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摘要本文分别对自行车旅行中的手机电池风力发电充电方案和摩擦发电充电方案进行了量化分析，结合普通手机电池的容量理论上判断出了两种方案的可行与否。
关键词 风力发电 摩擦发电 电池电量
中图分类号：TP272 文献标识码：A
Feasibility Study on Cell Phone Battery Charge Technology on Bike Trip
LI Xin, CHANG Yongrong
(School of Mechanical Engineering, Southwest Jiaotong University, Chengdu, Sichuan 611756)
AbstractThis paper takes a quantitative analysis on both wind power generation and friction power charge of cell phone battery on a bike trip, combine with normal cell phone battery capacity, theoretically work out if those two plans are of feasibility.
Key wordswind power generation; friction power charge; battery capacity
0 引言
当前社会能源短缺，环境污染严重，节能减排、绿色环保等成为社会的主题。因而越来越多的人（包括很多大学生）为了响应此号召外出旅行选择自行车作为交通工具，然而旅行途中如何方便的给手机电池充电成为一道难题，旅行充电器虽可行，但蓄电池电量有限，放电时间有限，并没有带来太多方便。针对这一问题本文提出了两种自行车发电方案，风力发电和摩擦发电，并对其产生电量能否满足手机电量要求作出了评判。自行车发电不仅迎合绿色环保的理念，还能够引导一部分人旅行、工作等选择自行车作为交通工具，锻炼身体，同时也为缓解能源危机作出贡献。
选择一般手机电池进行分析，认为其电容量为定值，该值可根据电池的工作参数算出。自行车以一定速度向前运动，其上风力机产生的电能来源于风的相对动能。假设风的动能全部转化为电能（实际中是不可能实现的），则流过一定面积流面的风功率可计算出，该值随自行车速度（主要取决于驾车人为普通人还是专业运动员），流面面积，空气密度的变化而变化，分别令常人与专业运动员连续骑车t时间风力机产生的电能与普通电池电容量相等可求得时间t，此值越小越好。考虑常人自行车旅行时间的长短，不论是常人还是专业运动员t都应在12h之内，否则认为方案不可行，由此得出方案的可行与否。摩擦发电中微型发电机通过摩擦接触产生电能，微型发电机的技术参数中提供有额定输出功率，令发电机在额定状态下工作时间t产生的电量与一块普通电池的电量相等可得出产生一块普通电池电量所需连续驾车的时间。与风力发电一样，t应该在12h之内，否则认为方案不可行。
1 普通手机电池的容量
一般规格手机电池参数为3.7伏、740mh，则电池的容量为：q = 3.7€?40€?0-3€?600J = 9856.8J
2 风力发电
人骑自行车以速度穿梭于大气，假设不考虑风的影响，空气相对地球表面是静止的。根据相对运动理论：将人与自行车看成是静止的，大气便以速度-v向后运动。在自行车上安装一个小型风力机，利用相对速度发电，即风力发电。
图2-1风力机流面参数图
当把风功率理解为一定时间内流过流面的空气质量所具有的动能时，
P =qmv2 = fv3
（2-1）
若考虑理想情况，假设风功率完全转化为机械功率，机械功率完全转化为手机电池功率，则
W = f v3t =v3t = Q（2-2）
d—风力机叶轮直径；t—骑车时间；
假设 = 1.29kg/m3，v = 5.5m/s，d = 10cm则
t ==
= 35023444.3s = 405天 （2-3）
从运算结果能看出：以平常速度5.5m/s驾车旅行时，自行车上叶轮直径为10cm的风力机要产生一块普通手机电池的容量至少需要连续骑车405天，这是不现实的，故方案不可行。从2-5式中能够看出时间t取决于空气密度、叶轮直径和行车速度三个参数，空气密度变化很小，可认为其恒定，即t与d、v的乘积成反比，d、v越大t越小。倘若由专业运动员来骑车v最大可达到60km/h左右，叶轮直径d扩大原来的一倍，此时，最短时间为33.7天。由此看出，风力发电最好情况下给一块手机电池充电需要连续骑车30多天，在注重效率的时代，这种方案是彻底不可行的。
3 摩擦发电
在自行车的后轮上安装小型发电机，车轮轮缘带动摩擦小轮转动发电。发电机可控，当需要充电时，通过一个控制装置使摩擦轮与车轮接触，冲完电后使二者远离。
理论分析：若采用市场上UN-4110型号小型发电机，该型号电机参数为Um = 6V,Pm = 3W， 假设电机工作在额定状态下，则产生一块普通手机电池的电量所需时间：
t == s = 3285.3s = 0.91h（3-1）
由式3-2可看出产生一块普通手机电池的电量摩擦发电只需要不到一小时的时间，这一数值相对于旅行时间是比较短暂的，故该方案在理论上是可行的，此外若在自行车上安装一个稍大容量的蓄电池，除去手机电池充电电量，剩余电能还可开发用于其它小功率旅行用品的充电。现实中，由于车轮转速不稳定，会导致发电机输出电压不稳定，因而电机输出电路要串联一个整流器。大致工作流程为发电机→整流器→蓄电池，方案只在理论上可行具体能否实施，以及实施中遇到的各种问题还有待于进一步研究。
4 结束语
通过对自行车旅行中风力发电建立风速模型，得出了其理想发电量，对比普通手机电池电量分析出该方案不可行。通过对摩擦发电电量进行量化分析，与普通手机电池电量进行对比，在理论上得出方案可行，并提出了实施过程中的一些问题，给出了方案实施所需的辅助元件。
参考文献
[1]叶航冶.风力发电系统的设计、运行与维护.电子工业出版社,2010.
[2]陈铁华.水轮发电机原理及运行.中国水利水电出版社,2009.
“本文中所涉及到的图表、公式、注解等请以PDF格式阅读”
关键词 风力发电 摩擦发电 电池电量
中图分类号：TP272 文献标识码：A
Feasibility Study on Cell Phone Battery Charge Technology on Bike Trip
LI Xin, CHANG Yongrong
(School of Mechanical Engineering, Southwest Jiaotong University, Chengdu, Sichuan 611756)
AbstractThis paper takes a quantitative analysis on both wind power generation and friction power charge of cell phone battery on a bike trip, combine with normal cell phone battery capacity, theoretically work out if those two plans are of feasibility.
Key wordswind power generation; friction power charge; battery capacity
0 引言
当前社会能源短缺，环境污染严重，节能减排、绿色环保等成为社会的主题。因而越来越多的人（包括很多大学生）为了响应此号召外出旅行选择自行车作为交通工具，然而旅行途中如何方便的给手机电池充电成为一道难题，旅行充电器虽可行，但蓄电池电量有限，放电时间有限，并没有带来太多方便。针对这一问题本文提出了两种自行车发电方案，风力发电和摩擦发电，并对其产生电量能否满足手机电量要求作出了评判。自行车发电不仅迎合绿色环保的理念，还能够引导一部分人旅行、工作等选择自行车作为交通工具，锻炼身体，同时也为缓解能源危机作出贡献。
选择一般手机电池进行分析，认为其电容量为定值，该值可根据电池的工作参数算出。自行车以一定速度向前运动，其上风力机产生的电能来源于风的相对动能。假设风的动能全部转化为电能（实际中是不可能实现的），则流过一定面积流面的风功率可计算出，该值随自行车速度（主要取决于驾车人为普通人还是专业运动员），流面面积，空气密度的变化而变化，分别令常人与专业运动员连续骑车t时间风力机产生的电能与普通电池电容量相等可求得时间t，此值越小越好。考虑常人自行车旅行时间的长短，不论是常人还是专业运动员t都应在12h之内，否则认为方案不可行，由此得出方案的可行与否。摩擦发电中微型发电机通过摩擦接触产生电能，微型发电机的技术参数中提供有额定输出功率，令发电机在额定状态下工作时间t产生的电量与一块普通电池的电量相等可得出产生一块普通电池电量所需连续驾车的时间。与风力发电一样，t应该在12h之内，否则认为方案不可行。
1 普通手机电池的容量
一般规格手机电池参数为3.7伏、740mh，则电池的容量为：q = 3.7€?40€?0-3€?600J = 9856.8J
2 风力发电
人骑自行车以速度穿梭于大气，假设不考虑风的影响，空气相对地球表面是静止的。根据相对运动理论：将人与自行车看成是静止的，大气便以速度-v向后运动。在自行车上安装一个小型风力机，利用相对速度发电，即风力发电。
图2-1风力机流面参数图
当把风功率理解为一定时间内流过流面的空气质量所具有的动能时，
P =qmv2 = fv3
（2-1）
若考虑理想情况，假设风功率完全转化为机械功率，机械功率完全转化为手机电池功率，则
W = f v3t =v3t = Q（2-2）
d—风力机叶轮直径；t—骑车时间；
假设 = 1.29kg/m3，v = 5.5m/s，d = 10cm则
t ==
= 35023444.3s = 405天 （2-3）
从运算结果能看出：以平常速度5.5m/s驾车旅行时，自行车上叶轮直径为10cm的风力机要产生一块普通手机电池的容量至少需要连续骑车405天，这是不现实的，故方案不可行。从2-5式中能够看出时间t取决于空气密度、叶轮直径和行车速度三个参数，空气密度变化很小，可认为其恒定，即t与d、v的乘积成反比，d、v越大t越小。倘若由专业运动员来骑车v最大可达到60km/h左右，叶轮直径d扩大原来的一倍，此时，最短时间为33.7天。由此看出，风力发电最好情况下给一块手机电池充电需要连续骑车30多天，在注重效率的时代，这种方案是彻底不可行的。
3 摩擦发电
在自行车的后轮上安装小型发电机，车轮轮缘带动摩擦小轮转动发电。发电机可控，当需要充电时，通过一个控制装置使摩擦轮与车轮接触，冲完电后使二者远离。
理论分析：若采用市场上UN-4110型号小型发电机，该型号电机参数为Um = 6V,Pm = 3W， 假设电机工作在额定状态下，则产生一块普通手机电池的电量所需时间：
t == s = 3285.3s = 0.91h（3-1）
由式3-2可看出产生一块普通手机电池的电量摩擦发电只需要不到一小时的时间，这一数值相对于旅行时间是比较短暂的，故该方案在理论上是可行的，此外若在自行车上安装一个稍大容量的蓄电池，除去手机电池充电电量，剩余电能还可开发用于其它小功率旅行用品的充电。现实中，由于车轮转速不稳定，会导致发电机输出电压不稳定，因而电机输出电路要串联一个整流器。大致工作流程为发电机→整流器→蓄电池，方案只在理论上可行具体能否实施，以及实施中遇到的各种问题还有待于进一步研究。
4 结束语
通过对自行车旅行中风力发电建立风速模型，得出了其理想发电量，对比普通手机电池电量分析出该方案不可行。通过对摩擦发电电量进行量化分析，与普通手机电池电量进行对比，在理论上得出方案可行，并提出了实施过程中的一些问题，给出了方案实施所需的辅助元件。
参考文献
[1]叶航冶.风力发电系统的设计、运行与维护.电子工业出版社,2010.
[2]陈铁华.水轮发电机原理及运行.中国水利水电出版社,2009.
“本文中所涉及到的图表、公式、注解等请以PDF格式阅读”