組別:█實作組□設計組
理工學院優秀專題競賽論文
健身腳踏車發電及儲電供電系統模型製作
關鍵字: 運動型自行車發電、汽車發電機、複式齒輪系、鉛酸電池、逆變器。
前言
本專題為運動型自行車發電的設計與製作，製作運動型自行車發電裝置可分為兩部分，機械系統和電力系統。在機械系統中，我們採用可變速之自
行車，將腳踩的力量藉由踏板、鏈輪、鏈條傳動至後輪，後輪再藉由齒輪組提高轉速，將動能傳到發電機主軸，進而帶動發電機。發電機所發出的直流
電輸送到電池裡進行儲存(或稱為(電池充電)，達到發電與儲存電能的目的。我們再將所電池儲存起來的直流電藉由逆變器轉成交流電 110V 的家庭用電;
進一步測試家用電器需要多少人力的發電，我們也藉著此測試，改變不同的轉速比，使自行車發電達到最佳的效率。
Ⅰ. 緒論
地球的資源有限，很多科學家也忙著尋找更多的替代能源，來緩和對有限資源的耗盡。因此我們構想了自行車發電，雖然說自行車發電無法供應一整
個城市的用電，但是對個人的用電所需卻綽綽有餘。
當今社會健康意識抬頭，很多人甚至會到健身房去運動，而健身房裡就有一樣健身器材腳踏車。在經由我們整組的討論下，我們決定製作一輛腳踏
車，同時兼具在家健身，還有對個人所需的用電發電。
在製作自行車發電的過程，我們遇到許多瓶頸，例如為了得到更高的發電量，所以我們提高齒輪的轉速比，但提高齒輪轉速比卻可能造成人踩不動
腳踏車，或是踩不久的問題，如何取決最佳的平衡點就成了我們專題的重要討論議題。
Ⅱ. 研究方法
圖 1 自行車發電能源轉換流程圖
表一 能量轉換系統所包含的元件或設備
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能源
機械能
電能
儲能
電能轉換
家用電
風力
水力
太陽能
人力
燃料電池
…
皮帶
複式齒輪
型星齒輪
鍊條
引擎
發電機
太陽能板
燃料電池
鉛酸電池.
鋰電池
電池
Power
Inverter
逆變壓器
12dcv~
110acv
電腦
電風扇
台燈
音響…
上圖一是我們本次專題的整個流程，每一次的能量轉換均需透過一個儀器，如表一。首先以人力踩動踏板帶動齒輪組所產生的機械能，透過發電機轉換
成直流電，再經由鉛酸電池儲存，所儲存的電能透過逆變器把直流電轉成交流電，最後把電傳送到電器上，使其可以正常的運作。我們把自行車發電分
成機械系統和發電系統兩部分研究。
機械系統：
圖二 自行車整體結構 圖三 腳踏車變速系統
圖四 複式齒輪系
圖二為腳踏車發電的整體結構。整個機械系統包含腳踏車的變速系統（如圖三），可變換 21 種速比，和發電機前的複式齒輪組嚙合（如圖四）。 圖四
為複式齒輪組，轉速比為 8：1，而腳踏車部分因為是變速腳踏車，轉速並不固定，共有 21 種轉速，但由於我們親自踩動腳踏車，測試發電量由 5A 到40A
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的容易程度。我們發現，齒輪由小至大算起，踏板處第一個齒輪，配後輪處第二個齒輪，這樣的組合最容易達到 30A~40A，前齒輪為 28 齒，後齒輪為 16
齒，所以腳踏車部分的轉速比為 28/16＝1.75，而總共的轉速比為 1.75*8＝14。
發電系統：
腳踏車前面的把手部分，我們有安裝發電指示燈，當燈泡亮時，表示沒有動作，若當燈泡由亮轉暗時，表示發電機開始進行發電。我們踩動腳踏車的起
初，發電機並沒有發電，但當燈泡熄滅時，我們會發現踏板的踩動變為困難，這是因為發電機的阻力所致。
以下圖五是我們整個發電系統的電路圖。
圖五 發電系統電路圖 圖六 專題用發電機
Ⅲ. 結果與討論
結果與討論我們分成四個部分：
腳踏車的最佳轉速
由於我們腳踏車是變速腳踏車，所以轉速並不固定，但變速的最大好處是我們可以去測量最方便人力發電的轉速，經由我們每一種轉速皆測試的結果，
我們發現，齒輪由小至大算起，踏板處第一個齒輪，配後輪處第二個齒輪，這樣的組合最容易達到瞬時發電量 40（A），前齒輪為28 齒，後齒輪為16
齒，所以腳踏車部分的轉速為 28/16＝1.75，而包含外加的複式齒輪組總共的轉速為 1.75*8＝14，所以轉速為 14 是最佳的轉速。
發電機發電量和腳踏車所踩的圈數的關係
我們有測量要維持瞬時發電量在 10（A）、20（A）、30（A），一分鐘各需踩腳踏車踏板幾圈，數據如表二，所繪成的曲線圖如圖七。
安培(A) rpm（圈/1 分鐘）
10 60
20 62
30 66
表二
電流與圈數關係圖
58
60
62
64
66
68
0 10 20 30 4
安培(A)
rpm
(圈/一分鐘)
0
圖七
由數據我們可以發現，在短時間內要產生較高的發電量，所踩的圈數影響並不大，經過我們的討論，我們認為可能是只有當踩下的瞬間需要大力一
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些，畢竟輪子轉動時有慣性，所以所多施加的力所造成的加速度，在短時間內速度不會有多大的改變。
燈泡熄滅時，踏板的踩動變為困難
在踩動腳踏車後，我們發現當燈泡熄滅時，踏板的踩動會變為困難。我們討論的結果是，當發電機發電後，因線圈的電產生磁力，而力就成為我們踩動
的阻力。從能量守恆的角度來看，要產生能量必須作功，而我們所作的功就必須克服發電機的阻力，進而才能產生電能。
發電機功率與家電用電量的關係
安培（A） 功率（W）
IV＝P
每小時功率
（WHr）
度（kWHr） 約需踩圈
數
10（A） 10*12＝120（W） 120（WHr） 0.12 度 3600
20（A） 20*12＝240（W） 240（WHr） 0.24 度 3720
30（A） 30*12＝360（W） 360（WHr） 0.36 度 3960
表三
家電 瓦數
電腦 300～500W
檯燈 15W
日光燈 40W
電扇 15～100W
表四
上表三為我們在不考慮能量流失，每小時發電機功率的理論值，只要再對應表四，我們即可知道要用多久的電器需踩多久的腳踏車，還有大概會踩
幾圈。例如假設電腦功率為 360（W），發電機瞬時發電量以 30（A）來計，若要使用一個小時的電腦必須踩腳踏車 1 個小時，所踩的圈數大約為 3960
圈。由此可知，若要同時間供應數種電器，光靠直接由發電機發電的量是不夠的，所以我們才會再接上鉛酸電池，平時可以先儲存電能，以備所需時使
用。
Ⅳ. 結論與建議
專題是整合我們大學所學的，例如我們腳踏車發電中，機械能轉成電能，電能儲存起來再轉換成交流電，最後變成家庭用電，這過程需要做許多研
究，而這些研究都會用到以前所學，例如機構學、電工學、電路實驗、應用力學等，這可以說是對我們這些科目做再一次的複習，並且拿來應用，這就
是所謂的做中學。
我們認為在做專題的同時，也可以結合業界的參訪，像是腳踏車發電，我們可以到相關的公司去參訪，了解如何把腳踏車做的更完善，還有腳踏車
發電的發展會碰到哪些困難，和如何為消費者量身打造一台腳踏車發電機而吸引消費者。若有這種機會，我們必定會面臨到前所未有的困難和挑戰，但
這或許會對我們的能力更進一步的提升。
Ⅴ. 參考文獻
維基百科
