Battery used Battery charging

LOW←TECH MAGAZINE

Bouw een fietsgenerator voor warmte en elektriciteit

Een fietsgenerator houdt je warm en is de ideale backup voor een autonome zonne-installatie. In dit artikel beschrijven we de bouw en het gebruik van een praktische, betaalbare en betrouwbare energiecentrale voor thuisgebruik.

image

Beeld: de fietsgenerator in de woonkamer.

Artikel

Technische handleiding

Inleiding

Er is geen tekort aan handleidingen voor fietsgeneratoren, zowel online als in boeken. Maar toen Low-tech Magazine zelf zo’n energiecentrale wilde maken, bleek de beschikbare informatie toch onvolledig. Meestal ligt de nadruk op het bouwen van de krachtbron zelf, terwijl er nauwelijks aandacht is voor hoe de opgewekte elektriciteit praktisch kan worden gebruikt. Simpelweg een generator aan een fiets koppelen levert geen bruikbare energiebron op.

Om hier een mouw aan te passen, bouwden we niet alleen een fietsgenerator maar ook een controlepaneel in de vorm van een “dashboard” dat aan het stuur is bevestigd. Met het controlepaneel kan een grote verscheidenheid aan apparaten van stroom worden voorzien of opgeladen — ongeacht het voltage waarop ze werken. Bovendien kunnen meerdere apparaten tegelijk worden gevoed, zodat de fietser de weerstand op de pedalen zeer precies kan aanpassen voor een optimale trainingssessie.

We hebben ook geprobeerd om de krachtbron zelf te verbeteren. Hoewel er goede handleidingen beschikbaar zijn, wilden we een fietsgenerator die makkelijk te bouwen is (zonder het gebruik van een lasapparaat), comfortabel is in het gebruik, zo compact mogelijk, en niet al te lelijk. De machine staat opgesteld in een kleine woonkamer en moet uitnodigen tot energieproductie. We vonden de oplossing in een oude hometrainer met een vliegwiel, een benadering die we nog niet eerder hebben gezien.

Uitproberen en vergissen

De fietsgenerator en het bedieningspaneel zijn ontworpen en gemaakt in samenwerking met Marie Verdeil als onderdeel van haar stage bij Low-tech Magazine. Omdat de handleidingen ons in de steek lieten, volgden we een “trial-and-error” aanpak. Dat was tijdrovend en duur, maar het leverde veel inzichten op. We hebben veel fouten gemaakt die de gebruikers van onze handleiding kunnen vermijden.

We zijn geen ingenieurs, en we verwelkomen technische feedback voor verdere verbeteringen - zie ook de reacties op de Engelstalige versie van het artikel. Op basis van die feedback en meer experimenten met de fietsgenerator - die nu een aantal maanden in gebruik is - zullen we de handleiding bijwerken en uitbreiden. Ons ontwerp kan worden aangepast aan ieders behoeften.

Nieuwkomers kunnen een aantal eerdere artikelen lezen waarop dit project verder bouwt (ze staan bijna allemaal nog op de oude website): De vergeten toekomst van de energiefiets (2011), Hoe milieuvriendelijk is de energiefiets? (2011), Kan een moderne samenleving op menselijke spierkracht draaien? (2016), Een huishouden op gelijkstroom (2016), Hoe bouw je een 12V zonne-installatie? (2016), en Hoeveel energie hebben we nodig? (2018).

Het zal duidelijk zijn dat een fietsgenerator geen huishouden met een hoog verbruik van energie zal voorzien — tenzij de nodige voorraad slaven kan worden gevonden. Deze handleiding is bedoeld voor mensen met een energiezuinige levensstijl.

De fietsgenerator

Er zijn vele manieren om een fietsgenerator te bouwen. Elke manier heeft voor- en nadelen. Wij hebben onze fietsgenerator gebaseerd op een vintage hometrainer uit de jaren vijftig. Onze fiets is gemaakt door het Spaanse merk BH, maar soortgelijke ouderwetse modellen zijn overal in de geïndustrialiseerde wereld te vinden.

image

Beeld: De hometrainer uit de jaren vijftig. Aan de voorkant zit een zwaar vliegwiel.

Het vliegwiel

Onze aanpak heeft verschillende voordelen. Het eerste en belangrijkste voordeel is dat oude hometrainers een groot vliegwiel hebben. De meeste fietsgeneratoren die vandaag de dag door knutselaars worden gebouwd, hebben geen vliegwiel. Dat maakt ze vermoeiend en oncomfortabel in het gebruik.

Een vliegwiel is essentieel omdat het gebruik van een stationaire fiets een heel andere ervaring is dan fietsen op de weg. De kracht die onze voeten op de pedalen zetten, piekt elke 180 graden van de rotatie van de kruk. Op de weg heeft dit weinig effect omwille van de inertie van de fietser.

Op een stationaire fiets daarentegen leidt het tot schokkerige bewegingen en extra belasting van de onderdelen. Het vliegwiel lost dit probleem op door zijn massa en rotatiesnelheid, wat resulteert in een comfortabel trapritme. Je wordt minder snel moe en je kan meer energie opwekken. Een vliegwiel produceert ook een meer constante elektrische spanning.

Onze aanpak maakt het ook mogelijk om een fietsgenerator te bouwen met eenvoudig gereedschap en basisvaardigheden. Er moet geen metaal worden gesneden of gelast — de fiets blijft zoals hij is. 1 Het is ook niet nodig om een ondersteunende structuur te bouwen — de fiets heeft die al. Het enige wat we toevoegden was een frictieaandrijving — een klein wiel dat aan de generator wordt bevestigd en tegen het vliegwiel wordt aangedrukt.

image

Beeld: De frictieaandrijving - een klein wiel dat aan de as van de generator is bevestigd en tegen het vliegwiel wordt aangedrukt.

Onze methode resulteert ook in een zeer compacte fietsgenerator van iets meer dan 1 meter lang. Tenslotte, en hoewel dit een kwestie van persoonlijke smaak is, resulteert het in een machine die mooi is om naar te kijken. De fiets is gekocht van iemand uit een naburig dorp die hem als decoratie in de huiskamer had staan.

Als nadeel zou je kunnen noemen dat een frictieaandrijving minder energie-efficiënt is dan een tandwiel- of riemaandrijving. Het hogere rendement van het vliegwiel compenseert dat echter. Alleen een combinatie van vliegwiel en tandwiel- of riemaandrijving zou het beter doen - maar zo’n fietsgenerator zou dan weer een stuk moeilijker te bouwen zijn. Een ander nadeel is dat onze machine geen schakelbare versnellingen heeft - daarover later meer.

Maximale vermogensopbrengst

Het vermogen (uitgedrukt in watt of W) van een fietsgenerator komt overeen met de spanning (voltage of V) vermenigvuldigd met de stroom (ampère of A). Wij verkregen ruwweg 100 watt (12V, 8-9A) aan vermogen tijdens een korte en zware inspanning. Tijdens een matige inspanning — die we een veel langere tijd kunnen volhouden — ligt de vermogensproductie tussen 45 en 75 watt. Het vermogen hangt niet alleen af van de fiets, maar ook van de persoon die de fiets bedient. Atleten zouden meer vermogen kunnen produceren, terwijl bankzitters (aanvankelijk!) minder zouden genereren. 2 3

We hebben het vermogen direct na de generator gemeten. Je moet echter meer kracht op de pedalen zetten om dat vermogen te verkrijgen. Om te beginnen is geen enkele generator 100% efficiënt. Onze generator bereikt zijn maximale efficiëntie (75-78%) bij een vermogen van meer dan 6A (72W). De efficiëntie neemt af wanneer je minder vermogen produceert: ze daalt tot 60% bij 3A en tot minder dan 45% bij 2A. Ten tweede zijn er energieverliezen in de aandrijflijn tussen de pedalen en de generator. We kunnen deze niet meten, maar volgens de gegevens die we hebben gevonden, introduceert een frictieaandrijving gemiddeld 15% extra energieverliezen.

Rekening houdend met efficiëntieverliezen in zowel de generator als de frictieaandrijving, moet je dus minstens 150 watt op de pedalen zetten om een vermogen van 100 watt te verkrijgen. Er zijn extra energieverliezen in de fiets zelf. In theorie heeft een fietsaandrijving lage energieverliezen, hooguit een paar procent. In de praktijk kunnen deze energieverliezen echter groot zijn. Dat hebben we onbedoeld bewezen. Onze stroomproductie verdubbelde nadat we de fietsaandrijving grondig hadden schoongemaakt en geolied. We maakten de fout om de fiets pas helemaal aan het eind schoon te maken. Dat dwong ons tot aanpassingen aan het bedieningspaneel omdat er plots veel meer stroom doorheen kwam.

Pedaalkracht: wat zijn de uitdagingen?

Op een fietsgenerator moet je zowel het voltage (V) als het amperage (A) produceren dat het aangedreven apparaat vraagt. Dit is makkelijker gezegd dan gedaan. Elektrische apparaten werken op verschillende voltages en vragen niet allemaal evenveel stroom. Het voltage wordt bepaald door hoe snel je trapt, terwijl het amperage wordt bepaald door hoe hard je trapt.

image

Beeld: de fietsgenerator in werking.

1. Hoe produceer je de juiste spanning?

Een fietsgenerator produceert gelijkstroom laagspanning, vergelijkbaar met een fotovoltaïsche zonne-installatie (12V/24V). Het geproduceerde voltage hangt af van de rotatiesnelheid van de generator. De trapsnelheid en de reductieverhouding bepalen de rotatiesnelheid van de generator. In de handleiding bespreken we in detail hoe je de correcte reductieverhouding bekomt.

Samengevat moet je de buitendiameter meten van drie onderdelen (kettingwiel van de trapaandrijving, kettingwiel van het vliegwiel, en het vliegwiel zelf) en op basis van die data de juiste diameter berekenen voor het wieltje dat aan de as van de generator wordt vastgemaakt. Dit alles in functie van de gewenste voltage output.

Van zodra de reductieverhouding is bepaald, kan je in principe een lager of hoger voltage produceren door respectievelijk trager of sneller te trappen. Dat maakt het mogelijk om apparaten met verschillende voltages te doen werken. Praktisch is dat echter niet. Als we ervan uitgaan dat de generator 12V produceert bij een normale trapsnelheid, dan zou je in slow motion moeten trappen om 5V te produceren. Om 24V te produceren, zou je zo snel moeten trappen dat het moeilijk wordt om de voeten op de pedalen te houden. Versnellingen zouden het makkelijker maken om het geproduceerde voltage te variëren, maar onze fiets heeft die niet.

Als een apparaat ongeveer 12V nodig heeft, kan het doenbaar zijn om het direct op de generator aan te sluiten. Het vliegwiel helpt het geproduceerde voltage redelijk constant te houden. Gaat het echter over elektronische apparaten of batterijen, dan is er een zeer precies voltage nodig, Zoniet werken ze niet of raken ze beschadigd. Bovendien kan je op deze manier niet verschillende apparaten met verschillende voltages tegelijk aandrijven — wat een oplossing is voor het volgende probleem.

2. Hoe produceer je de juiste stroom?

Elektrische en elektronische apparaten kunnen heel verschillende eisen hebben als het op vermogen aankomt — zelfs al werken ze op hetzelfde voltage. Helaas is het veel moeilijker om de stroom precies te regelen dan de spanning. Hoe hard je moet trappen, wordt immers volledig bepaald door het apparaat dat je aandrijft. In sommige gevallen resulteert dat in een optimale weerstand op de pedalen. Veel vaker is de weerstand op de pedalen echter te hoog of te laag.

Enerzijds is de weerstand op de pedalen bijna nul bij het opladen van een smartphone of een relatief kleine loodzuuraccu. Anderzijds is de weerstand op de pedalen te hoog bij het voeden van een waterkoker of een koelkast. Sommige apparaten stellen wisselende eisen aan de stroomsterkte. De printer vraagt bijvoorbeeld tussen 25 en 70 watt stroom, afhankelijk van wat hij precies doet. Er zijn pieken in de stroomvraag na het opstarten en tussen pagina’s, en het afdrukken van afbeeldingen vergt meer inspanning dan het afdrukken van tekst.

3. Batterijen opladen

Off-grid fotovoltaïsche systemen laden vaak loodzuur batterijen op. Menskracht is niet afhankelijk van het weer en het tijdstip van de dag, maar het kan evengoed praktisch zijn om ze in een accu op te slaan voor toekomstig gebruik.

Uitgaande van 100 watt stroomproductie is het verleidelijk om overdreven optimistische berekeningen te maken over de tijd die nodig is om een accu op te laden. Als je bijvoorbeeld 100 wattuur nodig hebt om een batterij op te laden, kun je dat in een uur doen. Toch? Fout. Zelfs als je een vermogen van 100 watt een uur lang zou kunnen volhouden, dan nog beperkt de batterij hoeveel vermogen je erin kunt stoppen. Je kan niet even een korte en krachtige inspanning doen om de batterij sneller op te laden.

Loodzuur accu’s laden slechts tussen 10 en 25% van hun maximumcapaciteit op - en wij behaalden 10% voor alle geteste accu’s. Voor grote accu’s levert dat voldoende weerstand op de pedalen op. Een loodzuur batterij met de omvang van een autobatterij (ruwweg 60-80Ah) vraagt een vermogen van 85-115 watt, wat een zware inspanning vergt. Zo’n batterij volledig opladen (van 12V tot 13V) zou vijf uur duren, zonder rekening te houden met laad- en ontlaadverliezen (ongeveer 30%).

Voor kleinere loodzuur accu’s is de lage vermogensvraag echter problematisch. Er is weinig of geen weerstand op de pedalen (dus geen echte training), het is zeer inefficiënt (de generator heeft grote energieverliezen), en toch kost het evenveel tijd als het opladen van een veel grotere accu. Het opladen van een 12V accu met een opslagcapaciteit van 14Ah (vergelijkbaar met de accu die de website op zonne-energie voedt, vereist een vermogen van slechts 1,4A (20W).

Hetzelfde probleem doet zich voor met USB-apparaten. De vaakst gepromote toepassing van een fietsgenerator - bijvoorbeeld in treinstations en luchthavens - is het opladen van een smartphone. Maar dat vergt bijzonder weinig vermogen (5-10W) in vergelijking met wat de fiets kan produceren. (Bij sommige nieuwere modellen gaat het opladen sneller).

Je zou denken dat het opladen van een telefoonbatterij van 10Wh slechts 6 minuten zou duren bij een maximaal vermogen van 100W, maar het duurt net zo lang als wanneer je de stekker in het stopcontact steekt. Een veel kleinere handgenerator zou voldoende zijn om een smartphone op te laden, maar dan heb je je handen niet vrij.

Het controlepaneel: hoe deze problemen oplossen?

Om al deze problemen op te lossen, hebben we een controlepaneel gebouwd dat de stroom van de fietsgenerator verdeelt over schakelbare circuits met verschillende spanningen voor de werking van diverse apparaten. Je kan deze circuits afzonderlijk of in combinatie gebruiken, waardoor je de weerstand op de pedalen precies kunt instellen voor de optimale training. Je kan sommige apparaten ook rechtstreeks aansturen door hun vermogensvraag te verlagen.

image

Beeld: Het controlepaneel.

image

Beeld: Het controlepaneel gezien vanaf de zijkant.

1. Het voltage aanpassen: spanningsregelaars

Het is niet nodig om sneller of langzamer te trappen om het juiste voltage voor een apparaat te leveren. In plaats daarvan kan je gebruik maken van spanningsregelaars (“buck converters” en “boost converters”) - elektronische modules die een fluctuerende ingangsspanning omzetten in een stabiele uitgangsspanning.

Buck converters” hebben een hogere ingangsspanning dan uitgangsspanning (ze verlagen het voltage), terwijl “boost converters” de spanning verhogen. Je kan de uitgangsspanning regelen door een klein schroefje op de module naar links or rechts te draaien. Er is meer informatie over buck en boost converters in de handleiding.

2. De stroom aanpassen: schakelbare circuits en dimmers

Je kan een elektrisch circuit bouwen met slechts één spanningsregelaar. Je kan dan de spanning aanpassen door aan het kleine schroefje te draaien telkens wanneer je een apparaat voedt dat een andere spanning vereist. Het bouwen van meerdere schakelbare circuits met verschillende spanningen brengt echter voordelen met zich mee. Niet alleen kan je gemakkelijk schakelen tussen verschillende soorten apparaten zonder dat je een schroevendraaier nodig hebt, je kan ook de weerstand op de pedalen aanpassen door meerdere circuits tegelijk open te zetten.

Het controlepaneel omvat:

  • Twee circuits voor het voeden of opladen van USB-apparaten (5V)
  • Drie circuits voor het voeden van 12V apparaten
  • Een circuit voor het opladen van loodzuur batterijen (14,4V)
  • Een circuit voor het voeden van apparaten die werken op 220V
  • Eén ongereguleerde stroomkring waarvan de uitgangsspanning overeenkomt met de ingangsspanning

image

Beeld: De voorkant van het controlepaneel.

image

Beeld: De achterkant van het controlepaneel.

Als er onvoldoende weerstand is op de pedalen, kan je de stroomvraag verhogen door meer circuits in te schakelen. Dat zal ook het rendement van de generator verhogen. Om de lage vermogensvraag en lange laadtijd van de batterijen aan te pakken, kun je de 5V en 14,4V circuits altijd open houden. Dat zorgt voor een elektrische basisbelasting van ruwweg 20W (twee tot vijf USB-apparaten en een loodzuuraccu van 14Ah). Alnaargelang de gewenste intensiteit van de training kan je vervolgens extra circuits openen en meer apparaten van stroom voorzien. Deze aanpak verkort de tijd die nodig is om batterijen op te laden niet. Maar het maakt de inspanning wel meer de moeite waard.

Een controlepaneel met alleen maar 5V USB circuits is een andere optie. Meer nog, je kan ons bedieningspaneel heel makkelijk zo inrichten. Je kan een handvol apparaten aansluiten op één enkele USB-uitgang, met een maximaal stroomverbruik van 10 watt (5V/2A). Ons dashboard heeft twee 5V-circuits - één dient in de eerste plaats voor de dashboardverlichting, maar je kan er een USB-verdelerhub aan toevoegen voor nog eens 10 W aan apparaten.

Je kan zes extra USB-voedingsuitgangen toevoegen door USB-aansluitingen op de drie 12V-uitgangen aan te sluiten, althans als je drie vrouwelijke 12V-aansluitingen toevoegt. Dat brengt de totale stroomvraag op 80 watt — genoeg om 10 tot 15 smartphones tegelijk op te laden. Er is tegenwoordig geen tekort aan USB-apparaten: telefoons, tablets, ebooks, powerbanks, fietsverlichting, camera’s, draadloze hoofdtelefoons, AA-batterijladers, enzovoort.

Dimmer

Als er te veel stroom wordt gevraagd, kan je een of meer circuits uitschakelen. Voor sommige krachtige 12V-apparaten kan je op het dashboard ook de stroom en dus de weerstand op de pedalen rechtstreeks verlagen met behulp van een variabele weerstand of potentiometer (beter bekend als een dimmer).

Wanneer je apparaten zoals de elektrische waterkoker of de Peltier-koelkast “dimt”, werken ze net zo goed, alleen langzamer. Zonder een potentiometer zouden alleen atleten deze apparaten (100-120W) gedurende een langere tijd van stroom kunnen voorzien. Als je van plan bent grote loodzuuraccu’s op te laden, kan je ook een dimmer toevoegen aan het 14,4V circuit. Dimmen werkt echter niet voor alle apparaten. Een laptop, bijvoorbeeld, zal zichzelf uitschakelen als hij niet de stroom krijgt die hij nodig heeft.

Door te schakelen tussen verschillende circuits en deze te combineren - en door de stroom op het 12V-circuit te regelen - kun je de weerstand op de pedalen net nauwkeuriger instellen dan op een hometrainer. Dat optimaliseert het uithoudingsvermogen, maar ook de vermogensproductie.

Het gebruik van de fietsgenerator: experimenten

Een fietsgenerator is het meest geschikt om elektrische apparaten rechtstreeks van stroom te voorzien - zonder de energie eerst in een accu op te slaan. Dat voorkomt laad- en ontlaadverliezen (tot 30% bij loodzuur-batterijen) en vermindert de complexiteit en de kosten voor het opzetten van een praktische fietsgenerator. Voor dit doel beschikt het bedieningspaneel over verschillende 12V circuits en een 220V circuit.

image

Beeld: Enkele van de door ons geteste apparaten: luchtcompressor, lampen, Peltier-koelkast, dot-matrixprinter, elektrische waterkoker, soldeerbout.

Onder de 12V apparaten die we rechtstreeks van stroom hebben voorzien zijn een experimentele Peltier koelkast, een waterkoker, laptops - gevoed door een 12V adapter, en zonder batterij of met de batterij op 100% - lampen, een soldeerbout, een boormachine, en een schuurmachine. Er bestaan nog veel meer 12V-apparaten, die vooral bedoeld zijn voor vrachtwagenchauffeurs en automobilisten, zeelieden, of woonwagenbewoners.

Dit zijn alle apparaten die we tot nu toe van stroom hebben voorzien of hebben opgeladen:

  • Alle soorten USB-apparaten (5V)
  • Loodzuur batterijen van verschillende grootte (14.4V)
  • Peltier koelkast (12V)
  • Elektrische waterkoker (12V)
  • Soldeerbout (12V) (video)
  • boormachine met snoer (12V) (video)
  • Schuurmachine met snoer (12V)
  • Luchtcompressor (12V)
  • Modelspoorbaan (12V)
  • Naaimachine (220V)
  • Dot-matrix printer (220V) (video)
  • Stereo versterker + cd-speler (220V)
  • Stereo versterker + platenspeler (12V)
  • Laptops (12V, 220V)
  • Verlichting (5V, 12V, 220V) (video)
  • Ventilatoren (5V, 12V, 220V)

De verlichting van stroom voorzien is vaak praktischer met een accu, omdat je dan van verlichting kunt genieten zonder tegelijkertijd te hoeven trappen. Het is echter heel goed mogelijk om op de fiets een boek te lezen en tegelijkertijd de verlichting te voeden, vooral in de winter - het kost weinig inspanning, het is gezonder dan stilzitten, en het houdt je warm. Andere apparaten die zeer geschikt zijn voor “direct drive” menselijke energieproductie zijn elektrisch gereedschap en verwarmings- en koelapparaten.

1. Elektrisch gereedschap

Hoewel elektrisch gereedschap van 12 V veel wordt gebruikt, wordt het bijna altijd aangedreven door lithium-ionbatterijen. Je zou deze accu’s met menskracht kunnen opladen. Dat duurt echter lang, levert niet veel op en leidt tot aanzienlijke energieverliezen. Daarom is het zinvol om deze apparaten om te bouwen tot elektrische gereedschappen met een snoer. Op die manier hoef je alleen stroom te produceren wanneer je die nodig hebt, met een veel hogere efficiëntie. Bovendien hoef je niet meer te wachten tot de accu’s zijn opgeladen - het gereedschap is altijd klaar voor gebruik.

Het ombouwen van accu-aangedreven gereedschap naar een gereedschap met snoer kan vrij eenvoudig zijn. Nadat je de accu hebt verwijderd, zoek je de positieve en negatieve contacten en soldeer je er twee draden aan vast. Let erop dat je maar één kans krijgt om te beslissen welke het positieve of het negatieve contact is. Gereedschap van 12 V met ontbrekende of lege batterijen wordt meestal goedkoop verkocht op de tweedehandsmarkt.

Een boormachine met snoer is misschien wel het meest veelzijdige gereedschap. Uiteraard kan je er gaten mee boren of schroeven mee aandraaien. Maar je kan ze ook als een garde gebruiken (om eieren te kloppen), je kan er een stugge borstel op monteren (om verf te verwijderen of voorwerpen schoon te maken), een slijpschijf (om messen te slijpen), of een polijstschijf (om chroom of andere metalen en materialen te doen glanzen). Precisiegereedschap voor juwelen of modelbouw is ook goed te combineren met directe pedaalkracht. We zijn nog in de vroege testfase voor het ombouwen en gebruiken van elektrisch gereedschap van 12 V met snoer.

Hand- versus voet-aangedreven gereedschap

Vergeleken met mechanisch handgereedschap is door menskracht aangedreven elektrisch gereedschap minder energie-efficiënt. Elektrisch gereedschap brengt extra energieverliezen met zich mee - in de generator, de spanningsregelaar, de bedrading en de aandrijving. Dit wordt echter ruimschoots gecompenseerd door een energie-efficiënter gebruik van de menselijke krachtbron. Onze benen zijn ruwweg vier keer sterker dan onze armen.

Elektrisch werken is ook ergonomischer omdat het de handgewrichten en -spieren ontziet. Tientallen schroeven met de hand aandraaien is misschien duurzamer dan met een boormachine, maar het kan je pols ontwrichten. Met een fietsgenerator kan je dus sneller en ergonomischer werken zonder afhankelijk te zijn van een externe energiebron.

Mechanisch handgereedschap behoudt enkele voordelen: het is stil, draagbaar en minder energie-intensief om te produceren. Een derde optie combineert deze voordelen: pedaal-aangedreven mechanisch gereedschap. Het is echter een uitdaging om een compacte stationaire fiets te bouwen die veel verschillende gereedschappen kan aandrijven. Door plaatsgebrek was het de uitdrukkelijke bedoeling om de fietsgenerator zo compact en multifunctioneel mogelijk te houden.

Elektrisch gereedschap kan veel vermogen vragen, maar dat hoeft je niet tegen te houden. De schuurmachine heeft hooguit 30 watt nodig, maar onze boormachine kan tot 20A stroom vragen - wat te hoog is voor de fietsgenerator en het bedieningspaneel (12V×20A=240W). De machine zal dat vermogen echter zelden nodig hebben, tenzij je door harde materialen gaat boren.

Het gevraagde vermogen van elektrisch gereedschap zal toenemen wanneer het koppel toeneemt, zodat je voelt wanneer de boor door het materiaal is gegaan of wanneer de schroef is vast- of losgedraaid. Je kan het gereedschap even nauwkeurig met je voeten hanteren als met je handen.

2. Verwarmen en koelen

Elektrische verwarming en koeling zijn energie-intensief. Alternatieven, zoals directe zonnewarmte en biomassa, zijn duurzamer. Toch kunnen verwarming en koeling in je oefenroutine worden opgenomen en resultaten opleveren.

We passen dit principe toe met een elektrische waterkoker en een experimentele Peltier-koelkast. Beide apparaten zijn zeer goed geïsoleerd. Bijgevolg wordt het omzetten van menselijke energie in warmte of koude een andere (zeer goedkope en duurzame) vorm van energieopslag - zonder alle nadelen van batterijen.

Elektrische waterkokers die op netstroom werken zijn vaak zeer krachtig en koken water in enkele minuten of zelfs seconden. Water koken met behulp van een fietsgenerator kost veel meer tijd, maar het is mogelijk. We hebben een in de handel verkrijgbare 12V elektrische waterkoker aangeschaft met een goed geïsoleerd reservoir van een liter. Tijdens een test duurde het koken van water voor een kop thee iets meer dan een uur bij een gemiddeld vermogen van 60W.

De elektrische waterkoker kan ook warmwaterkruiken voor thermisch comfort bereiden. Daarvoor is meer water nodig dan voor een kopje thee, maar met een lagere temperatuur van ongeveer 60 graden Celsius. Tijdens een test duurde het verwarmen van een liter water voor een (kleine) warmwaterkruik 1 uur en 30 minuten bij een gemiddeld vermogen van 60 watt.

Na deze inspanning is een warmwaterkruik het laatste wat je nodig hebt. Sterker nog, tijdens die inspanning ben je zelf een ruimteverwarmer met een vermogen van enkele honderden watt, en kan je de luchttemperatuur in een kleine kamer verhogen. Het verwarmingselement zit als het ware in de energiefiets ingebouwd: de mens zelf. De geïsoleerde waterketel kan bovendien in een isolatiefornuis worden gestopt en uren later worden gebruikt wanneer je inactief bent en warmte nodig hebt.

Peltier koelkast

Commerciële 12V koelkasten zijn duur. Na onderzoek naar thermo-elektrische generatoren (TEG’s) werd het idee van een Peltier-koelkast geboren. Een Peltier-koelkast is in wezen een goed geïsoleerd isolatiefornuis (of hooikist) met een TEG er bovenop gemonteerd. Als er stroom op wordt gezet, wordt de module aan de ene kant heet en aan de andere kant koud, waardoor het inwendige van de container wordt gekoeld. TEG-koeling is niet bijzonder efficiënt. Het is echter stil, werkt zonder problematische koelgassen, en is de gemakkelijkste manier om zelf een koelkast te maken.

De TEG-koelkast is een vroeg prototype, dat nog verder moet worden getest en verbeterd. Om één TEG op vol vermogen aan te drijven is ruwweg 60 watt (12V×5A) nodig, gemeten direct na de generator. Dat is een goede training, en de dimmer maakt het mogelijk om de weerstand van de pedalen te verlagen. Het werd echter al snel duidelijk dat één TEG niet genoeg is voor de grootte van de koelruimte. We zullen een tweede moeten toevoegen voor een zwaardere training (60-100 watt), of het volume van de koelkast moeten verkleinen.

3. Netapparaten (220V)

Ons dashboard heeft ook een 220V circuit. Dat maakt het compatibel met apparaten die op het net werken. Het 220V circuit vereist een omvormer. De omvormer is te groot om in het dashboard op te nemen, dus hebben we hem in een houten kistje op het bagagerek geplaatst dat we vooraan bouwden.

Een 220V stopcontact is niet echt nodig. Veel 220V apparaten hebben 12V (of 24V) alternatieven die energie-efficiënter zijn voor gedecentraliseerde stroomproductie. We hebben echter een 220V circuit opgenomen voor het voeden van apparaten die (nog) niet zijn vervangen door of omgebouwd naar laagspanningsalternatieven: de dot-matrix printer, de naaimachine, de stereo-installatie, en de router.

De dot-matrix printer en de naaimachine zijn moeilijk te bedienen vanwege hun snel veranderende stroomvraag. Om bijvoorbeeld te voorkomen dat de spanning onder 12V daalt bij hoge vermogenspieken tijdens het printen, moet er zeer snel worden getrapt (rond 20V) om het vliegwiel voldoende inertie te geven. Een supercondensator zou dit kunnen oplossen — dit is iets wat we in de komende maanden zullen proberen. Een mechanische naaimachine en printer die met de voet worden aangedreven zouden veel energie-efficiënter zijn — maar veel minder ruimte-efficiënt.

Alternatieve configuraties: fietsgenerator met werktafel

Het bedieningspaneel is ontworpen om een grote verscheidenheid apparaten van stroom te voorzien, maar het kan ook een stuk eenvoudiger. Als je bijvoorbeeld alleen loodzuuraccu’s wilt opladen, is één 14,4V-schakeling voldoende. Dat levert een veel compacter bedieningspaneel op. Je kan uiteraard een spanningsregelaar gebruiken om elke spanning te creëren die je nodig hebt, bijvoorbeeld 3V, 6V, 9V, of 24V.

Als je echter hoofdzakelijk 24V apparaten wilt laten werken, is het een goed idee om ook de reductieverhouding aan te passen. Hetzelfde geldt als je alleen 14,4V lood-zuur batterijen wilt laden op een 12V systeem: pas de overbrengingsverhouding aan om 16-17V te genereren (nodig om de energieverliezen in de spanningsregelaar te compenseren).

image

Beeld: Het stopcontact (220V).

image

Beeld: Het “bagagerek” en de uitgangen van de verschillende circuits (ongereguleerd, 3x12V, 14.4V, 5V USB).

image

Beeld: De omvormer, laadregelaar en loodzuurbatterij.

Onze keuze voor een groot controlepaneel op het stuur heeft voor- en nadelen. Door het bedieningspaneel op de fiets zelf te plaatsen, is het gemakkelijk af te lezen en te bedienen. Het maakt de fietsgenerator ook draagbaar. Als de buurman noodstroom nodig heeft, pak je de fiets op. De keerzijde is dat het dashboard op de fiets meer trillingen veroorzaakt, wat meer lawaai produceert en energieverlies produceert. Dit is echter beperkt.

Het belangrijkste nadeel is dat zo’n groot bedieningspaneel op de fiets verhindert dat je in plaats daarvan een groot bureau op het stuur kunt plaatsen. Dat zou handig kunnen zijn om elektrisch gereedschap of een laptop te bedienen en tegelijkertijd stroom te leveren. Onze huidige opstelling is niet noodzakelijk ideaal voor het gebruik van elektrisch gereedschap. Er zijn twee mensen nodig - één om te fietsen en één om het elektrische gereedschap te bedienen. Evenzo kun je de laptop van een ander van stroom voorzien, maar niet die van jezelf terwijl je hem gebruikt.

We zijn van plan een tweede fietsgenerator te bouwen met een kleiner dashboard - één 12V circuit en twee USB poorten - en een werkruimte op het stuur. Zo’n fietsgenerator grijpt terug op soortgelijke (mechanische) fietsmachines uit het begin van de twintigste eeuw. Een andere optie is om het bedieningspaneel aan de muur te schroeven of in een rek te zetten - en de fietsgenerator ernaast te plaatsen. De omvormer, lood-zuur batterij, en wind laadregelaar - nu op de “bagagedrager” - kunnen ook weg van de fiets.

Hybride menskracht/zonne-energiesysteem

Onze menselijke krachtcentrale is de perfecte fitnessmachine - je eigen elektriciteit produceren werkt motiverend. De fietsgenerator is ook praktisch in noodgevallen, vooral als er genoeg menskracht beschikbaar is. In principe kan de fiets tot 2,4 kWh energie per dag produceren. Maar in de praktijk is de energieopbrengst natuurlijk afhankelijk van tijd die de leden van het huishouden aan het fietsen kunnen of willen besteden.

In elk geval is een fietsgenerator een uitstekende aanvulling op een off-the-grid zon-PV systeem, tenminste in een energiezuinig huishouden. Het vermogen van de fietsgenerator is niet afhankelijk van het weer, de seizoenen, of het tijdstip van de dag. Menskracht kan extra energie leveren bij slecht weer, waardoor er minder dure en niet-duurzame batterijen nodig zijn. Dat is vooral nuttig in de winter, wanneer het PV-systeem op zonne-energie veel minder stroom produceert, en wanneer de inspanning die nodig is om de fiets te bedienen je tegelijk ook warm houdt - daar zit wellicht de grootste besparing.

Er is voldoende zonne-energie in de zomer - wanneer het vaak te warm is om een stationaire fiets te gebruiken. Op een normale fiets wordt je afgekoeld door de luchtweerstand, maar dat is bij een energiefiets uiteraard niet het geval. Je kan de opgewekte energie gebruiken om jezelf te koelen met ventilatoren, maar dan kom je al gauw in een absurde situatie terecht.

image

Beeld: De fietsgenerator staat vlak naast de fotovoltaïsche systemen. Het uiteindelijke plan is om beide energiesystemen te integreren.

Met een vermogen van 50-100 watt is de fietsgenerator krachtiger dan de twee zonnepanelen die ernaast op het balkon staan: het 50 watt zonnepaneel dat de verlichting in de woonkamer van stroom voorziet en het 30 watt zonnepaneel waarop de website draait.

De zonnepanelen bereiken zelden of nooit hun maximale stroomproductie, en bij slecht weer produceren ze tien keer minder stroom dan de fietsgenerator. Gedurende langere periodes van slecht weer gaan de verlichting en de website daarom af en toe uit. Een of twee uur per dag op de fietsgenerator zou dit kunnen verhelpen. Een andere mogelijkheid is om met trapkracht elektrisch gereedschap of andere apparaten te bedienen zonder de energieopslag van het fotovoltaïsche zonnesysteem leeg te trekken.

Het is ook mogelijk om het bedieningspaneel te gebruiken met een zonnepaneel in plaats van een fietsgenerator. Je kan dan zonne-energie gebruiken om apparaten rechtstreeks van stroom te voorzien - zonder dat je daarvoor een zonne-laadregelaar en een accu nodig hebt. Je kan de wind laadregelaar ook vervangen door een zonnelaadregelaar, en dan kan je kiezen of je de zonne-energie rechtstreeks gebruikt of opslaat.

Als je de wind-laadregelaar vervangt door een hybride laadregelaar voor zon en wind, kan je beide energiebronnen gebruiken om dezelfde accu op te laden of apparaten rechtstreeks van stroom te voorzien. Zonne-energie en menselijke energie kunnen ook tegelijkertijd worden geproduceerd, waardoor het vermogen toeneemt. Het wordt dan mogelijk om apparaten aan te drijven die te krachtig zijn voor de zonne-installatie of de fietsgenerator alleen.

Technische handleiding: de fietsgenerator

image

Beeld: De frictieaandrijving.

Welke generator heb je nodig?

Om de mechanische energie van het vliegwiel om te zetten in elektriciteit heb je een 12V/24V DC magneetgenerator nodig met een maximaal vermogen van ongeveer 150-250 watt. Niet elke generator is goed. Je hebt er een nodig die bij een vrij lage snelheid loopt (minder dan 5000 onbelaste t/min) om 12 of 24V te verkrijgen met een praktische overbrengingsverhouding (zie verder). Veel generatoren moeten op hogere snelheden draaien om 12V of 24V te genereren, en daarmee kan je niet meer dan een paar volt produceren bij een gemiddelde trapfrequentie.

Zorg ervoor dat je een geborstelde gelijkstroommotor kiest. Borstelloze gelijkstroommotoren zullen niet werken omdat ze een zeer hoge rotatiesnelheid nodig hebben. Wanneer je online zoekt, zal “gelijkstroommotor” meer resultaten opleveren dan “gelijkstroomgenerator” - beide zijn goed.

Wisselstroomdynamo’s werken ook, en ze worden vaakt in fietsgeneratoren gebruikt omdat ze goedkoop en gemakkelijk te verkrijgen zijn (ze zitten in auto’s). Ze zijn echter inefficiënt en vereisen een 9V batterij om op te starten.

Ideaal en goedkoop zijn gelijkstroomgeneratoren van afgedankte elektrische scooters of fietsen. Wij kochten de Ampflow Pancake Motor P40-250. Deze generator heeft een onbelast toerental van 1700 bij 12V en een maximaal vermogen van 250 watt. Je kunt hem stevig vastschroeven op een metalen of houten ondergrond, wat een hoop moeite spaart.

Hoe bereken je de reductieverhouding?

De door de generator opgewekte spanning (V) is recht evenredig met de rotatiesnelheid van de generator (het toerental of “omwentelingen per minuut”). De rotatiesnelheid van de generator is echter geen vast gegeven. Ze hangt af van hoe snel je trapt (het aantal omwentelingen van de pedalen) en van de overbrengingsverhouding tussen de pedalen en de generator. De gemiddelde omwentelingssnelheid van de pedalen op een stationaire fiets - een comfortabel traptempo dat je lang kunt volhouden - is ruwweg 60 RPM (“rounds per minute”). Het kan nauwkeurig worden berekend met een toerenteller of met low-tech trucs. 4

Onze fietsgenerator maakt gebruik van een frictieaandrijving. Die bestaat uit een klein wiel dat is vastgemaakt aan de as van de generator en tegen het vliegwiel wordt aangedrukt. Het berekenen van de reductieverhouding impliceert het meten van de buitendiameter van vier onderdelen: het tandwiel van de pedalen, het tandwiel van het vliegwiel, het vliegwiel, en het kleine wiel dat op de generator zit. In ons geval zijn de eerste drie bekend, terwijl de laatste uit te zoeken was.

Hoe groot het wiel op de as van de generator moet zijn, hangt van de specificaties van de generator en van het voltage dat je wil produceren. Dit leverde ons hoofdbrekens op totdat iemand ons de juiste formules doorspeelde (dank u, Gabriel Verdeil!).

Om te beginnen moet je het onbelaste toerental van je generator vinden. Deze informatie (“no load RPM”) wordt verstrekt door de fabrikant. Onze generator heeft een onbelast toerental van 3400 bij 24V. Deze verhouding is evenredig — je kan het vereiste toerental berekenen voor om het even welk voltage. Bijvoorbeeld, bij 12V is het onbelaste toerental 1700 RPM (3400/24×12), en bij 16V is het 2267 RPM (3400/24×16).

Vervolgens meet je de buitendiameter van de andere, eerder genoemde onderdelen. Het maakt daarbij niet uit of je mm, cm, of een andere eenheid gebruikt, maar wees consistent. Nu heb je alle gegevens om de diameter van het wiel op de as van de generator te berekenen. Hieronder staat de formule, gevolgd door de berekening voor ons specifieke geval (uitgaande van 60 RPM op de pedalen):

Diameter wiel generator = (PS×W×RPM pedalen)/(WS×RPM generator)

  • PS = diameter tandwiel van pedalen
  • W = diameter van het vliegwiel
  • RPM pedalen = hoe snel je trapt
  • WS = diameter tandwiel van vliegwiel
  • RPM generator = het onbelaste toerental van de generator

Wieldiameter voor onze configuratie (in mm) om verschillende spanningen te produceren:

  • 12V = (190×525×60)/(60×1700) = 58,68mm wieldiameter.
  • 13V = (190×525×60)/(60×1842) = 54,15 mm wieldiameter.
  • 14V = (190×525×60)/(60×1983) = 50,30 mm wieldiameter.
  • 15V = (190×525×60)/(60×2125) = 46,94 mm wieldiameter.
  • 16V = (190×525×60)/(60×2267) = 44,00 mm wieldiameter.
  • 17V = (190×525×60)/(60×2408) = 41,42 mm wieldiameter.
  • 24V = (190×525×60)/(60×3400) = 29,34 mm wieldiameter.

De precieze spanning die je nodig hebt - en dus de precieze diameter - hangt af van wat je met de generator wilt gaan doen. In de handleiding voor het bedieningspaneel gaan we hier uitgebreid op in. Stel dat je loodaccu’s wil opladen (die tot 14,4V nodig hebben). Als je een elektronische regelaar gebruikt die de spanning verlaagt, moet je bijna 17V produceren om de energieverliezen van de spanningsomzetting goed te maken. Dat resulteert in een wieldiameter van 41,42mm. Deze configuratie is te zien in de onderstaande illustratie.

image

Je kan de formule op verschillende manieren gebruiken. Je kan het minimum toerental van de pedalen berekenen voor een gegeven wieldiameter; je kan het toerental van de generator berekenen op basis van een gegeven toerental van de pedalen en wieldiameter; en je kan de spanning berekenen die door een gegeven configuratie zal worden geproduceerd. Hieronder vind je de formules, gevolgd door een voorbeeld gebaseerd op de hierboven geïllustreerde configuratie:

Bereken het minimumtoerental aan de pedalen voor een bepaalde wielgrootte aan de as van de generator (S):

  • RPM generator/[(PS×W)/(FS×S]
  • 2260/[(190×525)/(60×41)] = 55,81 RPM aan de pedalen.

Bereken het toerental van de generator bij een gegeven wieldiameter aan de generator en toerental aan de pedalen:

  • (PS/FS)×(W/S)×RPM bij de pedalen
  • (190/60)×(525/41)×55 = 40,61 (overbrengingsverhouding)×56 = 2274 RPM

Bereken de spanning voor een gegeven RPM bij de generator:

  • Generator RPM×No load RPM verhouding
  • 2274×(3400/24) = 16.1V

Waar vind ik een wiel voor de generator?

Het uitzoeken van de wieldiameter is slechts de helft van het werk. Het kan een uitdaging zijn om een wiel te vinden dat de correcte diameter heeft, van het juiste materiaal is gemaakt, en compatibel is met de as van de generator. We hebben een tiental wieltjes geprobeerd alvorens we er één vonden dat redeljk goed werkt. Het vliegwiel heeft een zeer harde oppervlakte en vereist bijgevolg een relatief zacht wiel van rubber of polyurethaan.

image

Beeld: Een greep uit onze testwieltjes.

Belangrijk is dat het materiaal de wrijving aankan. Sommige plastics hebben de neiging om warm te worden en te smelten. Ter waarschuwing: het vinden van het juiste wiel heeft ons heel veel tijd gekost - enige frustratie is dus te verwachten, Een snellere weg die je zou kunnen nemen, is het (laten) ontwerpen van een op maat gemaakt onderdeel, zoals wordt beschreven in de handleiding van magnificientrevolution.org.

Het kopen van een DC generator met een voorgeïnstalleerd wiel is wellicht de eenvoudigste oplossing, maar tegelijk ook de duurste. Pedal Power Generator verkoopt bijvoorbeeld een 360W generator met een polyurethaan wiel van 37,5 mm voor 250 euro - ongeveer vier keer meer dan wat wij hebben betaald. Je kan bovendien geen wieltje kiezen met een andere diameter. Dat betekent dat je de uitgangsspanning niet kunt regelen, tenzij je de tandwielen in de aandrijflijn van de fiets vervangt. In ons geval zou het 37,5mm wiel 18V produceren, wat te veel is.

Hoe bevestig je het wiel aan de generator?

Onze generator werd geleverd met een geïntegreerde tandwiel-aandrijving. Die moesten we verwijderen om het wiel te kunnen bevestigen. Een nylon borgmoer met een omgekeerd loopvlak houdt het tandwiel vast. Je moet deze naar rechts losdraaien en daar heb je waarschijnlijk een klem voor nodig.

image

Beeld: De generator met schroefas.

image

Beeld: De generator met een wiel van 41 mm.

Onze generator heeft een as met een diameter van 8 mm, terwijl ons polyurethaan wiel op een as met een diameter van 10 mm past. Daarom gebruiken we een “schachtas”, die beide diameters met elkaar verbindt. Om de schachtas goed te bevestigen, kun je gebruik maken van de D-snede op de as van de generator. Een schachtas met schroefdraad en stelschroeven is handig om verschillende wielen te testen.

We bevestigden de schachtas met stelschroeven op de vlakke sectie van de schacht van de generator. Het wiel kan op de schachtas (M10) worden vastgezet met een paar sluitringen en een moer. Een askoppeling kan ook dienen als een heel klein wiel met een diameter die slechts een beetje groter is dan die van de as van de generator. Deze askoppeling kan je ook gebruiken om de as van de generator aan een andere as met een wiel vast te maken. Voor onze opstelling was dit niet ideaal omdat de schroeven van de askoppeling iets boven de koppeling uitsteken en het vliegwiel beschadigen.

Hoe bevestig je de frictieaandrijving aan de fiets?

We schroefden de generator op een houten plank en drukten het kleine wiel tegen het vliegwiel aan met behulp van een ondersteunende constructie uit hout. De plank is aan de fiets bevestigd met een sterke deurscharnier. Die laat toe om de hoek aan te passen waarmee het kleine wiel contact maakt met het vliegwiel. De houten constructie rust op een lapje kurk dat de trillingen buffert.

Het is uitermate belangrijk om alles zeer stevig vast te maken, zoniet is de kans groot dat het wiel niet op zijn plaats blijft als de fiets wordt gebruikt. Er mag geen enkele speling op de constructie zitten. Zie ons eerste prototype voor een andere methode.

image

Beeld: de frictieaandrijving.

Handleiding: het controlepaneel

Spanningsregelaars en dimmers

Spanningsregelaars zijn elektronische modules die een fluctuerende ingangsspanning omzetten in een constante uitgangsspanning. Zogenaamde “buck converters” hebben een hogere ingangsspanning dan de uitgangsspanning (ze verlagen het voltage), terwijl “boost converters” een hogere uitgangsspanning hebben dan de ingangsspanning (ze verhogen het voltage).

Je kan in beide gevallen het uitgangsvoltage aanpassen door een heel klein schroefje op de module (je hebt daarvoor een hele kleine schroevendraaier nodig). Sommige spanningsregelaars worden geleverd met een klein digitaal scherm dat de uitgangsspanning aangeeft, wat erg handig is. Als dit niet het geval is, kan je een multimeter gebruiken om de uitgangsspanning in te stellen.

image

Let erop dat je ofwel een buck of een boost converter kiest. Gebruik GEEN zogenaamde “buck/boost converter”. Dit is een soort micro-bankvoeding waarbij de uitgangsspanning moet worden aangepast telkens als het systeem wordt ingeschakeld. Dit is onpraktisch en kan schade toebrengen aan elektronische apparaten. Een buck- of boostconverter daarentegen onthoudt de uitgangsspanning telkens wanneer je hem opstart.

Koop ook GEEN spanningsregelaar die de uitgangsspanning regelt in verhouding tot de ingangsspanning (“voltage regulator”). Als de ingangsspanning verandert, verandert namelijk ook de uitgangsspanning. Je hebt een buck- of boostconverter nodig waarbij de ingangsspanning kan fluctueren maar de uitgangsspanning stabiel is. De terminologie kan verwarring scheppen, zeker in het Nederlands, omdat beide modules vertaald worden als “spanningsregelaar”.

Ten slotte moet je de maximale stroomsterkte controleren voordat je een buck- of boostconverter koopt. Sommige modules kunnen maar 2A aan, wat niet krachtig genoeg is voor een fietsgenerator. Je hebt er een nodig die minstens 5A aankan en bij voorkeur een die 10A of 15A aankan — afhankelijk van je conditie en waarvoor je de fiets gebruikt.

Spanning verhogen of verlagen?

Of je voor een buck- of een boostconverter kiest, hangt af van zowel de spanning die de generator produceert als de spanning van het apparaat (of apparaten) die je wil voeden of opladen. Als de fietsgenerator 12V produceert en je wil USB-apparaten van 5V opladen, dan moet de spanning naar beneden worden bijgesteld en heb je dus een buck converter nodig. Deze kleine modules met een USB-connector zetten een fluctuerende spanningsingang om in een constante 5V spanningsuitgang. 5

Als je 12V apparaten van stroom wilt voorzien of loodaccu’s (14,4V) wilt opladen, kunnen zowel een buck als een boost converter werken. Als je voor een buck converter kiest, moet de fietsgenerator een spanning hebben die iets boven 12V of 14,4V ligt (respectievelijk 13-14V en 16-17V). Dit hogere voltage is nodig om de energieverliezen bij de omzetting te compenseren. Als je een boost converter gebruikt, moet de spanning van de generator onder de 12V of 14,4V blijven.

Een buck converter zal nooit de gekozen uitgangsspanning overschrijden, ongeacht hoeveel volt de generator produceert. Een boost converter daarentegen garandeert je weliswaar een minimale uitgangsspanning, maar stelt geen maximale uitgangsspanning in. Als je te snel trapt, kan de uitgangsspanning de limiet overschrijden en het apparaat of de batterij die je voedt of oplaadt beschadigen.

Voor ons eerste dashboardprototype hebben we alleen buck converters gebruikt. Voor de tweede versie gebruikten we een boost convertor om de loodzuur batterijen op te laden. De generator moet 16-17V produceren om een uitgangsspanning van 14,4V te verkrijgen met een buck converter. Dat is prima als je alleen loodzuuraccu’s wilt opladen, omdat je dan de overbrengingsverhouding kunt aanpassen om 16-17V te produceren bij een comfortabele pedaalsnelheid. Als je de overbrengingsverhouding echter optimaliseert voor lagere spanningen - zoals wij hebben gedaan - dan moet je nogal snel trappen als je het opladen van batterijen in je training meeneemt.

Wind-laadregelaar

De fietsgenerator moet tot 14,4V leveren om loodzuuraccu’s op te laden - de maximale spanning die een loodzuuraccu nodig heeft. In principe heb je daar alleen maar een spanningsregelaar voor nodig, maar er is één nadeel: je kan op die manier de batterij overladen, wat tot een explosie kan leiden.

Je kan dit risico op een lowtech manier vermijden - door de amperemeter in de gaten te houden. Zodra de stroomsterkte daalt tot 3% van de nominale opslagcapaciteit van de batterij (in Ah), is de batterij volledig opgeladen en moet je stoppen met trappen. Omdat je zelf de stroombron bent en bijgevolg zeker aanwezig en wakker bent, is deze aanpak veel minder riskant dan wanneer je op dezelfde manier batterijen zou opladen met zonne-energie.

Toch is het een goed idee om meer zekerheid toe te voegen. Een laadregelaar voor zonne-energie biedt deze zekerheid in een PV-systeem. Hij onderbreekt de stroomtoevoer wanneer de spanning boven 14,4 V stijgt. Een laadregelaar voor zonne-energie werkt echter niet wanneer hij wordt gekoppeld aan een fietsgenerator. In plaats daarvan heb je een wind-laadregelaar nodig, die op een andere manier werkt.

In plaats van de belasting tot nul te reduceren, verhoogt een wind-laadregelaar deze plotseling en “remt” de energiebron af. Als je een buck converter gebruikt, zal de wind-laadregelaar de rem alleen maar activeren als je de batterij dreigt te overladen. De buck converter beperkt de uitgangsspanning immers tot 14,4V. Gebruik je een boost converter, dan zal de laadregelaar elke keer remmen wanneer je per ongeluk een spanning van 14,4V overschrijdt.

Wind-laadregelaars hebben drie groene elektrische draden om de energiebron op aan te sluiten. Je kan om het even welke twee van deze drie draden nemen en ze verbinden met de plus en de min van de generator - het maakt niet uit welke draad waar wordt verbonden. De meeste in de handel verkrijgbare wind-laadregelaars zijn veel te krachtig voor een fietsgenerator, dus neem de kleinste die je kan vinden.

Helaas wordt er veel rommel verkocht. We hebben twee laadregelaars teruggestuurd naar de fabrikant. Eén windregelaar met scherm kwam zonder handleiding, en niemand kon ontdekken hoe hij werkte. De hybride wind/zonne-regelaar die we geprobeerd hebben, was gevaarlijk. Het zonnepaneel overlaadde de batterij. Dit apparaat hield ook de elektrische rem een half uur lang in stand als we het voltage overschreden, en blokkeerde zo voor lange tijd de menselijke stroomproductie.

Draden, connectoren, diodes, zekeringen, aan-uit knoppen

Om het controlepaneel te bouwen heb je elektrische kabels, connectoren, diodes, zekeringen en schakelaars nodig.

image

Elektrische kabels

Het bedieningspaneel bevat ongeveer tien meter elektrische kabels. Het belangrijkste is echter niet de lengte, maar de dikte van de kabels. Kies je voor te dunne kabels, dan kan het circuit vlam vatten tijdens een zware training. Het maken van de juiste keuze kan verwarrend zijn omdat er verschillende normen bestaan. Wij bedraadden het dashboard met een 20AWG 0.52mm2 kabel die 11A aankan. Een betere optie zou een 18AWG 0.82mm2 kabel zijn geweest, die 16A stroom aankan. Wees voorzichtig bij het strippen van de kabels: als je te diep knipt, kan de kabel minder stroom opnemen.

Connectoren

Elektrische bedrading kan op verschillende manieren worden verbonden. Wij kozen voor hefboomconnectoren. Die zijn redelijk groot en duur, maar erg handig. Er moet niet geschroefd of gesoldeerd worden en de draden zitten toch erg goed vast. Hefboomconnectoren kunnen twee tot tien kabels met elkaar verbinden. De bedrading van het controlepaneel kan rommelig worden, dus enige planning is nuttig. Zorg ervoor dat je de kabels niet te kort afknipt, maar ook niet te lang.

Zekeringen

Je kan een fietsgenerator en controlepaneel bouwen zonder zekeringen, maar dan bestaat er een risico op beschadiging, bijvoorbeeld door brand of kortsluiting. Een zekering onderbreekt het elektrische circuit wanneer het voltage een bepaalde stroomsterkte overschrijdt. De capaciteit van de zekering (uitgedrukt in ampère) moet net iets hoger zijn dan de verwachte stroom. Onze maximale stroomproductie is 8 tot 9A, en we plaatsten een zekering van 12A tussen de generator en het controlepaneel. We plaatsten ook zekeringen tussen het controlepaneel en de meeste apparaten.

Aan-uit schakelaars

Schakelbare circuits vereisen aan-uit knoppen. Ons dashboard heeft er negen. We wilden schakelaars die oplichten wanneer ze actief zijn, zodat meteen duidelijk wordt welke elektrische circuits in werking zijn wanneer de pedaalkrachtgenerator wordt gestart. Lampjes maken de bedrading van de aan-uit schakelaars echter ingewikkelder. Omdat we liever niet wilden solderen, kochten we schakelaars die al bedrading hadden. Die dikke kabels namen echter te veel ruimte in beslag, zodat we de schakelaars toch nog moesten solderen. Schakelaars zonder lichtjes maken de bedrading van het controlepaneel een stuk eenvoudiger en compacter.

image

Beeld: De bedrading van de schakelaars.

Schottky diode

Een Schottky diode zorgt ervoor dat de stroom slechts in één richting door een kabel kan stromen. Dit kleine onderdeel is essentieel wanneer er batterijen aan het systeem zijn gekoppeld. Zonder een diode zou de batterij de generator kunnen aandrijven (de generator wordt dan een elektrische motor). Een Schottky-diode vlak na de generator verhindert dit. De diode moet de juiste stroomsterkte hebben: net iets boven de maximale stroomproductie, net zoals een zekering. Wij plaatsten een 10A Schottky diode.

Dashboard Instrumenten

image

Het bedieningspaneel heeft verschillende displays die de spanning en stroom in verschillende elektrische circuits weergeven. De analoge volt- en ampèremeters bovenaan zijn het belangrijkst. Ze geven aan hoeveel vermogen de generator produceert (V×A=W). De voltmeter vertelt je hoe snel je trapt, de ampèremeter hoe hard je trapt.

Analoge V&A-meters zijn het nauwkeurigst in het midden van hun bereik, dus kozen we een voltmeter die tot 30V gaat en een ampèremeter tot 15A. Een digitale V&A meter is compacter, maar analoge meters geven variaties beter weer en verbruiken geen elektriciteit. Boven de analoge meters bevindt zich een USB-connectie om een klein LED-lampje aan te sluiten. Daarmee kan de V&A meter ook in het donker in het oog worden gehouden.

image

Beeld: De bedrading van de analoge voltmeter en ampèremeter.

Onder de V&A-meter bevinden zich drie spanningsmeters voor elke buck- en boostconverter. Deze tonen de uitgangsspanning voor elk van de circuits. De uitgangsspanning moet 12,0V bedragen voor de 12V en 220V elektrische circuits, en 14,4V voor het 14,4V circuit. De eerste twee kunnen onder die waarde komen als je niet snel genoeg trapt. De laatste kan boven die waarde komen als je te snel trapt - iets wat de windregelaar ook duidelijk zal maken door af te remmen. Er zit ook een spannings- en stroommeter op het 5V circuit. Dat helpt om de stroomproductie te maximaliseren door zoveel mogelijk USB-apparaten toe te voegen (tot 2A).

Nog twee instrumenten staan niet op het dashboard zelf: de spanningsmeter van de loodzuur batterij en de temperatuurmeter voor de elektrische waterkoker en de Peltier koelkast. Beide kunnen de energieproducent motiveren. Als je op een gewone fiets stapt, dan resulteert je inspanning in een afgelegde afstand. Stationair fietsen kan daarentegen erg saai zijn - je gaat nergens heen. De instrumenten helpen om doelen te stellen.

Bevestiging van het controlepaneel

image

image

Het bedieningspaneel is aan het stuur bevestigd. Aan de voorkant van de fiets is een “bagagerek” toegevoegd voor extra onderdelen die niet op het controlepaneel passen, zoals een omvormer, een windregelaar, en een loodzuuraccu. Deze zitten verborgen in een houten kistje met deksel - let op voldoende luchtgaten voor het ventileren van de batterijgassen. Bovenop het deksel bevinden zich de voedingsuitgangen voor elk circuit en een USB-distributieknooppunt. De kabels van het dashboard gaan door de holle buis van het stuur en dan via een opening het houten kistje binnen.

We hebben een lasersnijder gebruikt in een makerspace (MADE Barcelona) om het paneel te produceren. Alle onderdelen zijn gemonteerd in of ingeklemd tussen twee lagen 4mm MDF. Je kan het frontpaneel makkelijk verwijderen als er iets moet worden vervangen of gerepareerd. Een transparante acrylplaat beschermt de buck en boost converters. Die kan er snel worden afgeschroefd om de uitgangsspanning aan te passen. Het dashboard is aan het stuur van de fiets bevestigd met rubberen buisklemmen, M8 dopmoeren en bouten.

De elektrische bedrading

Het volledige controlepaneel:

image

1: Schottky diode. 2: Zekering. 3: Kabels. 4: Analoge ampère- en voltmeter. 5: Schakelaars. 6: Connectoren. 7: USB ledverlichting.

5V circuit:

image

8: USB Buck converter. 9: USB Volt- & Ampèremeter. 10: USB verdeelstekker.

12V circuit:

image

11: Buck Converter. 12: Dimmer.

14.4V circuit:

image

13: Boost converter. 14: Windregelaar. 15: Loodzuurbatterij. 16: Voltmeter batterij.

220V circuit:

image

17: Buck Converter. 18: Omvormer.

Handleiding: componentenlijst

Waar mogelijk hebben we de precieze technische naam van het component toegevoegd (in het Engels) om online zoeken te vergemakkelijken.

Generator

  1. Motor (x1). Ampflow P40 - 250W Pancake DC Geborstelde motor 24-12V.
  2. Schachtas (x1). “Threaded Shaft Arbor conversion from 8mm to M10”
  3. Wiel (x1).

Dashboard

  1. Schottky diode (x1). “BOJACK Diode Schottky 10SQ045 (10A 45V)”
  2. Zekering (x1).
  3. Analoge ampèremeter (x1). “Analog Ammeter DH-670 0-5A Class 2.0” & Analog voltmeter (x1) — “Analog Voltmeter DH-670 DC 0-30V Class 2.0”
  4. Schakelaar met ledverlichting (x8) — “KR1-5 Series Rocker ON/OFF Switch 12V 20A 3 pins with LED
  5. Connectoren (≈16 in verschillende afmetingen)
  6. 5V USB Ledverlichting.
  7. 5V Buck converter (x2). “Buck Converter MH KC24 DC-DC 24-12V Charging Step Down to 5V USB with Fast Charging Protocol.”
  8. 5V USB Volt- en Ampèremeter.
  9. 5V USB Verdeelstekker.
  10. 12 V 5A Buck Converter (x2). “Buck Converter DC-DC Adjustable 12-24-36V 5A”
  11. Dimmer & 12V DC stekker (x1). “RUIZHI DC 12V waterproof Female Car Cigarette Lighter Socket.”
  12. Boost Converter (x1).
  13. Windregelaar (x1) — “Asixx Waterproof Wind Charge Controller 24-12V 300/600W.”
  14. Voltmeter batterij.
  15. 12V 15A Buck Converter — “Buck Converter 200W 15A DC 3-60V to 1-36V step-down adjustable voltage regulator synchronous rectifier module.”
  16. Omvormer (x1) — DC 12V naar AC 220V, een vermogen van 150 of 300 watt volstaat.
  17. Kabels (+10m). “0.52mm2 10M conductor parallel silicon wires 20AWG 11A” (Let op: 10 meter positief en 10m negatief)

Hardware

  • M3 bouten. Om de elektronische componenten aan het bedieningspaneel te bevestigen.
  • M6 bouten. Om de generator aan de houten plank vast te maken.
  • M8 bouten. Om de voor- en achterzijde van het bedieningspaneel aan elkaar vast te maken.
  • Grote deurscharnier. Om de generator makkelijk in de juiste hellingshoek te zetten.
  • Metalen klemmen met rubber bescherming. Om het dashboard aan het stuur van de fiets te bevestigen.
  • Houtlijm, schroeven, bouten, sluitringen en moeren. Voornamelijk gebruikt voor de constructie van de bagagedrager.

De kosten

We lijsten enkel de kosten voor de componenten op die we effectief gebruikten:

Generator

  • Tweedehands hometrainer: 60 euro
  • Generator (nieuw): 60 euro
  • Schachtas: 10 euro
  • Wieltje: 3 euro
  • Totaal: 133 euro

Dashboard (alle circuits)

  • Bedrading: 17 euro
  • Connectoren: 25 euro
  • Analoge voltmeter: 9 euro
  • Analoge ampèremeter: 9 euro
  • Schakelaars: 20 euro
  • Diode: 1 euro
  • Zekering: 1 euro
  • Totaal: 82 euro

5V circuit

  • 5V USB buck converter (2x): 8 euro
  • 5V USB V&A meter: 8.50 euro
  • USB verdeelstekker: 30 euro
  • Totaal: 46.5 euro

12V circuit

  • 12V 5A buck converter (2x): 24 euro
  • 12V 5A boost converter: 8 euro
  • 12V 15A buck converter: 25 euro (extra circuit dat we later toevoegden)
  • Dimmer: 7.50 euro
  • Totaal: 64.5 euro

14.4V circuit

  • Omvormer: 50 euro
  • Batterij (14Ah): 31 euro
  • Windregelaar: 34 euro
  • Totaal: 115 euro

Hardware

  • Vastmaken van bedieningspaneel en generator: +/-30 euro

Totale kost

  • Algemeen totaal: 471 euro

Het kan uiteraard een stuk goedkoper. Onze fietsgenerator is ook bedoeld als demonstratiemodel, daarom kan hij vrijwel alles. Een minimalistische versie bouw je voor minder dan 150 of 200 euro.

Maximale stroomsterkte van alle componenten

Alle gebruikte onderdelen moeten de stroom aankunnen die er doorheen gaat. Het voltage is meestal geen probleem, maar je moet op de stroomsterkte letten. De vermogensproductie van onze fietsgenerator was aanvankelijk beperkt tot ongeveer 60 watt (12V, 5 A) - maar dat was voordat we de aandrijving van de fiets grondig hadden schoongemaakt en geolied. Na het schoonmaken ontdekten we dat de motor bijna het dubbele vermogen kon produceren (12V, 8-9A). Dat betekende dat we enkele updates moesten uitvoeren.

Componenten worden duurder naarmate hun maximale stroomcapaciteit toeneemt. Voor de 12V, 220V, en 14.4V circuits hielden we ons aan een limiet van 5A. Hoewel de fietsgenerator meer vermogen kan produceren, combineren we meestal verschillende circuits - elk beperkt tot 5A. We hebben een extra 12V circuit toegevoegd met een 15A buck converter en dikkere elektrische kabels om een krachtiger apparaat te kunnen gebruiken. Voorlopig omzeilt dit circuit het dashboard volledig.

  • Bekabeling: 11A, 18A voor het extra circuit
  • USB buck converters: 2A
  • 2x Buck converters: 5A
  • 1x Buck converter: 15A
  • Boost converter: 5A
  • Schakelaars: 20A
  • Diode: 10A
  • Zekering: 12A
  • Connectoren: 20A

Benodigde gereedschappen

  • Kabelstripper (om elektrische bedrading op maat te knippen)
  • Zeer kleine schroevendraaier (om de uitgangsspanning op buck en boost converters aan te passen)
  • Rekenmachine, multimeter, toerenteller
  • Soldeerbout. We hebben de aan/uit schakelaars en de twee USB buck converters gesoldeerd. Dit kan echter worden vermeden. Schakelaars kunnen voorbedraad worden gekocht en er zijn alternatieve opties voor de USB converters.
  • Houtzaag: om het bagagerek te maken
  • Metaalzaag: om draadstangen op maat te zagen
  • Boormachine: om het bagagerek en het dashboard te monteren
  • Steeksleutelset: erg handig als je aan een fiets werkt.

Het eerste prototype

image

image

image

Het bedieningspaneel kan verschillende vormen aannemen en met andere gereedschappen en materialen worden gebouwd. Voordat we het definitieve dashboard bouwden, maakten we een werkend prototype met behulp van afvalhout en meccano. Het werd aan het stuur bevestigd met ijzerdraad en houten balkjes.

Zoals op de laatste foto te zien is, schroefden we aanvankelijk de generator op een grote houten plank en zetten de fiets er bovenop. Om ervoor te zorgen dat het kleine wiel precies op de juiste plek het vliegwiel raakte, maakten we openingen in de plank voor de vier poten van de stationaire fiets. Deze opstelling werkte prima en was handig om verschillende wieltjes uit te proberen, maar ze vergde veel meer vloerruimte dan onze definitieve configuratie.

Kris De Decker & Marie Verdeil.

Met dank aan Adriana Parra, Eris Belil, Gabriel Verdeil, en Manvel Arzumanyan.

Reacties

Wil je reageren op dit artikel? Stuur dan een mailtje naar solar (apestaartje) lowtechmagazine (punt) com. Je mailadres wordt niet voor andere doeleinden gebruikt. Wens je anoniem te blijven? Teken dan je reactie met alleen je voornaam of een pseudoniem. Nadat de reactie is gepubliceerd, wordt je e-mailbericht verwijderd.

De website wordt elke 24 uur geactualiseerd (rond 18h). Zie je geen nieuwe reacties? Ververs dan de pagina, dit is een statische website.

Sonia Rutgers

Hallo, Hartelijk dank voor dit artikel! Het was een tijd geleden dat ik nog wat gekregen had. Prachtige machine! Ik ben niet zo technisch aangelegd maar kan alles goed lezen en begrijp ook het meeste. Om te bouwen zou ik een handige en bekwame vriend(in) nodig hebben, maar dan zou het ook fantastisch zijn. Doe zo voort, ik lees deze mails heel graag!!!! Ik zie dat u/jullie verhuist zijn. Het is mooi in Barcelona! Succes en tot horens/lezens. Hartelijke groet, Sonia Rutgers (Utrechtse Heuvelrug, NL)

Jan4

L.S. Gelieve te noteren dat de net spanning sinds de jaren 1990 , 230 & 400 volt bedragen… (220&380) voordien;-)

Dominique

Dag Kris en co,

bedankt voor het leuke artikel en handleiding voor de bouw van een fietsgenerator! Met de huidige energieprijzen zullen we snel klaargestoomd zijn voor de Tour :-) Kan het zijn dat jullie in het overzicht van gebruikte materialen/ kosten het 230V circuit vergeten op te nemen zijn?

groeten,

Dominique

Marieke

Voor mij is zoiets al high tech, hoor, Kris! Emoji Maar wederom bedankt voor een interessant artikel.

Lieve groet, Marieke

Paul Veltman

Inderdaad houdt die generator je warm door hard te trappen, maar produceert nauwelijks energie. Ik schat die tussen de 100-200W.

Paul Schreurs

Hallo Kris,

Naar aanleiding van het artikel over de fietsgenerator kreeg ik het volgende ideetje, maar ik heb het niet getest en ik weet niet of het in de praktijk werkt.

Het vliegwieleffect kan mogelijk worden versterkt door de fietsband niet op te pompen met lucht, maar met water. Dat kan met een ouderwetse fietspomp. Ik heb het niet getest, maar stel mij het als volgt voor. 1) Laat de band helemaal (!) leeglopen. Luchtrestanten kunnen later heel storend worden. 2) Sluit de fietspomp aan de band. 3) Als het handvat van de fietspomp helemaal naar beneden is, draai je de fietspompbuisafsluiting (n.b. die aan de bovenzijde van de buis zit) open en vul je de buis met water. Beweeg het handvat langzaam omhoog totdat er nog net een klein beetje water boven het “leer” zit. Vul eventueel steeds water bij. Belangrijk is dat er geen lucht onder het “leer” komt. 4) Vervolgens schroef je de fietspompbuisafsluiting weer vast. 5) Druk nu het handvat naar beneden, waardoor het water in de band komt. 6) Herhaal de 3 t/m 5 totdat de band vol is.

Nogmaals, ik heb het niet getest. Wellicht is het bijna onmogelijk om alle lucht er uit te krijgen en geeft een eventueel luchtrestant allerlei destabilisatie. Ook kan ik niet voorzien wat het effect op de frictieaandrijving is. Ik verwacht dat de extra massa het vliegwieleffect flink zal versterken.

Groetjes,

Paul Schreurs

Titus Smit

Erg leuk artikel over de stroom-/fietsgenerator!! Complimenten!! Daar is veel tijd en energie in gaan zitten!!

Ik ben zelf niet handig genoeg, maar ga er vanuit dat jullie velen hiermee geinspireerd hebben!! En wens juliie veel succes met al jullie activiteiten!!

Kris De Decker

@ Paul Schreurs

Het vliegwiel is geen fietsband. Het is een massief wiel, gevuld met beton, metaal of zand (ik weet het niet precies). Wel interessant idee.

@ Paul Veltman

De vermogensopbrengst van de fiets staat in het artikel. Of de fietsgenerator nuttig is of niet, hangt af van je elektriciteitsverbruik. In mijn huishouden is het elektriciteitsverbruik erg laag. Bovendien hoef ik niet te trappen als de zon schijnt, want dan nemen de zonnepanelen het over. Best eerst artikel lezen alvorens je reageert.

@ Marieke

Snap ik, maar het kan ook veel eenvoudiger. We hebben alle mogelijkheden in het controlepaneel gestopt, het idee is dat je kiest wat je nodig hebt.

@ jan4 & Dominique

Dank, ik kijk het na.


  1. Er is echter één uitzondering. We moesten de mechanische rem verwijderen waarmee de weerstand op de pedalen van de hometrainer wordt afgesteld. We hebben dit deel met een kleine metaalzaag doorgezaagd. 

  2. Het is belangrijk dat je zadel op de juiste hoogte staat om de vermogensproductie te maximaliseren. Het zadel op onze fiets is te laag. We moeten een langere zadelpen vinden. 

  3. De weerstand op de pedalen hangt af van het apparaat dat je aandrijft. Als je een smartphone oplaadt, zul je slechts een paar watt kunnen produceren - net zoveel als de smartphone nodig heeft. Om het maximale vermogen van een fietsgenerator te achterhalen heb je dus een apparaat of multimeter nodig die krachtiger is dan jijzelf. Wij deden de test met een elektrische luchtcompressor. 

  4. Om het toerental aan de pedalen te berekenen fiets je 15 seconden en tel je het aantal volledige pedaalomwentelingen (het linker- of rechterpedaal neemt een volledige slag). Vermenigvuldig dit aantal met vier. 

  5. Er zijn vele andere soorten USB-aansluitingen, maar die vereisen een constante 12V-ingang. 

650.33KB