的.

1 装置设计方案

该装置由两部分组成，如图1所示.右边部分为机械传动部分，左边部分为发电部分.基本设计思路是，大学教室中的座椅都有一个转动轴，由于人入座的时候，有个向下的动量，使座椅由竖直方向转为水平方向，通过座椅的转动，压动下方的齿条.由于齿轮的作用，通过多次传动使得转速放大，在最终的齿轮处产生一个很大的转速通过轴传递给发电装置进行发电.

图1 装置实物图

机械部分包括如下几个部分：齿条、同轴小齿轮(齿轮1)、同轴大齿轮(齿轮2)、轴1、轴2、传动齿轮(齿轮3)、金属外壳.目的是设计齿条和齿轮的尺寸使得转速尽可能放大.装置整体机械设计部分3D图如图2所示.整个装置的机械部分(除齿条)固定在地面，齿条通过其顶端两个预留的孔眼固定在座椅板面下方，其转动轨迹与同轴小齿轮配合.当人使用座椅，压下座椅板面时，座椅板面带动齿条转动.从而与齿条配合的同轴小齿轮转动.由于同轴大齿轮和同轴小齿轮固定在同一轴1上，同轴小齿轮的转动就传递给同轴大齿轮，带动与之配合的传动齿轮旋转.传动齿轮带动与之固定在一起的轴2转动，用轴2带动皮带轮4转动.到此，整个机械部分的任务就完成了.

图2 齿轮传动设计图

发电部分的原理图如图4所示，即闭合线圈在磁感线中的转动会产生电流.机械部分最终的转速通过皮带传递给线圈(见图3)，使得线圈在磁场下转动，切割了磁感线产生电流.可以将闭合线圈通过导线连接到小功率用电器，产生的电也可以储存起来.

图3 皮带传动示意图

图4 发电部分原理图

2 结果与讨论

在装置设计完成后，为了研究它的实用性，我们进行了理论计算和实验测试得到了它在理论和实际条件下的输出电压.

2.1 理论计算

(1)

线速度：

v0=ω0l

(2)

根据齿轮齿条传动原理:

其中，ω1，ω2表示齿轮1，齿轮2的角速度；v1,v2,v3分别表示齿轮1，齿轮2，齿轮3的线速度.齿轮3的角速度记作ω3，则齿轮3的角速度为

(6)

在皮带传动部分，主动轮为轮4，主动轮与齿轮3同轴(轴2)，从动轮为轮5，且从动轮和线圈同轴，角速度相同.记v4,v5分别是轮4和轮5的线速度，ω4,ω5,ωcoil分别为轮4、轮5以及线圈的角速度，r4,r5为轮4和轮5的半径.皮带摩擦力足够，轮4和轮5传动过程中不打滑，则有以下关系：

由上可以得出最后线圈的角速度为

(11)

根据实际装置的尺寸，圆弧形齿条的半径l=160mm，与圆弧形齿条配合的同轴小齿轮(齿轮1)的半径r1=15mm，与齿轮1同轴的同轴大齿轮(齿轮2)的半径r2=60mm，与齿轮2配合的传动齿轮(齿轮3)的半径r3=15mm.皮带轮4的半径r4=60mm，皮带轮5半径r5=20mm代入尺寸数据得到线圈的角速度：

ωcoil=64πrad/s

则线圈的转速：

ncoil=1920r/min

根据我们使用的发电机的技术参数：当转子速度为1600r/min时，输出端电压不少于6V.通过比例关系

得装置的输出电压：

U=7.2V

2.2 实验测试

如图5所示，将装置安装在教室座椅下方进行实验.在实验过程中，只改变圆弧形齿条的角速度，得到相关的实验数据(为多次测量的平均值).并且将角速度代入理论计算公式中计算输出电压.测量数据结果如表1所示.

将实验测量数据与理论计算数据绘制成曲线，得到输出电压与齿条角速度的变化关系曲线如图6所示.

图5 装置实验图

齿条角速度/rad·s-1实验输出电压/V理论输出电压/Vπ13.914.4π/27.17.2π/43.43.6π/62.22.4π/81.71.8π/101.21.4

图6 齿条角速度与输出电压关系曲线

3 结论与分析

由图6易知，齿条角速度与输出电压的关系理论预测结果与实验测试结果相接近，且齿条角速度越大，所能产生的电压越大.考虑到实际情况下，学生按下座椅的平均耗时为1s，经实验测试，此时单个发电装置能产生的输出电压为7.2V.

从曲线来看，在测试过程中实际输出电压低于理论输出电压，分析这个现象出现的原因，主要有以下几点：

(1) 在工厂加工时齿轮和皮带轮的实际尺寸和设计尺寸有误差，用游标卡尺测量了齿轮和皮带轮的实际尺寸如下：

表2 实际尺寸和设计尺寸对照表

(2) 在传动过程中，皮带存在打滑，使得从动轮也就是皮带轮5的线速度小于主动轮也就是皮带轮4的线速度，最后实际得到的线圈转速则小于理论设计的线圈转速，从而导致实际的输出电压小于理论的输出电压.

该设计创新点是在于，将磁生电的原理与生活中实际的物件即教室折叠椅结合在了一起，将折叠椅使用时做功产生的机械能利用起来用于发电，而这部分机械能平时是被人所忽略的.在实际应用方面，教室中每个座椅都可以安装一个发电装置，若将一定个数的发电装置串联在一起，就可以产生较大的电压，在发电装置上设计一个输出电压的端口就可以做成一个充电器，供手机等电子设备充电，或者为小电压的台灯等设备供电，也可以将产生的电能导入蓄电池储存起来.此装置的生产成本较低，经一定的改进后可以进行工业化生产并投入市场使用，且满足节能环保的需求，具有一定的实际应用价值.

[1] Wang P, Li W, Che L F. Design and fabrication of a micro electromagnetic vibration energy harvester[J]. Journal of Semiconductors, 2011(10): 74-77.

[2] Steven R A, Henry A S. A review of power harvesting using piezoelectric materials(2003—2006)[J]. Smart Materials and Structures, 2007: R1-R21.

[3] 孙健,李以贵,刘景全.微压电式振动能量采集器的研究进展[J].微纳电子技术,2009(11):673-677.

[4] 杨可桢,程光蕴,李仲生.机械设计基础[M].北京:高等教育出版社,2006.

[5] 胡仁喜.Solidworks2012中文版机械设计从入门到精通[M].北京:机械工业出版社,2009.

[6] 徐江华.AUTO CAD 2014中文版基础教程[M].北京:中国青年出版社,2013.

[7] 赵凯华.新概念物理教程:电磁学[M].北京:高等教育出版社,2011.

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ENVIRONMENT FRIENDLY POWER GENERATOR ON THE CLASSROOM SEAT

Chen Yingqiao Zhang Peng Zuo Yi Song Qingxiang Zhang Ying

(China University of Petroleum, Beijing 102249)

It is investigated that the mechanical energy generated by the folding seat in the classroom is wasted. In order to research the way to use this mechanical energy, an environment friendly power generator device is designed based on the Faraday Law of electromagnetic induction and the theory of mechanology. The generator installed on the classroom seat will generate electric energy when the seat is pushed to drive the coil in a magnetic field, thus mechanical energy can be transformed into electric energy. The output voltage in the experimental measurement is 9.4V, which is similar to its theoretical value 10.8V based on the assumption that the time of pressing the seat down is 1 second. According to our research, the positive correlation exists between the voltage and the angular velocity of the device.

energy conservation and environment protection; power generator; classroom seat; Faraday’s law

2016-01-17；

2016-05-21

陈映桥，男，中国石油大学(北京)油气田开发工程系硕士研究生，1359109270@qq.com

张鹏，女，教授，研究方向为凝聚态物理.zhangpeng1998@126.com

陈映桥，张鹏，左翼，等. 环保型教室座椅发电装置[J]. 物理与工程，2016，26(5)：93-96.