Human power/zh
围绕美国能源消耗的讨论往往集中在对外国石油的依赖、化石燃料消费对全球气候变迁的影响程度等。当然，这些都是非常迫切的问题，需要尽快解决，但这是经常被忽视的第二次能源危机。尽管已开发国家以惊人的速度消耗化石燃料，但世界上近 20 亿人口没有电力，仍然严重依赖粪便、木材和其他形式的生物质等传统燃料。[1]迄今为止，扭转这一趋势的努力主要集中在双管齐下的方法上：一是以廉价、负责任的方式增加获得“现代”能源的机会；二是增加对“现代”能源的获取。其次，使目前生物燃料的使用更加安全、更永续。虽然这是一个有价值的方法，但它并不全面。
几个世纪以来，人们一直在利用人力和畜力，它们在解决发展中国家能源危机的综合策略中的重要性不容忽视。2008 年，在没有电力的情况下，人类工作时估计产生了 1200 皮焦耳的能量。这是同年产生的风能的 1.5 倍以上！[2]大部分工作都花在了琐碎的重复性任务上，而这些任务可以透过人力机器来提高效率。
历史
使用工具作为人类力量的延伸的历史比有记载的历史要早得多。欧洲已知最早的游戏百科全书《Libro de Juegos》（《游戏书》）由卡斯蒂利亚国王阿方索十世于1283 年委托编写，描述了一台用于车削双陆棋棋子的弓形车床。摩洛哥的工匠至今仍在使用这种类型的设备。
从中世纪开始，省力设备得到改进，用于家庭和工业规模。也许这类机器中最重要的是轧棉机。伊莱·惠特尼 (Eli Whitney) 为繁重的棉花加工工作提供了简单的机械解决方案，将生产率提高了 50 倍。[4]轧棉机并没有减少美国南部对奴隶劳动的需求，反而再次确认了对奴隶的需求。于是，人力轧棉机在不经意间改变了历史的进程。
19世纪末见证了自行车的发展。在接下来的几十年里，它从一块带有两个轮子的木板演变成了我们今天看到的熟悉的菱形框架。无数的改进，包括多种速度，使自行车成为最有效的人力交通方式。特别是在发展中国家，化石燃料的成本使得需要独特的自行车衍生性商品来满足效率与工作量的需求。[5]由于其在人类力量历史上的突出地位，自行车技术一直是许多利用人类过剩能量的努力的起点。在已开发国家，健身房开始利用固定自行车消耗的电力来满足其电力需求。[6]
在过去的二十年里，人们越来越重视以非传统方式获取人类能量。例如，在拉伸或压缩下发电的压晶体管变得越来越便宜且不易损坏。尽管它们的电力产量非常小，但人们希望将一系列此类设备整合到衣服中以获得人的振动能量，从而为行动电子设备供电。[7] [8]此类技术的另一个应用是整合位于膝盖关节处的微型发电机，用于收集多余的能量[9]虽然此类创新无疑很有前景，但即使对于已开发国家来说，它们的成本也高得令人望而却步。这点。
类型
踏板功率
曲柄功率
曲柄W是将人力转换为机械能的最古老的方法之一。自从发电机发明以来，曲柄也用于小规模发电。
曲柄通常是手动操作的。值得注意的是，操作曲柄很快就会让人感到疲劳。对于许多应用来说，踏板动力（使用较大的腿部肌肉）可能是更好的选择。
对于小型机械研磨机（例如咖啡研磨机）、磨粉机、滚筒（例如面食机）、剥壳机等，手摇曲柄通常仍然是一个不错的选择。
一些小型水泵也采用手摇式。
手摇式和（脚踏式）电子机械正在小幅回归。
- 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”一词也用于将往复直线运动转换为旋转运动的机械连杆，反之亦然。
设计注意事项
文化
右边的漫画出现在 1895 年的期刊《Punch》上。在欧洲和美国历史上的这个时期，新兴的自行车文化带来了文化变革，例如女性逐渐接受穿裤子的观念。漫画中将脚踏缝纫机和自行车在家庭中的使用进行了比较，以说明自行车文化在世纪之交赋予英国女性的赋权感。
在现代，踏板动力机器的社会接受度可能有类似的文化障碍。例如，女性可能不鼓励跨坐在自行车的座位上。在这种情况下，有必要重新设计机器以实现斜躺或斜躺方向。如果工作的劳动力要求不太高，可以用手摇曲柄代替踏板动力，就像拉动启动马达一样。[11]
作为一项技术意外文化问题的案例，通用坚果脱壳机在马利花生脱壳社区取得了巨大成功。然而，这种成功并没有在加纳社区复制，他们将脱壳乳木果作为社区活动。[12]
后勤
实施人力机器之前的另一个考虑因素是社区获得零件和技术专业知识以建造机器并保持其运作的能力。人力机械潜力的一项一般准则是使用自行车。如果这些被广泛使用，如果零件相当容易获得，并且如果自行车的修理在本地进行，那么踏板动力的其他应用可能是可行的。[13]
除了当地对自行车基础设施的支持之外，当地获得木工或金属加工技能对于机器框架的建造也将是有益的。
应用
下图显示了人类发展指数与基础能耗之间的关系。黑实线表示那些将受益于使用人力设备发电的国家。虚线和实线之间的国家电网不可靠或电力供应有限，但也可能从人力电力中受益。这项原则可以扩展到包括利用人力的其他模式。[14]
人力的候选者是具有振荡或重复运动元素的工作。因此，建造人力设备的许多原则已应用于许多需要的领域，包括洗衣机，[15]一个名副其实的人力砖生产工厂，[16]以及对现有基础设施的改造，如图 4 所示。
虽然已开发国家许多人都提倡发电，但由于“物流”部分列出的许多原因， [17]此类技术的基层发展受到限制。例如，在发展中国家，通常与发电机捆绑在一起的稀土磁铁和 LED 无法在当地获得，而且价格昂贵，而且维修的机会很低。[18]
理论
踩自行车的自然动作本质上是将线性运动转换为圆周运动，产生如图 2 所示的振荡功率函数。
就移动自行车而言，这种效应被三个因素所掩盖：骑车人体重所提供的惯性；设备的摩擦损失；和来自空气的阻力。然而，对于固定骑士（操作人力机器的人）来说，这种现象成为电力传输的重要考虑因素。例如，对于谷物的研磨，提供或多或少恒定的研磨功率将是有利的，以促进通过机器的一致的进给速率。因此，通常谨慎的做法是引入一种“平滑”从动齿轮的功率输出的方法。最常见的方法是透过飞轮。飞轮是机械系统中用于能量储存的旋转质量。它将替代移动示例中骑手的体重提供的惯性质量。
对于半径为“r”、质量为“m”的圆环（想像一个自行车车轮），转动惯量 I 定义为我z=米r2{\displaystyle I_{z}=mr^{2}\!}
对于半径为“r”、质量为“m”的实心圆盘或圆柱体，转动惯量 I 由下式给出我z=米r22{\displaystyle I_{z}={\frac {mr^{2}}{2}}\,\!}
此外，飞轮的动能由下式给出乙=我ω22{\displaystyle E={\frac {I\omega ^{2}}{2}}\,\!}
从最初的检查中，我们可以看到，对于相同的质量，环的惯性矩更高，达到了原来的两倍。从能量的角度来看，与实心圆柱体相比，环需要两倍的时间才能达到稳定状态。速度，但在所有条件相同的情况下，需要两倍的时间才能减速。然而，固态盘飞轮的主要优点是易于制造。
已经提出了几种不需要旋转质量的功率平滑方法的设计方案。特别地，已经提出了往复弹簧系统和采用大电容器的电路。[21]此类系统寻求人力机器的便携性。虽然无质量机械系统尚未广泛分布，但后者已在发电和需要稳定电压输入的应用中得到应用。[22] [23]
为了减少骑乘者的疲劳，根据 Wilson 和 Bloop 的经验确定，飞轮的转动惯量应约为 150 kg m^2 sec^-2。[24] [25]
建造
人力机器的建造可以从头开始，也可以透过修改现有零件（如自行车车架）来完成。因为设计是多种多样的，具体取决于当地供应品的可用性，例如木材或金属，应用中的考虑因素等。踏板动力机器的两个示例，建议的串联机器和现场单人踏板动力机器显示设备。
传播
虽然人力机械的整体氛围似乎围绕着为已开发国家提供电力，但国内有兴趣复活一些这种“过时”的技术供国内使用。例如，Fender Blender 提供了一个踏板动力底座，其灵感来自巡洋舰自行车美学，可与标准搅拌机一起使用。此外，机器的所有塑胶部件均由回收塑胶制成。[28]
脚踏泵是在踏板动力领域之外实现人力的成功案例。这种类型的泵利用使用者的体重和腿部力量来杠杆化具有两个腔室的抽吸泵，每条腿一个腔室。其低成本、高社会接受度、更好的灌溉流量和更低的使用者疲劳度使其成为比较人力设计的标准。[29] [30]
也可以看看
外部链接
- CCAT的踏板功率
- bikeforums.net 上的人力电器讨论
- Green MicroGym：包含 Human Dynamo 和 SportsArt EcoPowr 跑步机
- MNM Power，另一家生产peda电源产品的公司
- Lucien Gambarota 的 MotorGym Co Ltd 设备，由香港 California Fitness 公司使用
- 伍德韦生态磨坊
- Pedal-A-Watt，自行车上使用的装置
参考
- ^ Barnes, DF 与 WM Floor，《发展中国家的农村能源：经济发展的挑战》1。能源与环境年度回顾，1996 年。21(1)：第 17 页。497-530。
- ^ Fuller，RJ 和 L. Aye，人力和畜力——被遗忘的可再生能源。再生能源，2012 年。48(0)：p。326-332。
- ^ http://thomasguild.blogspot.com/2012/06/woodworking-tools-in-libro-de-los.html
- ^ 伍兹，罗伯特. “曲柄的转动引发了内战。” 机械工业。
- ^ Cyders, TJ，《面向发展中社区的人力多用途车设计》，2008 年机械工程系，俄亥俄大学：雅典，俄亥俄州。
- ^ Benkatraman, V. 透过踏板动力进行电动锻炼。基督教科学箴言报，2008 年。
- ^ Starner, T. 和 JA Paradiso，移动电子设备的人类发电。低功率电子设计，2004。
- ^ Gonzalez, JL、A. Rubio 和 F. Moll，为穿戴式电子设备供电的人力压电电池。国际资源材料工程学会杂志，2002。10(1)。
- ^ Donelan, JM 等人，生物力学能量采集：在步行过程中以最小的用户努力发电。科学，2008。319（5864）：p。807-810。
- ^ Punch1895：英国伦敦。
- ^ Chandler, L.，重新设计用于马里的人力电池充电器，2005 年机械工程系，麻省理工学院：马萨诸塞州剑桥。p。29.
- ^ http://web.archive.org/web/20160420070044/http://www.thefullbellyproject.org/Products/UniversalNutSheller.aspx
- ^ Weightman, D.，《发展中国家农业与运输中踏板动力的使用》1976 年，英国考文垂：兰彻斯特理工学院工业设计系。
- ↑跳转至：14.0 14.1 Mechtenberg, AR 等人，人力 (HP) 作为低于 20 W/人均的可行电力组合选项。能源促进永续发展，2012 年。16(2)：p。125-145。
- ^ Raduta, R. 和 J. Vechakul，Bicilavadora，2005 年，麻省理工学院：马萨诸塞州剑桥。
- ^ Modak, JP，人力飞轮马达概念、设计、动力学和应用，2007 年。
- ^ Bhusal, P.、A. Zahnd 和 M. Eloholma，在发展中国家用发光二极管取代燃料照明：尼泊尔农村家庭的能源和照明。洛科斯，2007 年。3(4)：第 17 页。277-291。
- ↑ Decker，KD 自行车供电的发电机是不可持续的。低科技杂志，2011。
- ^ 踏板动力，1981 年农村发展能源补充，国家学院出版社：华盛顿特区
- ^ Dean, T.，The Human-Powered Home2008，加拿大不列颠哥伦比亚省加布里奥拉岛：新社会出版社。
- ^ Allen, JS，寻找无质量飞轮。人力，1991。9(3)。
- ^ Butcher, D. 踏板发电机 - 来自运动的电力。2012 12/16/2012 12/17/2012]; 可从： http: //www.los-gatos.ca.us/davidbu/pedgen.html取得。
- ^ Czap, N.，旨在发电的固定自行车，2008 年旧金山门：加利福尼亚州旧金山。
- ^ Wilson, DG，了解踏板力量，1986 年，技术援助志工：弗吉尼亚州阿灵顿。
- ^ Tiwari, PS 等人，职业活动的踏板功率：功率输出和踏板频率对生理反应的影响。国际工业人体工学杂志，2011 年。41(3)：p。261-267。
- ^ Weir, A.，Dynapod：踏板动力装置，1980 年，技术援助志工：雷尼尔山。
- ^ 一人动力机，乌干达 1972 年，1972 年，亚历克斯威尔 (Alex Weir)。
- ↑ 挡泥板搅拌机。[引用于 2012 年 12 月 12 日]；可从： http: //www.rockthebike.com/fender-blender-pro/取得。
- ^ 脚踏泵，1991 年，开发技术单位，华威大学工程系：Conventry，英国。
- ^ Clarke, P.，永续发展教育：变得自然聪明2012，纽约，纽约：Routledge。140.
- ↑ Chiyu Chen 的 Hybrid2 概念