圍繞美國能源消耗的討論往往集中在對外國石油的依賴、化石燃料消費對全球氣候變遷的影響程度等。當然，這些都是非常迫切的問題，需要盡快解決，但這是經常被忽視的第二次能源危機。儘管已開發國家以驚人的速度消耗化石燃料，但世界上近 20 億人口沒有電力，仍然嚴重依賴糞便、木材和其他形式的生物質等傳統燃料。[1]迄今為止，扭轉這一趨勢的努力主要集中在雙管齊下的方法上：一是以廉價、負責任的方式增加獲得「現代」能源的機會；二是增加對「現代」能源的獲取。其次，使目前生物燃料的使用更加安全、更永續。雖然這是一個有價值的方法，但它並不全面。
幾個世紀以來，人們一直在利用人力和畜力，它們在解決發展中國家能源危機的綜合策略中的重要性不容忽視。2008 年，在沒有電力的情況下，人類工作時估計產生了 1200 皮焦耳的能量。這是同年產生的風能的 1.5 倍以上！[2]大部分工作都花在了瑣碎的重複性任務上，而這些任務可以透過人力機器來提高效率。
歷史
使用工具作為人類力量的延伸的歷史比有記載的歷史要早得多。歐洲已知最早的遊戲百科全書《Libro de Juegos》（《遊戲書》）由卡斯蒂利亞國王阿方索十世於1283 年委託編寫，描述了一台用於車削雙陸棋棋子的弓形車床。摩洛哥的工匠至今仍在使用這種類型的設備。
從中世紀開始，省力設備得到改進，用於家庭和工業規模。也許這類機器中最重要的是軋棉機。伊萊·惠特尼 (Eli Whitney) 為繁重的棉花加工工作提供了簡單的機械解決方案，將生產率提高了 50 倍。[4]軋棉機並沒有減少美國南部對奴隸勞動的需求，反而再次確認了對奴隸的需求。於是，人力軋棉機在不經意間改變了歷史的進程。
19世紀末見證了自行車的發展。在接下來的幾十年裡，它從一塊帶有兩個輪子的木板演變成了我們今天看到的熟悉的菱形框架。無數的改進，包括多種速度，使自行車成為最有效的人力交通方式。特別是在發展中國家，化石燃料的成本使得需要獨特的自行車衍生性商品來滿足效率與工作量的需求。[5]由於其在人類力量歷史上的突出地位，自行車技術一直是許多利用人類過剩能量的努力的起點。在已開發國家，健身房開始利用固定自行車消耗的電力來滿足其電力需求。[6]
在過去的二十年裡，人們越來越重視以非傳統方式獲取人類能量。例如，在拉伸或壓縮下發電的壓電晶體變得越來越便宜且不易損壞。儘管它們的電力產量非常小，但人們希望將一系列此類設備整合到衣服中以獲得人的振動能量，從而為行動電子設備供電。[7] [8]此類技術的另一個應用是整合位於膝蓋關節處的微型發電機，用於收集多餘的能量[9]雖然此類創新無疑很有前景，但即使對於已開發國家來說，它們的成本也高得令人望而卻步。這點。
類型
踏板功率
曲柄功率
曲柄W是將人力轉換為機械能的最古老的方法之一。自從發電機發明以來，曲柄也用於小規模發電。
曲柄通常是手動操作的。值得注意的是，操作曲柄很快就會讓人感到疲勞。對於許多應用來說，踏板動力（使用較大的腿部肌肉）可能是更好的選擇。
對於小型機械研磨機（例如咖啡研磨機）、磨粉機、滾筒（例如麵食機）、剝殼機等，手搖曲柄通常仍然是一個不錯的選擇。
一些小型水泵也採用手搖式。
手搖式和（腳踏式）電子機械正在小幅回歸。
- https://www.apppropedia.org/Low_cost_computer_guide#Crank_power
- http://web.archive.org/web/20110911194312/http://www.treehugger.com:80/files/2006/05/sonys_handcrank_1.php
「曲柄」一詞也用於將往復直線運動轉換為旋轉運動的機械連桿，反之亦然。
設計注意事項
文化
右邊的漫畫出現在 1895 年的期刊《Punch》上。在歐洲和美國歷史上的這個時期，新興的自行車文化帶來了文化變革，例如女性逐漸接受穿褲子的觀念。漫畫中將腳踏縫紉機和自行車在家庭中的使用進行了比較，以說明自行車文化在世紀之交賦予英國女性的賦權感。
在現代，踏板動力機器的社會接受度可能有類似的文化障礙。例如，女性可能不鼓勵跨坐在自行車的座位上。在這種情況下，有必要重新設計機器以實現斜躺或斜躺方向。如果工作的勞動力要求不太高，可以用手搖曲柄代替踏板動力，就像拉動啟動馬達一樣。[11]
作為一項技術意外文化問題的案例，通用堅果脫殼機在馬利花生脫殼社區取得了巨大成功。然而，這種成功並沒有在加納社區複製，他們將脫殼乳木果作為社區活動。[12]
後勤
實施人力機器之前的另一個考慮因素是社區獲得零件和技術專業知識以建造機器並保持其運作的能力。人力機械潛力的一項一般準則是使用自行車。如果這些被廣泛使用，如果零件相當容易獲得，並且如果自行車的修理在本地進行，那麼踏板動力的其他應用可能是可行的。[13]
除了當地對自行車基礎設施的支持之外，當地獲得木工或金屬加工技能對於機器框架的建造也將是有益的。
應用
下圖顯示了人類發展指數與基礎能耗之間的關係。黑實線表示那些將受益於使用人力設備發電的國家。虛線和實線之間的國家電網不可靠或電力供應有限，但也可能從人力電力中受益。這項原則可以擴展到包括利用人力的其他模式。[14]
人力的候選者是具有振盪或重複運動元素的工作。因此，建造人力設備的許多原則已應用於許多需要的領域，包括洗衣機，[15]一個名副其實的人力磚生產工廠，[16]以及對現有基礎設施的改造，如圖 4 所示。
雖然已開發國家許多人都提倡發電，但由於「物流」部分列出的許多原因， [17]此類技術的基層發展受到限制。例如，在發展中國家，通常與發電機捆綁在一起的稀土磁鐵和 LED 無法在當地獲得，而且價格昂貴，而且維修的機會很低。[18]
理論
踩自行車的自然動作本質上是將線性運動轉換為圓週運動，產生如圖 2 所示的振盪功率函數。
就移動自行車而言，這種效應被三個因素所掩蓋：騎車人體重所提供的慣性；設備的摩擦損失；和來自空氣的阻力。然而，對於固定騎士（操作人力機器的人）來說，這種現象成為電力傳輸的重要考慮因素。例如，對於穀物的研磨，提供或多或少恆定的研磨功率將是有利的，以促進通過機器的一致的進給速率。因此，通常謹慎的做法是引入一種「平滑」從動齒輪的功率輸出的方法。最常見的方法是透過飛輪。飛輪是機械系統中用於能量儲存的旋轉質量。它將替代移動示例中騎手的體重提供的慣性質量。
對於半徑為「r」、質量為「m」的圓環（想像一個自行車車輪），轉動慣量 I 定義為我z=米r2{\displaystyle I_{z}=mr^{2}\!}
對於半徑為「r」、質量為「m」的實心圓盤或圓柱體，轉動慣量 I 由下式給出我z=米r22{\displaystyle I_{z}={\frac {mr^{2}}{2}}\,\!}
此外，飛輪的動能由下式給出乙=我ω22{\displaystyle E={\frac {I\omega ^{2}}{2}}\,\!}
從最初的檢查中，我們可以看到，對於相同的質量，環的慣性矩更高，達到了原來的兩倍。從能量的角度來看，與實心圓柱體相比，環需要兩倍的時間才能達到穩定狀態。速度，但在所有條件相同的情況下，需要兩倍的時間才能減速。然而，固態盤飛輪的主要優點是易於製造。
已經提出了幾種不需要旋轉質量的功率平滑方法的設計方案。特別地，已經提出了往復彈簧系統和採用大電容器的電路。[21]此類系統尋求人力機器的便攜性。雖然無質量機械系統尚未廣泛分佈，但後者已在發電和需要穩定電壓輸入的應用中得到應用。[22] [23]
為了減少騎乘者的疲勞，根據 Wilson 和 Bloop 的經驗確定，飛輪的轉動慣量應約為 150 kg m^2 sec^-2。[24] [25]
建造
人力機器的建造可以從頭開始，也可以透過修改現有零件（如自行車車架）來完成。因為設計是多種多樣的，具體取決於當地供應品的可用性，例如木材或金屬，應用中的考慮因素等。踏板動力機器的兩個示例，建議的串聯機器和現場單人踏板動力機器顯示設備。
傳播
雖然人力機械的整體氛圍似乎圍繞著為已開發國家提供電力，但國內有興趣復活一些這種「過時」的技術供國內使用。例如，Fender Blender 提供了一個踏板動力底座，其靈感來自巡洋艦自行車美學，可與標準攪拌機一起使用。此外，機器的所有塑膠部件均由回收塑膠製成。[28]
腳踏泵是在踏板動力領域之外實現人力的成功案例。這種類型的泵利用使用者的體重和腿部力量來槓桿化具有兩個腔室的抽吸泵，每條腿一個腔室。其低成本、高社會接受度、更好的灌溉流量和更低的使用者疲勞度使其成為比較人力設計的標準。[29] [30]
也可以看看
外部連結
- CCAT的踏板功率
- bikeforums.net 上的人力電器討論
- Green MicroGym：包含 Human Dynamo 和 SportsArt EcoPowr 跑步機
- MNM Power，另一家生產peda電源產品的公司
- Lucien Gambarota 的 MotorGym Co Ltd 設備，由香港 California Fitness 公司使用
- 伍德韋生態磨坊
- Pedal-A-Watt，自行車上使用的裝置
參考
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- ↑跳轉至：14.0 14.1 Mechtenberg, AR 等人，人力 (HP) 作為低於 20 W/人均的可行電力組合選項。能源促進永續發展，2012 年。16(2)：p。125-145。
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- ↑ 擋泥板攪拌機。[引用於 2012 年 12 月 12 日]；可從： http: //www.rockthebike.com/fender-blender-pro/取得。
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- ↑ Chiyu Chen 的 Hybrid2 概念